CN111967122A - 一种基于离散累积求和的紫外光散射模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光通信技术以及大气环境科学领域，具体涉及一种基于离散累积求和的紫外光散射模拟方法，将大气气溶胶粒子半径下限取0.001μm，上限取20μm，间隔为0.001μm，对所有粒子光散射进行累积求和，基于离散累积求和改进蒙特卡洛方法；包括米散射，离散累积求和方法，多次散射信道模型；所述多次散射信道模型判断散射类型，确定紫外光子发生的散射类型，如发生气溶胶散射，即符合米散射理论，使用离散累积求和方法计算光散射系数；所述离散累积求和得到多分散系气溶胶模型对“日盲”紫外光的散射、吸收和消光因子。结合离散累积求和方法，对蒙特卡洛方法中求解大气散射、吸收和消光系数方法进行改进，提高了仿真方法的精度。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术以及大气环境科学，具体涉及一种基于离散累积求和的紫外光散射模拟方法，本发明还涉及对紫外光通信技术与大气环境科学的集成创新。
背景技术
气溶胶粒子不仅在气候变化、空气污染中起着至关重要的作用，它的物理和化学性质的变化会对光的透过率以及光散射特性产生一定的影响。
波长在200～280nm的紫外光称为“日盲”紫外光，“日盲”紫外光利用气溶胶粒子的散射实现非直视通信，可以弥补激光通信必须对准的不足，适用于复杂环境以及强电磁干扰环境等场景中，在通信、探测以及定位方面越来越受到人们所重视。
“日盲”紫外光的传输媒介为大气环境，无论将紫外光技术应用于通信，探测或是目标定位等领域，紫外光都需要在城市大气中传输，受到大气气溶胶粒子的影响。
大气参数的计算以及参数计算方法的改进是紫外光技术发展的重要前提。然而，目前对于紫外光的研究大多是以单分散为基础，没有考虑到实际气溶胶的多分散体系以及实际大气的非干燥环境。而实际大气中气溶胶环境的改变通过对紫外光的吸收和散射作用，会对“日盲”紫外光信息传输产生较大影响。
发明内容
本发明针对单分散为基础没有考虑到实际气溶胶的多分散体系，而实际大气的气溶胶环境以及相对湿度的改变通过对紫外光的吸收和散射作用会在“日盲”紫外光波段内对信息传输产生较大影响。目前研究主要基于单分散系气溶胶模型研究紫外光通信信道问题，不符合真实大气环境。对多分散的研究方法转化为离散累积求和方法，实现了紫外散射模拟的大气参数计算方法的改进。因此，需要结合混合气溶胶模型，利用Mie理论，通过离散累计求和公式，对“日盲”紫外光进行更加符合大气情况的模拟。
本发明的上述目的可以通过下列技术方案来实现；
一种基于离散累积求和的紫外光散射模拟方法包括以下步骤；
大气气溶胶多分散体系，考虑外混合气溶胶模型，并考虑到气溶胶粒子的粒径分布，设置粒子半径下限为0.001um，上限20um，计算间隔为0.001um，使用离散累积方法求和；
本发明所采用的另一技术方案是，基于上述的离散累积求和方法改进蒙特卡洛方法包括以下步骤：
步骤1，初始化紫外光子出射的各类角度信息；并根据发送端和接收端的位置，确定收发端间的距离以及接收端对发送光轴在水平面投影的角度；
步骤2，发射端发射紫外光子，确定偏转角θ、方位角ψ以及随机光子的方向余弦；
步骤3，紫外光子在大气信道传输，与大气分子和气溶胶粒子相互作用，使得接收端接收信号发生不同程度的改变；该步骤主要判断散射类型，如发生气溶胶散射，判断其符合米散射理论，使用离散累积求和方法计算米散射系数；
利用球形气溶胶粒子群的消光系数、散射系数和吸收系数的计算方法。转化为粒子半径下限为0.001um，上限20um，计算间隔为0.001um的离散累积求和；
步骤4，判断光子的生存概率是否太小。如果是，光子丢失，否则光子散射。根据散射相函数确定散射角，转步骤4，对下一个光子进行判断；
步骤5，判断是否所有模拟光子数达到预定值，是则退出循环，统计进入探测器中的光子数和生存概率，否则，产生新的光子，转步骤3。
本发明的有益效果是；1.将多分散系气溶胶引入紫外光散射通信，构建了外混合气溶胶模型，更适用于真实的大气环境；
2.结合离散累积求和方法，对蒙特卡洛方法中求解大气散射、吸收和消光系数方法进行改进，提高了仿真方法的精度。
附图说明
图1为本发明基于外混合气溶胶模型的气溶胶数密度分布在相对湿度为50％、90％和99％的仿真图；
图2为本发明基于离散累积求和改进蒙特卡洛方法的米散射示意图；
图3为本发明使用离散累积求和公式所得到的“日盲”紫外光散射、吸收和消光因子的示意图；
图4为本发明基于“日盲”紫外光的蒙特卡洛多次散射信道模型；
