CN108365890A - 大气湍流中采用声波阵列提高无线紫外光传输性能的方法 - Google Patents

大气湍流中采用声波阵列提高无线紫外光传输性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大气湍流中采用声波阵列提高无线紫外光传输性能的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，在需要实现通信的区域放置紫外光发射机和接收机，根据实际需要设置发射功率、调节相应的发射仰角、发散角、接收仰角和接收视场角；步骤2，设置阵列结构的相干声源，在无线紫外光通信发射端和接收端的空间重叠区域的下方放置相干声源或者在无线紫外光通信的发射端和接收端同时放置相干声源；步骤3，开启相干声源，相干声源所产生的大气折射指数不均匀体阵列对紫外光散射通信产生影响。本发明通过设置相干声源改变大气中声压，实现控制大气湍流，从而实现对无线紫外光传输信道的主动控制。

Description

大气湍流中采用声波阵列提高无线紫外光传输性能的方法
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，涉及一种大气湍流中采用声波阵列提高无线紫外光传输性能的方法。
背景技术
无线紫外光通信是一种以紫外光为载体，利用大气分子的散射进行信息传递的新型近距离光通信方式，能实现非直视通信，在战场环境的作用日益突出。与无线电磁波通信相比，紫外光通信由于传输距离近不易被截获，保密性强；与有线通信相比，紫外光通信无需搭线、设基站，灵活性大。除此以外紫外光通信还具有抗干扰能力强、全天候非视距等优势，特别在无线静默环境下，是现有通信手段的有效补充。在短距离范围内，可忽略大气湍流对紫外光通信的影响，但是为满足实际需求，又必须提高其通信距离，这就需要一种提高紫外光通信距离的有效手段。现有的手段大部分是通过优化收发端设备、信息处理、中继协作、信道均衡等方式来提高通信距离，没有从人为改善无线紫外光传输信道的角度来实现这一目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种大气湍流中采用声波阵列提高无线紫外光传输性能的方法，通过设置相干声源改变大气中声压，实现控制大气湍流，从而实现对无线紫外光传输信道的主动控制。
本发明所采用的技术方案是，大气湍流中采用声波阵列提高无线紫外光传输性能的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，建立无线紫外光散射通信系统
在需要实现通信的区域放置紫外光发射机和接收机，根据实际需要设置发射功率、调节相应的发射仰角、发散角、接收仰角和接收视场角；
步骤2，建立相干声源结构
设置阵列结构的相干声源，在无线紫外光通信发射端和接收端的空间重叠区域的下方放置相干声源或者在无线紫外光通信的发射端和接收端同时放置相干声源；
步骤3，相干声源结构与无线紫外光通信相匹配
开启相干声源，相干声源所产生的大气折射指数不均匀体阵列对紫外光散射通信产生影响。
本发明的特征还在于，
步骤2的相干声源是由多个子声源形成N×N的方形阵列。
多个子声源等振幅同相位。
步骤2中建立相干声源结构时，当为固定场所时，则在无线紫外光通信发射端和接收端的空间重叠区域的下方放置相干声源或者在无线紫外光通信的发射端和接收端同时放置相干声源；当为移动场所时，则在无线紫外光通信的发射端和接收端同时放置相干声源。
本发明的有益效果是：
1)本发明基于相干声波控制局部大气湍流影响无线紫外光传输信道，提供了一种人为主动控制局部大气湍流的方法。
2)本发明的“正效应”能够增大无线紫外光通信距离，提高接收端功率，解决了因为衰减大无线紫外光通信距离受限的问题，从而进一步促进其实际应用，充分发挥无线紫外光通信自身具有的诸多优势。
3)本发明的“负效应”能干扰敌方通信，恶化其通信质量，在电子对抗中，使我方占据有利优势。
附图说明
图1是本发明中紫外光通信系统示意图；
图2是本发明中紫外光散射通信模型示意图；
图3是本发明中点阵列声源结构图；
图4是点源阵列声波激励系统结构示意图；
图5是本发明中固定场景下声源激励紫外光通信方案示意图；
图6是本发明中适用于移动和固定两种场景下的声源激励紫外光通信方案示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明大气湍流中采用声波阵列提高无线紫外光传输性能的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，建立无线紫外光散射通信系统
在需要实现通信的区域放置紫外光发射机和接收机，根据实际需要设置发射功率、调节相应的发射仰角、发散角、接收仰角和接收视场角；
步骤2，建立相干声源结构
设置阵列结构的相干声源，相干声源是由多个等振幅同相位的子声源形成N×N的方形阵列，在无线紫外光通信发射端和接收端的空间重叠区域的下方放置相干声源或者在无线紫外光通信的发射端和接收端同时放置相干声源；设置在相干声源的目的是无线紫外光信道的指定区域及方向上产生稳定、持久具有规律性、周期性和可控性的特定空间分布结构的大气折射指数人工不均匀体，对随机的大气湍流运动进行主动控制；
步骤3，相干声源结构与无线紫外光通信相匹配
