任意光源下非视距紫外光通信散射信道快速计算方法技术

本发明专利技术公开了任意光源下非视距紫外光通信散射信道快速计算方法。包括以下步骤：步骤1，根据光源光强分布对光子第0次散射过程的发射方向进行建模，步骤2，根据散射相位分布对光子1至N

【技术实现步骤摘要】
通过方向角(θ,φ)描述；
[0011]步骤2.2，光子发射方向集合为半径为1的半球面将以等天顶角θ0划分为K0个球带其中第一个球带为球冠，球带对应θ0，如以下公式(2)：
[0012][0013]除球冠区域以外，将剩余球带中，第k∈{2,3,...,K0}个球带等方位角φ
k
划分为个区域个区域和球带径向截面的圆周长度C
k
成正比，通过如下迭代公式(3)得到：
[0014][0015]步骤2.3，对划分区域进行采样，第一个球带为球冠以发射光束轴线μ
T
＝{μ
T,x
,μ
T,y
,μ
T,z
}为球冠区域的采样光子发射方向，以的中心轴线为第k个球带中第个区域的采样光子发射方向，则采样的光子发射方向如以下公式(4)、(5)：
[0016][0017][0018]步骤2.4，将球坐标系下采样的光子发射方向转换为全局笛卡尔坐标系下的光子发射方向其中，如以下公式(6)
‑
(8)：
[0019][0020][0021][0022]步骤2.5，确定发射的光子随机传输路径，设为第0次散射传输路径起点与T
x
的距离，为终点与T
x
的距离，发射的随机传输路径起点为T
x
，终点为无穷远处，则，终点为无穷远处，则
[0023]步骤2.6，对光子随机传输路径进行采样，取传输路径上M0个发生概率相等的点为采样点，这M0个采样点为等效散射点，其位置矢量为以采样点的概率代表其邻域的光子概率，利用光子被吸收/散射前传输距离的概率密度函数，如以下公式(9)：
[0024]f(d)＝k
e
exp{
‑
k
e
d}
……
(9)，
[0025]求解等效散射点在全局坐标系下的向量坐标其中，k
e
为大气消光系数，设第m0∈{1,2,...,M0}个等效散射点与T
x
的距离为则第m0个等效散射点的光子散射概率可用传输路径起/终点的光子散射概率表示，如以下公式(10)：
[0026][0027]计算等效散射点与T
x
的距离，如以下公式(11)：
[0028][0029]当当如以下公式(12)所示：
[0030][0031]通过T
X
表示，如以下公式(13)：
[0032][0033]步骤3，根据散射相位分布对光子1至N
‑
1次散射的散射方向进行建模，以典型传输方向替代光子无限可能传输方向，以等效散射点替代光子随机传输路径：
[0034]步骤3.1，在1至N
‑
1次光子散射中，光子每次散射的传输方向按散射概率密度函数f
P
(θ,φ)分布，采用方向角(θ,φ)描述光子传输方向光子散射的传输方向(θ,φ),θ∈[0,2π],φ∈[0,2π]，光子第n次散射的传输方向集合为半径为1的球面
[0035]步骤3.2，借鉴第0次散射光子传输方向采样方法，同理将等天顶角θ
n
划分为K
n
个球带第一个球带为球冠，除球冠区域以外，将剩余球带中的第k∈{2,3,...,E
n
}个球带等方位角划分为个区域对划分区域进行采样，以散射前光子传输方向为球冠区域的采样光子发射方向，以的中心轴线为第k
n
个球带中第个区域的采样光子发射方向，则采样的光子发射方向角为如以下公式(14)
‑
(15)所示：
[0036][0037][0038]步骤3.3，将球坐标系下采样的光子第n次散射方向转换为紫外光通信系统坐标系下的光子散射方向如以下公式(16)
‑
(18)：
[0039][0040][0041][0042]步骤3.4，确定第n次散射后的光子随机传输路径，设d
n
为第n次散射传输路径端点与光子散射点q
n
的距离,其中，为起点距离，为终点距离,散射后的随机传输路径起点为q
n
，传输路径终点为无穷远处，则，传输路径终点为无穷远处，则
[0043]步骤3.5，参考第0次散射后的光子随机传输路径采样方法，同理取M
n
个发生概率相等的散射点为第n次散射后光子随机传输路径的采样点,利用等效散射点与光子随机传输路径起点和终点的光子散射概率密度关系，计算第n次散射后，第m
n
∈{1,2,...,M
n
}个等效散射点与光子散射点q
n
的距离如以下公式(19)：
[0044][0045]计算等效散射点在全局坐标系下的位置矢量如以下公式(20)：
[0046][0047]步骤4，根据第N次散射前光子传输方向与接收视场(Field of View,FOV)圆锥面的交点，选择第N次散射中能被接收的光子随机传输路径：
[0048]步骤4.1，第N次散射中，接收光子散射前的传输方向需与FOV圆锥面存在交点p
i
，为减少冗余计算，光子的第N
‑
1次散射中仅考虑能被接收的光子随机传输路径，取p
i
为接收光子的随机传输路径端点，i＝1,2，其中，p1为起点，p2交点为终点，s
i
为第N次散射前光子随机传输路径端点与上一阶散射点q
N
‑1的距离，i＝1,2，其中s1为起点距离，s2为终点距离，设定上一阶散射点q
N
‑1的位置矢量为若仅考虑光子单阶散射，则将T
X
作为上一阶散射点；
[0049]步骤4.2，p
i
为光子在FOV的起始点和逸出点，根据起始点和逸出点矢量位置得到关于s
i
的一元二次方程如以下公式(21)：
[0050][0051]运用求根公式求解方程，根据q
N
‑1是否在FOV内部决定方程解的几何意义，当q
N
‑1在接收视场FOV内部，取起点为上一阶散射点q