图5为本发明所使用的蒙特卡洛流程框图；
图6为本发明基于改进蒙特卡洛方法得到的三种相对湿度的混合气溶胶的路径损耗。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步描述说明。
本发明针对改进蒙特卡洛采用离散累积求和的紫外光散射模拟方法，多分散系气溶胶引入紫外光散射通信，构建了外混合气溶胶模型，将大气气溶胶粒子半径下限取0.001μm，上限取20μm，间隔为0.001μm，计算该大气模型紫外光光散射的影响，并对所有粒子光散射进行累积求和，结合离散累积求和方法，对蒙特卡洛方法中求解大气散射、吸收和消光系数方法进行改进，提高了仿真方法的精度。
如图1所示，步骤1：本发明基于外混合气溶胶模型，图1为两种不同成分、不同比例的气溶胶形成的外混合气溶胶的数密度分布。实际大气气溶胶是由多种化学物质和成分组成，其组成成分和混合方式是极其复杂的，理论研究中需要将复杂大气进行概括或者抽象。外混合是研究复杂大气的一种常用模型。外混合方式是指城市大气中所有气溶胶粒子只能包含单一成分，所有组成大气的气溶胶粒子独立存在于整个大气环境中。
步骤1.1：1983年国际气象与大气物理协会辐射委员会把气溶胶分为六种：水溶性粒子、沙尘型粒子、海洋型粒子(海浪溅沫形成的，包含30％的海盐、70％的水)、煤烟、火山灰、75％硫酸水溶液液滴。
步骤1.2：将水溶性粒子、沙尘型粒子、海洋型粒子和煤烟气溶胶按照一定体积分数组成，可以表示不同区域的气溶胶组成。城市气溶胶指受到工业生产影响的气溶胶模型，由80％乡村气溶胶(70％水溶性气溶胶和30％烟尘气溶胶)和20％煤烟气溶胶组成。
步骤1.3：大多数气溶胶模型可以用一种或多种对数正态分布表示，如公式1为描述混合气溶胶的常用对数正态分布公式。
步骤2：气溶胶粒子对入射的紫外光产生散射和吸收作用，当散射体的尺寸远小于入射光波长时发生瑞利散射，如大气分子；当散射体的尺寸与紫外光波长相当时，发生米散射，如烟、尘、气溶胶等。根据被散射粒子的尺寸参数(x＝2πr/λ)大小，气溶胶粒子尺寸参数0.1<x<50，可以采用Mie散射进行分析。
如图2所示，步骤2.1：本发明基于Mie散射理论进行光散射分析，米散射原理示意图，图中假设球形气溶胶粒子位于坐标原点O，紫外光沿着Z轴正方向入射，电矢量沿X轴的正向，Q为散射光观察点，散射角为θ，Φ为入射光振动面与散射面之间的夹角；
步骤2.2：根据mie散射理论，雾霾球形粒子振幅函数表达，如公式2：
式(2)中，an、bn是米散射系数，如公式(3)；
式(3)中，m为粒子折射率；x为尺度参数，λ为入射光波长；r为粒子的半径；
步骤2.3：组成外混合气溶胶的任意单个气溶胶粒子对紫外光的散射、吸收和消光因子由公式(4)表示：
步骤2.4：群体气溶胶粒子对紫外光的散射、吸收和消光因子由公式(5)表示：
考虑到气溶胶粒子的粒径分布以及简化操作，本文将公式(5)简化为粒子半径下限为0.001um，上限20um，计算间隔为0.001um的离散和，如公式(6)。
如图3所示，使用离散累积求和得到的不同粒子个数对“日盲”紫外光的散射、吸收和消光因子。
步骤3：将简化后的公式(6)运用到蒙特卡洛方法中，实现蒙特卡洛模拟紫外光非直视通信算法的改进。基于图4中蒙特卡洛流程框图对具体过程进行分析：
如图4所示，步骤3.1：为紫外光发送端Tx经过多次散射到达接收端Rx的通信模型。其中，发射端Tx位于坐标系原点，接收端Rx位于x轴的正半轴上，收发端距离为d。θt、θr分别表示发射端、接收端仰角和发散角半角，φt和φr分别表示发射端和接收端视场角半角。αt为发射端的偏转角，αr为接收端的偏转角。Sn为第n次散射的散射点。r0为Tx到S1的距离，r1为S1到Rx的距离，rn为Sn到Rx的距离。ζsn为与Sn的连线与Cr中心轴的夹角，βsn为光子在Sn点入射方向与光子散射后传播方向的夹角。为了更方便的描述光子的传输方向和传输距离，需要对(x,y,z)坐标系进行变换，如图3所示：以z坐标轴为轴，按照顺时针方向把(x,y,z)坐标系旋转αt角度，接下来以y'轴为轴，把(x,y,z)坐标系继续顺时针方向旋转(π/2)-θt，此时得到新的坐标系(x',y',z')，其中z'轴与Ct的中心轴重合。基于(x',y',z')坐标系的点坐标和基于(x,y,z)坐标系的点坐标按照公式(7)进行变换；
步骤3.2：初始化紫外光子出射的各类角度信息。根据发送端和接收端的位置，确定收发端间的距离以及接收端对发送光轴在水平面投影的角度。发射端发射紫外光子，确定偏转角θ、方位角ψ以及随机光子的方向余弦；