开启相干声源，相干声源所产生的大气折射指数不均匀体阵列对紫外光散射通信产生影响。
步骤2中建立相干声源结构时，当为固定场所时，则在无线紫外光通信发射端和接收端的空间重叠区域的下方放置相干声源或者在无线紫外光通信的发射端和接收端同时放置相干声源；当为移动场所时，则在无线紫外光通信的发射端和接收端同时放置相干声源，如在无人机或车辆上同时安装无线紫外光通信设备和相干声源，可实现移动通信。
对于无线紫外光通信，大气湍流的强弱对紫外光传输最明显的影响是大气折射率的变化。关于大气声学的研究可知，通过设置相干声源会导致大气中声压改变，而声压的改变可以导致大气中的密度、温度以及运动速度等参数的改变，而这一系列的参数变化将会直接导致大气折射率的起伏，即可以利用相干声源实现控制大气湍流，实现对无线紫外光传输信道的主动控制。
本发明选用的发射机和接收机具有低功耗、低窃听率、便携、可全方位通信等特点，能实现点对点的直视通信与非直视通信，多个设备之间能够形成组网，实现覆盖范围内的安全、隐秘通信。
由于声波的干涉现象能产生更强烈的声场，为了得到足以影响大气环境的声场，设计了点阵列声源结构，这样的组合结构能实现指向性更好的声场；点阵列声源是由多个等振幅同相位子声源形成N×N的方形阵列，子声源之间距离越大，形成的主瓣越尖锐，旁瓣数也越多，随着声源数目的增多，旁瓣数会越小；声波频率越小引起的大气折射指数的起伏程度越大；声源功率越大引起的大气折射指数起伏也越大；折射指数起伏随方位角以90°为周期，做规律性变化。因此要根据实际需求设置各子声源之间的距离、波长、功率等参数。精确设置声源结构和声波的频率、幅度、相位等参数，实现人为主动控制无线紫外光信道，有效利用环境媒质的正面效应和负面效应。
本发明中相干声源所引起的大气折射指数不均匀体阵列对紫外光散射通信产生影响的机理，即就是声波扰动大气折射率指数的机理是，大气中某点的大气压强可表示为p＝ΔP＝P-P0，其中，P0是无声波作用时空间某点处的大气压强，P大气压强，声波与大气压强的分布表达式为下式：
其中G为大气衰减因子，W为波源功率，r0为波源半径，ρ0为大气密度，w为角频率，k为波数。C0为温度常数。通过上式说明通过设置相干声源便可以在大气中产生声压改变，而声压的改变可以导致大气中的密度、温度以及运动速度等参数的改变，而这一系列的参数变数有将会直接导致大气折射率的起伏。
对流层大气通常可以视为由干空气以及水汽二者组成，并且前者的分子是无极分子，而后者则是有极分子。于是，根据大气的状态方程就能够得到两种类型的分子极化率k同大气温度T以及大气压强P之间的关系。式中P表示大气压强，而e则表示水汽压强，T表示大气温度，A和B两个参数均是根据相关实验所求的的数据。(A＝155.2×106，B＝746.512×10-3)
通常，人们使用大气折射指数代替大气折射率：N＝(n-1)×106，则可以得到下式：
该公式适用于所有电磁波频段，并且计算误差不超过0.5％。并且通过求微分可知：
所以大气折射指数的起伏ΔN的瞬时值ΔNCI以及有效值ΔNCE可以表示为:
实际工程应用中，对流层大气折射指数起伏的有效值ΔNCE能够更加准确的评估相干声波扰动所致大气折射指数改变对紫外光散射通信的影响。
由于无线紫外光通信质量的好坏很大程度上依赖于大气信道，利用相干声波干扰，能实现人为主动控制大气信道，有目的影响无线紫外光通信。对于我方通信，调整声源结构参数，使信道有利于我方通信，提高通信距离，即“正效应”；对于敌方通信，调整声源，使其通信条件恶化，阻碍其通信即“负效应”。
实施例：
步骤1，首先要建立无线紫外光散射通信系统，如图1所示，构建无线紫外光散射通信模型，如图2所示，在需要实现通信的区域放置紫外光发射机和接收机，根据实际需要设置发射功率、调节相应的发射仰角、发散角、接收仰角和接收视场角；
步骤2，无线紫外光散射通信系统搭建完毕后，需要根据不同的通信场景架设声波控制系统，在无线紫外光信道的指定区域及方向上产生稳定、持久具有规律性、周期性和可控性的特定空间分布结构的大气折射指数人工不均匀体，对随机的大气湍流运动进行主动控制，建立相应的相干声源结构。
本专利设计选取了点阵列声源结构，这样的声源结构能够很好的实现指向性能更好的声场，点阵列声源结构图如图3所示。
点阵列声源是由多个等振幅同相位子声源形成8×8的方形阵列子声源之间距离越大，形成的主瓣越尖锐，旁瓣数也越多，随着声源数目的增多，旁瓣数会越小；声波频率越小引起的大气折射指数的起伏程度越大；声源功率越大引起的大气折射指数起伏也越大；折射指数起伏随方位角以90°为周期，做规律性变化。因此要根据实际需求设置各子声源之间的距离、波长、功率等参数，点源阵列声波激励系统结构示意图如图4所示。
声源激励下的无线紫外光通信可以分为两种方案，方案一适用于固定场景，紫外光通信链路中的发射接受系统均设置相应的收发仰角，所以接收天线只能收到的非直视的散射或者反射信号，将激励声源放置在将发射与接收端之间对空放置，开启声源，精确设置声源结构和声波的频率、幅度、相位等参数，实现人为主动控制优化无线紫外光信道，示意图如图5所示。
方案二是在发射与接收端同时放置相干声源，相干声波的传播距离远远大于紫外光的通信距离，足已影响整个紫外光信道，此方法可应用于固定和移动场景，如在无人机或车辆上同时安装无线紫外光通信设备和相干声源，可实现移动通信，示意图如图6所示。