N
‑1，取终点为交点p2，s1＝0，s2＝min(s
i
)，当不存在正实数解s
i
，取终点为无穷远处，s2＝∞；当q
N
‑1在接收视场FOV外部，当存在两正实数解，取起点为交点p1，终点为交点p2，当仅存一正实数解，取起点为交点p1，终点为无穷远处，s1＝s
i
，s2＝∞；
[0052]步骤5，根据光子采样方向的光强分布赋予其相应的权重，加权计算所有等效散射点的接收概率，得到任意阶次散射接收光强；
[0053]步骤5.1，第0次散射中，采样光子发射概率代表光子通过其邻域的发射概率，则采样光子发射概率，如以下公式(22)：
[0054][0055]步骤5.2，1至N...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.任意光源下非视距紫外光通信散射信道快速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，设定紫外光通信系统包含一个位于坐标(0，r，0)的发射端T
X
和一个位于坐标原点的接收端R
X
，将接收端R
X
的视场(Field of View，FOV)视为一个圆锥，设定通信距离为r，T
X
光束轴线指向方向向量为μ
T
，R
X
视场轴线指向方向向量μ
R
，R
X
的FOV发散角为β
R
；非视距紫外光通信通常分为发射、散射和接收三个过程，将发射过程归为光子阶散射中的第0次散射，展开描述光子N阶散射和光子接收计算的过程，在光子N阶散射过程中，确定光子散射方向和光子散射后的随机传输路径并以此将光子阶散射分为第0次散射、1至N
‑
1次散射和第N次散射；步骤2，根据光源光强分布对光子第0次散射过程的发射方向进行建模，在无限个可能的光子发射方向中仅对有限发射方向进行采样，在光子发射后的随机传输路径上仅对有限传输点进行采样，建模对象为光子的发射、传输、散射以及接收过程；步骤3，根据散射相位分布对光子1至N
‑
1次散射的散射方向进行建模，以典型传输方向替代光子无限可能传输方向，以等效散射点替代光子随机传输路径；步骤4，根据第N次散射前光子传输方向与接收视场(Field of View，FOV)圆锥面的交点，选择第N次散射中能被接收的光子随机传输路径；步骤5，根据光子采样方向的光强分布赋予其相应的权重，加权计算所有等效散射点的接收概率，得到任意阶次散射接收光强。2.根据权利要求1所述的任意光源下非视距紫外光通信散射信道快速计算方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：步骤2.1，发射光源以朗伯光源为例，则其光强分布满足以下公式(1)：其中，m为朗伯辐射参数，发射光源位于以T
X
为球心的球坐标系下，光子发射方向μ0通过方向角(θ，φ)描述；步骤2.2，光子发射方向集合为半径为1的半球面将以等天顶角θ0划分为K0个球带(其中第一个球带为球冠)，球带对应θ0如以下公式(2)：除球冠区域以外，将剩余球带中，第k∈{2，3，...，K
D
}个球带等方位角φ
k
划分为个区域区域和球带径向截面的圆周长度C
k
成正比，通过如下迭代公式(3)得到：步骤2.3，对划分区域进行采样，第一个球带为球冠以发射光束轴线μ
T
＝{μ
T，x
，μ
T，y
，μ
T，z
}为球冠区域的采样光子发射方向，以的中心轴线为第k个球带中第个区域的采样光子发射方向，则采样的光子发射方向如以下公式(4)、(5)：
步骤2.4，将球坐标系下采样的光子发射方向转换为全局笛卡尔坐标系下的光子发射方向其中如以下公式(6)
‑
(8)：(8)：(8)：步骤2.5，确定发射的光子随机传输路径，设为第0次散射传输路径起点与T
x
的距离，为终点与T
x
的距离，发射的随机传输路径起点为T
x
，终点为无穷远处，则步骤2.6，对光子随机传输路径进行采样，取传输路径上M0个发生概率相等的点为采样点，这M0个采样点为等效散射点，其位置矢量为以采样点的概率代表其邻域的光子概率，利用光子被吸收/散射前传输距离的概率密度函数如以下公式(9)：f(d)＝k
e exp{
‑
k
e
d}
……
(9)，求解等效散射点在全局坐标系下的向量坐标其中k
e
为大气消光系数，设第m0∈{1，2，...，M0}个等效散射点与T
x
的距离为则第m0个等效散射点的光子散射概率用传输路径起/终点的光子散射概率表示如以下公式(10)：计算等效散射点与T
x
的距离如以下公式(11)：的距离如以下公式(11)：如以下公式(12)所示：如以下公式(12)所示：通过T
X
表示如以下公式(13)：3.根据权利要求1所述的任意光源下非视距紫外光通信散射信道快速计算方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：步骤3.1，在1至N
‑
1次光子散射中，光子每次散射的传输方向按散射概率密度函数f
P
(θ，φ)分布，采用方向角(θ，φ)描述光子传输方向光子散射的传输方向(θ，φ)，θ∈[0，2π]，φ∈[0，2π]，光子第n次散射的传输方向集合为半径为1的球面步骤3.2，借鉴第0次散射光子传输方向采样方法，同理将等天顶角θ
n
划分为K
n...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁仁智，褚馨怡，彭木根，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：