基于單LED的無線紫外光通信系統設計與實現

摘要：介紹了紫外光通信特點和信道模型，以LED為光源、光電倍增管為光接收器設計無線紫外光數字通信系統方案，研制了無線紫外光通信設備樣機，在不同條件下進行實驗。實驗結果表明，在夜晚，晴天，近距離，校準條件下的通信效果優于白天，下雨，遠距離，未校準的條件下的通信效果，驗證了無線紫外光通信的可行性。
關鍵詞：紫外光通信；大氣信道；00K；信號檢測

紫外光波長10～400nm，是光譜中波長最短部分，主要由太陽輻射出來，又稱紫外線，紫外光傳輸性能與傳輸范圍內大氣的品質密切相關，如大氣中的O3濃度、散射粒子的濃度、大小、均勻性、幾何尺寸等。研究大氣中分子和粒子的散射時主要考慮Rayleigh散射和Mie散射。與此同時，紫外光的傳播方式以散射為主，雖然傳輸過程中衰減嚴重，但可繞過一定障礙物，這兩點決定了紫外光通信系統可以實現全天候的非視距通信(Non Line Of Sight，NLOS)。隨著國內日盲段紫外LED生產線的投產，紫外光通信的實現將更具可行性。

1 研究背景
紫外光作為通信手段被提出最早在上個世紀初，當時美國軍方提出用于海軍海上通信。國內近兩年在此領域研究的也有一些，其中國防科技大學在2007年研究了一款直升機紫外光通信系統，在這項研究中是國內首次使用日盲段LED點陣作為光源，并在樣機上實現通信；重慶大學光電研究試驗室在2006年也完成了基于紫外光的語音系統設計與實施，該系統在反映靈敏度及抗干擾方面都有著不錯的表現。與此同時，在業界領先的美國加州大學Center for UbiquitousCommunication by Light實驗室，在2007年實現了在使用光功率為0.5mW的10個24單元陣列LED為紫外光光源，00K調制方式下紫外光通信的數據傳輸速率達到了如表1所示，包括視距通信(Line Of Sight，LOS)和非視距通信兩種方式。

2 大氣散射信道
由于紫外光是在大氣中進行無線傳輸，大氣信道的質量直接關系到通信質量，傳輸距離等重要通信指標。當散射粒子的直徑遠小于波長時就發生Rayleigh散射，大氣分子對紫外光的散射就用Rayleigh散射理論來處理，但是只有在晴朗天氣(能見度Rv≥20 km)中Rayleigh散射才是主要的。Rayleigh散射是指散射粒子線度比波長小得多的粒子對光波的散射。其主要特點有：1)散射光強與入射波長的4次方成反比；2)散射光強隨觀察方向而變，在不同的觀察方向上，散射光強不同；3)散射光具有偏振性，其偏振程度決定于散射光與耦極矩方向的夾角。Rayle igh散射規律使用于微粒線度在十分之一個波長以下的極小微粒。
當大氣中粒子的直徑與輻射的紫外線波長相當時發生的散射稱為Mie散射。這種散射主要由大氣中的微粒，如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起。在復雜天氣情況下，大氣中氣溶膠微粒對光波的散射遠大于大氣分子散射，此時需要用Mie散射理論處理。因此，針對復雜環境風沙天氣、海霧、雨天、雪天等，在研究過程中主要考慮Mie散射。Mie散射的輻射強度與波長的二次方成反比，散射在光線向前的方向比向后的方向更強，方向性比較明顯。

3 紫外光通信系統設計
從“數字信號”開始，直到通過LED光源把信號傳輸到大氣信道中，這個模塊稱為發射模塊；另一端從紫外光信號進入濾光片開始，直到信號輸出為接收模塊，無線紫外光通信原理框圖如圖1所示。