如图4所示，Tx在发射椎体内均匀发射光子，任取单个光子，在(x',y',z')坐标系中，该光子的传输方向与z'坐标轴正向的夹角设为θ，该光子的传输方向在(x',y')平面中的投影与x'坐标轴正向的夹角设为φ，(θ,φ)唯一指定了该光子的传输方向，θ在(0,φt)之间均匀分布，φ在(0,2π)之间均匀分布。
如图5所示，步骤4：紫外光子在大气信道传输，与大气气溶胶粒子相互作用。该步骤主要判断散射类型，确定光子的下一个碰撞点和碰撞方向，并进行光子的权重统计。如遇到气溶胶粒子，判断为米散射，使用离散累积求和公式计算其消光、散射和吸收系数。
步骤4.1由Tx发射的单个光子将在发射椎体内沿着(ux,uy,uz)的方向运动，Tx到散射点S1的距离r0是服从参数为1/ke的指数概率密度函数的随机抽样，r0可以求得为；
r0＝-(lnξ(t))/ke (8)
公式(8)中：ke表示消光系数，若符合米散射，使用离散累积求和公式(公式6)得到的消光系数。
如图5所示，步骤5：判断光子的生存概率是否太小。如果是，光子丢失，否则光子散射。根据散射相函数确定散射角，转步骤4，对下一个光子进行判断。判断是否所有模拟光子数达到预定值，是则退出循环，统计进入探测器中的光子数和生存概率，否则，产生新的光子，转步骤3。
步骤5.1：n次散射后，接收端的紫外光子总到达概率表示为公式；
假设第m个光子n次散射后，到达紫外接收端，其可以被接收的概率为(Pn)m，单个紫外光子可以被接收的概率可以表示为公式(10)：
步骤5.2：发射端发射的M个紫外光子经过n次散射后的路径损耗可表示为式(11)：
如图6所示，使用改进蒙特卡洛方法得到的大气相对湿度为50％、相对湿度为90％和99％的路径损耗；
采用本发明将多分散系气溶胶引入紫外光散射通信，构建了外混合气溶胶模型，结合离散累积求和方法，对蒙特卡洛方法中求解大气散射、吸收和消光系数方法进行改进，提高了仿真方法的精度。
以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (5)
1.一种基于离散累积求和的紫外光散射模拟方法，其特征在于，所述方法包括；
引入多分散气溶胶体系，所述引入分散体系将多分散气溶胶引入紫外光散射通信，适用于真实的大气环境；
气溶胶散射，所述气溶胶散射根据被散射粒子的尺寸参数(x＝2πr/λ)大小，气溶胶粒子尺寸参数0.1<x<50，可以采用Mie散射进行分析；离散累积求和，所述离散求和对蒙特卡洛方法中求解大气散射、吸收和消光系数方法进行改进；
改进蒙特卡洛；所述改进蒙特卡洛方法得到的大气相对湿度为50％、相对湿度为90％和99％的路径损耗。
2.根据权利要求1提出的离散累积求和的紫外光散射模拟方法，其特征在于，所述引入多分散将离散累积求和公式运用于蒙特卡洛方法对气溶胶粒子的光散射的计算；
气溶胶粒子对入射的紫外光产生散射和吸收作用，散射体的尺寸远小于入射光波长时发生瑞利散射，散射体的尺寸与紫外光波长相当时，发生米散射。根据被散射粒子的尺寸参数(x＝2πr/λ)大小，气溶胶粒子尺寸参数0.1<x<50，采用Mie散射进行分析。
3.根据权利要求1提出的离散累积求和的紫外光散射模拟方法，其特征在于，所述离散累积求和判断散射类型，如遇到气溶胶粒子，判断发生米散射，离散累积求和公式计算其消光散射和吸收系数。
4.根据权利要求1提出的离散累积求和的紫外光散射模拟方法，其特征在于，所述的符合气溶胶散射符合米散射，利用球形气溶胶粒子群的消光系数、散射系数和吸收系数的计算方法，转化为粒子半径下限为0.001um，上限20um，计算间隔为0.001um的离散累积求和。
5.根据权利要求1提出的离散累积求和的紫外光散射模拟方法，其特征在于，所述改进蒙特卡洛得到的大气相对湿度为50％、相对湿度为90％和99％的路径损耗，发射端发射的紫外光子经过大气空间气溶胶粒子的散射，使得接收端接收信号发生不同程度的改变。
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| CN113078957A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-07-06 | 河海大学 | 一种基于空间坐标变换技术的uwoc系统信道特征mcns方法 |
| CN114204985A (zh) * | 2021-11-12 | 2022-03-18 | 西安理工大学 | 无线紫外光非直视通信中光子检测概率快速估算方法 |
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