[發(fā)明專利]一種基于米氏散射的無線光散射通信裝置及方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310042556.2
• 申請(qǐng)日: 2013-02-04
• 公開（公告）號(hào): CN103209024A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 汪井源;陳亦望;王榮;徐智勇;朱勇;韋毅梅;孫學(xué)金;張寶富;蒲濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H04B10/11
• 分類號(hào): H04B10/11
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于光在大氣中發(fā)生米氏散射的無線光散射通信裝置及方法，該裝置降低了無線光通信系統(tǒng)中對(duì)光學(xué)天線對(duì)準(zhǔn)精度的要求，能在遠(yuǎn)距離的兩點(diǎn)快速建立起非視距通信鏈路，實(shí)現(xiàn)高效的散射光通信。

背景技術(shù)

無線光通信技術(shù)是一種利用激光為載體，大氣為傳輸介質(zhì)，基于光傳輸?shù)亩叹嚯x點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信方式，也稱為自由空間光通信技術(shù)（Free?Space?Optic，F(xiàn)SO）。FSO技術(shù)不占用無線電頻率資源，抗電磁干擾能力強(qiáng)，保密性好，安裝便捷，使用方便，目前已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。但是，目前FSO技術(shù)的工作方式必須采用LOS（Line?Of?Sight）鏈路，這要求通信鏈路上沒有障礙物，在開通之前必須實(shí)現(xiàn)光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，然后才能實(shí)現(xiàn)正常的通信，這為實(shí)際的使用帶來一定的困難和不便，且無法實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)性。

散射通信是利用電磁波在傳輸介質(zhì)中的散射效應(yīng)而進(jìn)行信息傳播的一種通信方式。光波是一種電磁波，其傳播時(shí)交變的電磁場(chǎng)會(huì)與介質(zhì)分子相互作用，使分子中電子成為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的偶極振子。根據(jù)電磁理論，振動(dòng)著的偶極子是個(gè)次波源，可以像一根天線一樣向各個(gè)方向輻射電磁波，這就是光散射的起因。

為了解決無線光通信在使用上的局限性，在上世紀(jì)末期，有研究人員提出了利用光與大氣發(fā)生瑞利散射來實(shí)現(xiàn)非視距光散射通信，即紫外散射光通信。大氣中包含大量的各種氣體分子，這些尺寸很小的氣體分子與光發(fā)生瑞利散射。根據(jù)瑞利散射的理論，散射光的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比，而紫外光的波長(zhǎng)較短，因此紫外光通過瑞利散射可以更容易實(shí)現(xiàn)全方位的散射通信，而無須實(shí)現(xiàn)通信前對(duì)準(zhǔn)。但是按照紫外光通信的工作原理，可供系統(tǒng)選擇的適合通信用的短波長(zhǎng)光電器件目前發(fā)展還不成熟，同時(shí)瑞利散射的特點(diǎn)決定了散射光在各個(gè)散射方向上的強(qiáng)度相差不大，因此紫外光通信的傳輸距離較短，通常小于1公里。

因此，為了實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的光散射通信，必須另辟蹊徑，尋找新的通信機(jī)理。本發(fā)明公開的這種新的無線光散射通信方法，其工作機(jī)理是基于光與大氣的米氏散射。大氣中除了包含大量的氣體分子之外，還包含有許多的煙、霧、塵埃、霾、小水滴等較大尺寸的氣溶膠粒子。光與尺寸較小的氣體分子發(fā)生瑞利散射，而與尺寸較大的氣溶膠粒子發(fā)生米氏散射。根據(jù)大氣散射理論，當(dāng)光照射到大氣中的分子和氣溶膠粒子上時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射，從而使能量重新分布，散射后的能量會(huì)因散射粒子的不同而隨角度變化呈不同分布。米氏散射的光強(qiáng)分布比較復(fù)雜，其特點(diǎn)是散射能量主要集中在前向方向上，且強(qiáng)度比瑞利散射大的多，米氏散射的強(qiáng)度變化不像瑞利散射那樣對(duì)波長(zhǎng)敏感。這種特點(diǎn)使得米氏散射可以被長(zhǎng)距離光散射通信利用，同時(shí)這一特性也使得系統(tǒng)可以選擇較長(zhǎng)波長(zhǎng)光作為工作波長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種基于米氏散射的無線光散射通信裝置及方法，

其實(shí)現(xiàn)的裝置包括光發(fā)送設(shè)備和光接收設(shè)備，其實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離散射通信的機(jī)理是通過大氣氣溶膠粒子的米氏散射。

技術(shù)方案：大氣中的粒子對(duì)于紅外光等波長(zhǎng)光主要表現(xiàn)出米氏散射特性。信號(hào)光在大氣信道中傳輸時(shí)與這些尺寸和波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)奈⒘０l(fā)生碰撞，表現(xiàn)出較強(qiáng)的米散射特性。對(duì)于非視距光散射通信系統(tǒng)來說，米氏散射是實(shí)現(xiàn)非視距散射通信的工作原理，信號(hào)光子與微粒間的散射作用強(qiáng)弱取決于米氏散射相函數(shù)和散射系數(shù)，這兩者又取決于微粒的尺度分布、粒子濃度以及散射媒介對(duì)給定波長(zhǎng)光源的復(fù)折射系數(shù)。

本發(fā)明的基于米氏散射的無線光散射通信裝置包括光發(fā)送設(shè)備和光接收設(shè)備，其中：

光發(fā)送設(shè)備中，第一接口模塊、調(diào)制模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、光源、光學(xué)發(fā)射天線順序連接，第一控制模塊分別接驅(qū)動(dòng)電路、微調(diào)平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端接光源，微調(diào)平臺(tái)的輸出端接光學(xué)發(fā)射天線；

光接收設(shè)備中，接收天線、光闌、光學(xué)濾光、光檢測(cè)器、前置放大、主放大器、均衡器、解調(diào)模塊、第二接口模塊順序連接，第二控制模塊的輸出端分別接微調(diào)平臺(tái)、光闌，微調(diào)平臺(tái)的輸出端接接收天線。

該光散射通信裝置基于大氣粒子的米氏散射建立非視距通信鏈路，利用光與大氣中尺寸較大的氣溶膠粒子發(fā)生的米氏散射實(shí)現(xiàn)非視距光散射通信，在遠(yuǎn)距離的兩點(diǎn)建立起非視距鏈路，實(shí)現(xiàn)快速、高效的散射光通信，具體為：

發(fā)送端的信息通過第一接口模塊送入調(diào)制模塊，進(jìn)行信道調(diào)制和信道編碼，然后送往信號(hào)預(yù)處理模塊，該模塊根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理；多個(gè)大功率激光器組成光源，并由驅(qū)動(dòng)模塊提供高速大電流驅(qū)動(dòng)，之后，由光學(xué)發(fā)射天線對(duì)光束進(jìn)行整形；第一控制模塊根據(jù)鏈路優(yōu)化的結(jié)果控制光發(fā)送端的波長(zhǎng)選擇，并控制微調(diào)平臺(tái)以尋找最優(yōu)鏈路；