直升機助降湍流信道中紫外光通信性能分析

趙太飛， 劉　園， 王　玉， 金　丹

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048)

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直升機助降湍流信道中紫外光通信性能分析

趙太飛， 劉園， 王玉， 金丹

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048)

無線紫外光通信具有全天候、非直視、高可靠性的特點，可以實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的通信。利用直升機助降過程中的無線紫外光通信鏈路模型，研究了直升機助降場景中可能存在的水平通信、垂直通信和斜程通信，分析了大氣湍流對無線紫外光通信信號強度概率密度函數(shù)方差的影響。計算機仿真結(jié)果表明：湍流強度對紫外光通信性能影響很大，隨著通信距離、垂直高度差和收發(fā)仰角的增大，信號強度概率密度方差和能量衰減逐漸增大。

紫外光通信； 直升機助降； 大氣湍流

近年來，隨著直升機應(yīng)用范圍的不斷擴大，如何解決其降落過程中突發(fā)狀況導(dǎo)致的安全著陸問題變得尤為重要，因此直升機應(yīng)急起降輔助技術(shù)成為新的研究熱點[1]。紫外光引導(dǎo)直升機助降技術(shù)可以實現(xiàn)全天候、復(fù)雜環(huán)境、可靠性高的直升機起降，該技術(shù)是利用紫外光散射特性進行復(fù)雜環(huán)境下全天候通信的一種直升機應(yīng)急安全保障手段，其非直視的工作特點能夠更好的適應(yīng)復(fù)雜的地理環(huán)境，因此，無線紫外光通信輔助起降技術(shù)在實際中得到了更廣泛的應(yīng)用。

大氣湍流是影響紫外光通信效果的重要天氣因素，文獻[2]中提出一種全天候的無線紫外光輔助起降通信系統(tǒng)，以解決直升機起降過程中的飛機引導(dǎo)、信息獲取、通信建立等重要問題。文獻[3]給出了各種衰減的評估，給出了不同種類大氣狀況和系統(tǒng)參數(shù)的理論計算結(jié)果，認為湍流相對較強時，閃爍衰減隨著距離的增加而增加。文獻[4]在分析散射功率和隨機湍流介質(zhì)特性關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了單次散射傳播模型，分析了不同折射率結(jié)構(gòu)和收發(fā)范圍情況下非直視紫外光通信接收功率的依賴性。上述文章研究了無線紫外光輔助起降系統(tǒng)湍流情況下，閃爍衰減與距離的關(guān)系以及隨機湍流介質(zhì)下的單次散射模型，但都未對大氣湍流對直升機助降的影響做出分析研究。因此，本文對直升機助降場景下的水平通信、垂直通信以及斜程通信方式中的紫外光通信性能進行研究，分析這三種通信方式下，大氣湍流以及通信距離等因素對紫外光通信性能的影響。

1　直升機助降中的紫外光通信原理

1.1直升機助降中紫外光單次散射鏈路

在直升機助降系統(tǒng)使用過程中，發(fā)送端將其攜帶的傳感器所測風力、風向及降落環(huán)境等地面信息發(fā)送給直升機，飛行員根據(jù)地面實際降落條件，操作直升機安全降落。將紫外光用于直升機助降時，由于收發(fā)端存在一定的高度差，故需要考慮大氣湍流對通信性能的影響，本文主要研究不同通信場景下大氣湍流對紫外光通信性能的影響。

圖1　直升機助降下紫外光斜程通信幾何鏈路Fig.1　UV slant path communication model in helicopter assisted landing

(1)

(2)

(3)

1.2大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)垂直分布

圖2　大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)垂直分布Fig.2　Index of refraction structure parameter vertical distribution

大氣湍流會引起接收信號的強度產(chǎn)生隨機起伏，而信號強度的隨機起伏會降低通信系統(tǒng)的可靠性，嚴重時甚至會引發(fā)通信中斷。因此，為了有效減小湍流效應(yīng)，改善系統(tǒng)性能，必須減弱信號強度起伏。