Claims (4)

1.大气湍流中采用声波阵列提高无线紫外光传输性能的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，建立无线紫外光散射通信系统
在需要实现通信的区域放置紫外光发射机和接收机，根据实际需要设置发射功率、调节相应的发射仰角、发散角、接收仰角和接收视场角；
步骤2，建立相干声源结构
设置阵列结构的相干声源，在无线紫外光通信发射端和接收端的空间重叠区域的下方放置相干声源或者在无线紫外光通信的发射端和接收端同时放置相干声源；
步骤3，相干声源结构与无线紫外光通信相匹配
开启相干声源，相干声源所产生的大气折射指数不均匀体阵列对紫外光散射通信产生影响。
2.根据权利要求1所述的大气湍流中采用声波阵列提高无线紫外光传输性能的方法，其特征在于，步骤2所述的相干声源是由多个子声源形成N×N的方形阵列。
3.根据权利要求1所述的大气湍流中采用声波阵列提高无线紫外光传输性能的方法，其特征在于，所述多个子声源等振幅同相位。
4.根据权利要求1所述的大气湍流中采用声波阵列提高无线紫外光传输性能的方法，其特征在于，所述步骤2中建立相干声源结构时，当为固定场所时，则在无线紫外光通信发射端和接收端的空间重叠区域的下方放置相干声源或者在无线紫外光通信的发射端和接收端同时放置相干声源；当为移动场所时，则在无线紫外光通信的发射端和接收端同时放置相干声源。
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