2　紫外光通信下的大氣湍流模型

大氣湍流對無線紫外光通信性能的影響非常大，大氣湍流理論中信號強度分布模型均是建立在點對點直視鏈路基礎(chǔ)上，對于紫外光非直視通信不能直接計算收發(fā)兩端的信號強度分布，對此，可以將非直視通信過程看成兩段直視鏈路通信，利用兩個直視鏈路通信接續(xù)過程來計算接收端的信號強度分布。

紫外光單次散射通信模型如圖3所示。其中發(fā)送端與接收端位于同一水平面上，φ1為發(fā)送端發(fā)散角，φ2為接收端視場角，δV為有效散射體的微分元。

圖3　紫外光單次散射通信模型Fig.3　Ultraviolet single scattering link model

(5)

式中，Ar是有效接收孔徑面積，Ks是散射系數(shù)，Ps是散射相函數(shù)，Ke是大氣消光系數(shù)。

弱湍流情況下，紫外光的信號強度分布服從對數(shù)正態(tài)分布模型，其概率密度函數(shù)為[9]：

(6)

(7)

(8)

歸一化信號強度分布概率密度函數(shù)可以采用對數(shù)正態(tài)分布模型計算，即[10]：

(9)

式中，〈I〉表示光強起伏均值，I/〈I〉表示歸一化的信號強度。

從發(fā)送端到達有效散射體積(即路徑1)的信號強度概率密度函數(shù)為:

(10)

從有效散射體到接收端(即路徑2)的信號強度的條件概率密度函數(shù)為[10]：

(11)

則接收端信號強度的邊緣分布概率密度函數(shù)為[8]：

f(ir2)=∫f(ir2|ir1)·f(ir1)d(ir1)

(12)

3　不同場景下通信的仿真性能分析

3.1水平通信和垂直通信

當大氣湍流強度從10-16m-2/3增大到10-13m-2/3，收發(fā)端仰角θ1=θ2=60°時，紫外光通信中信號強度分布的概率密度函數(shù)如圖4所示。圖4(a)、圖4(b)是水平通信下，r=200m時，不同大氣湍流強度下的紫外光直視(line-of-sight，LOS)、非直視(non-line-of-sight，NLOS)通信；圖4(c)、圖4(d)是垂直通信下，h=100m時，不同大氣湍流強度下的紫外光LOS、NLOS通信。

圖4　不同大氣湍流強度對紫外光通信的影響Fig.4　UV communication for varying turbulence intensities

圖5　r′對紫外光通信的影響Fig.5　UV communication for varying r′

由圖5(a)、(b)可知，水平通信下，當r為100m和200m時，信號強度概率密度函數(shù)方差較小，且信號能量衰減較小；r為500m和1000m時，信號強度概率密度函數(shù)方差較大；當r為1000m時，信號能量衰減很嚴重，即隨著r的增大，信號能量衰減也逐漸增大。由圖5(c)、(d)可知，垂直通信下，當湍流強度一定，相較h為100m和150m，h為30m和50m時，信號強度概率密度函數(shù)方差更小，能量衰減小，即隨著h的增大，信號強度概率密度函數(shù)方差也逐漸變大，能量衰減增加。總體看來，r′的不斷增大，使信號強度概率密度函數(shù)方差隨之變大，信號能量衰減不斷增加，從而使通信質(zhì)量下降。兩種通信方式下，LOS通信均比NLOS通信信號強度概率密度函數(shù)方差更小，信號能量衰減更小。

圖6　不同角度對紫外光通信的影響Fig.6　UV communication for varying angles

3.2斜程通信

圖7　r對紫外光通信的影響Fig.7　UV communication for varying r

由圖7可知，LOS通信中，r為100m和150m時的信號強度概率密度函數(shù)方差較r為200m和300m時??；r從100m增大到300m過程中，信號能量衰減近一半，即隨著r增大，信號強度概率密度函數(shù)分布越分散，方差越大，說明信號能量衰減也逐漸增大；r相同時，相比于LOS通信，采用NLOS通信時信號強度概率密度函數(shù)分布較為分散，能量衰減更為嚴重，更不利于通信。

圖8　h對紫外光通信的影響Fig.8　UV communication for varying h

從圖8中可以看出，隨著收發(fā)端h的增大，信號強度概率密度函數(shù)方差逐漸增大，信號能量衰減逐漸增大，且NLOS通信相較于LOS通信信號能量衰減得更嚴重。主要原因是隨著h的增大，湍流強度雖然大大減弱，但是h對信號強度的影響大于湍流強度對其的影響。

總體看來，斜程通信中湍流強度、垂直高度差h以及收發(fā)仰角均確定時，隨著r的增大，信號強度概率密度函數(shù)分布越分散，即方差越大，說明能量衰減越大，進而導(dǎo)致通信質(zhì)量下降；當水平距離r、收發(fā)仰角以及湍流強度確定時，信號能量衰減隨著h的增大而增大，且h對通信的影響強于湍流。

4　實驗數(shù)據(jù)比較

實驗于2015年11月在西安理工大學操場進行，天氣晴朗，實測風速為20m/s。在垂直通信、水平通信以及斜程通信三種情況下，利用六旋翼飛行器對紫外光接收功率與r′之間的關(guān)系進行測量，測量結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以看出，隨著距離r′的增大，三種通信條件下，紫外光接收光功率整體均呈現(xiàn)減弱的趨勢，即信號能量衰減不斷增大；在r′小于20m時，接收光功率變化起伏，在r′大于20m時，接收光功率趨于線性減??；且r′對水平通信的影響最大，對斜程通信的影響次之，對垂直通信的影響最小。

5　結(jié)　語

本文利用無線紫外光散射通信的原理，分析了直升機助降下的通信鏈路和基于高度差的紫外光通信模型，討論了直升機助降下可能存在的水平通信、垂直通信和斜程通信等方式，研究了紫外光通信在大氣湍流信道下的信號強度分布概率密度函數(shù)，以及收發(fā)端距離對不同場景下紫外光通信信號強度分布的影響。最后實測了三種通信場景下，收發(fā)端距離對紫外光接收光功率的影響，結(jié)果表明，接收光功率隨著收發(fā)端距離的增大呈減小的趨勢，且通信質(zhì)量隨之下降。

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(責任編輯周蓓)

Performance analysis of ultraviolet communication in helicopter assisted landing

ZHAO Taifei, LIU Yuan, WANG Yu, JIN Dan

(School of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Ultraviolet (UV) communication has the characteristics of all-weather, non-line-of sight and high reliability, which can satisfy communication in complex environments. In this paper, using the helicopter assisted landing by wireless UV communication model, the research is conducted on the turbulence channel performance of different communication scenarios, including horizontal transmission, vertical transmission and slant path transmission. Finally, the variance of the probability density function of the received irradiance fluctuation with turbulence is analyzed. The computer simulation results show that turbulence has a great influence on the performance of UV communication. UV signal can hardly be received with strong turbulence. The variance of probability density function and energy attenuation increases, while the range, height difference, or transceiver elevation angle increases.

ultraviolet communication; helicopter assisted landing; atmospheric turbulence

1006-4710(2016)02-0163-06

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.02.006

2015-10-20

國家自然科學基金委員會-中國民航局民航聯(lián)合研究基金資助項目(U1433110)；陜西省科技計劃工業(yè)公關(guān)資助項目(2014K05-18)；陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育資助項目(2013JC09)；陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃資助資助項目(2013JC2-15)；西安市科學計劃資助項目(CXY1435(4))；西安市碑林區(qū)科技計劃資助項目(GX1302)

趙太飛，男，副教授，博士，研究方向為紫外光通信和物聯(lián)網(wǎng)。E-mail：zhaotaifei@163.com

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