【無線射頻通信】-神秘的紫外光通信技術(shù)

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----神秘的紫外光通信技術(shù)紫外光通信系統(tǒng)是一種新型的通信手段，與常規(guī)的通信系統(tǒng)相比，有許多優(yōu)勢。由于紫外線主要以散射方式傳播，并且傳播路徑有限，采納紫外光通信系統(tǒng)具有肯定的繞過障礙物的力量，特別適用于近距離抗干擾的通信環(huán)境。

紫外光通信具有敏捷、低竊聽、全方位、非視距通信的獨(dú)特優(yōu)勢，主要應(yīng)用于短距離的、保密的通信是常規(guī)通信的一種重要補(bǔ)充。

紫外光通信是以大氣分子和子溶膠粒子的散射和汲取為基礎(chǔ)的。紫外光通信基于兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的物理現(xiàn)象：一是大氣層中的臭氧對波長在200nm到280nm之間的紫外光有劇烈的汲取作用，這個(gè)區(qū)域被叫做日盲區(qū)，到達(dá)地面的日盲區(qū)紫外光輻射在海平面四周幾乎衰減為零；另一現(xiàn)象是地球表面的日盲區(qū)紫外光被大氣劇烈散射。

日盲區(qū)的存在，為工作在該波段的紫外光通信系統(tǒng)供應(yīng)了一個(gè)良好的通信背景。紫外光在大氣中的散射作用使紫外光的能量傳輸方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，這為紫外光通信奠定了通信基礎(chǔ)，但汲取作用帶來的衰減使紫外光的傳輸限定在肯定的距離內(nèi)。因此紫外光通信是基于大氣散射和汲取的無線光通信技術(shù)。

選擇紫外"日盲'波段光波進(jìn)行傳輸信號時(shí)，信號在傳輸過程中很少受到大氣背景噪聲干擾。由于紫外輻射在大氣中由瑞利散射所造成的光能損失是紅外線的1000倍以上，使得工作于紫外波段的系統(tǒng)與紅外系統(tǒng)相比具有很大的不同。它是信息傳輸實(shí)現(xiàn)非視距工作方式的基礎(chǔ)，同時(shí)也克服了其他自由空間信息傳輸系統(tǒng)在視距方式工作時(shí)的弱點(diǎn)。

與常規(guī)通信方式相比，紫外光通信有其特有的優(yōu)勢：

1、高保密的數(shù)據(jù)傳輸性和強(qiáng)抗干擾力量；紫外光通信主要基于大氣對紫外光的散射和汲取作用。紫外光信號在大氣傳輸過程中會呈現(xiàn)指數(shù)倍的衰減，傳輸距離一般不超過10公里，信號難以監(jiān)聽和截獲。另外，紫外光通信系統(tǒng)的輻射功率可依據(jù)通信距離減至最小，無線電設(shè)備很難對其進(jìn)行干擾和精確定位。

2、可用于非直視通訊；紫外光在大氣傳輸過程中會發(fā)生散射現(xiàn)象，散射特性可以使紫外光通信系統(tǒng)能以非視距(NLOS:NoneLineOfSight)的方式通信，適應(yīng)簡單的地形環(huán)境，克服了其他自由空間光通信系統(tǒng)必需采納視距工作方式的缺點(diǎn)。

3、具有很高的信噪比；由于大氣臭氧對200nm～280nm紫外光有劇烈的汲取作用，近地面的背景噪聲相對較小，因而它具有"日盲'特性，采納這一波段紫外光進(jìn)行通信，信噪比較高。

4、不需跟蹤瞄準(zhǔn)(ATP:3AcquisitionTrackingandPointing)。紫外光通信克服了無線通信需要鋪設(shè)電纜的確定，節(jié)約了收放電纜所需時(shí)間，同時(shí)也解決了無線通信易被監(jiān)聽的缺點(diǎn)，削減了通信設(shè)備和線路開設(shè)及拆除所需時(shí)間。

在簡單環(huán)境中，當(dāng)無線通信、有線通信和光纖通信都不能用的時(shí)候，紫外光通信作為一種備用通信手段就會發(fā)揮作用。如下圖為紫外光通信在巷戰(zhàn)中的實(shí)際應(yīng)用。

紫外光通信的基本原理

紫外光通信的基本原理是以日盲區(qū)的光譜為載波，在放射端將信息電信號調(diào)制加載到該紫外光載波上，已調(diào)制的紫外光載波信號利用大氣散射作用進(jìn)行傳播，在接收端通過對紫外光束的捕獲和跟蹤建立起光通信鏈路，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和解調(diào)處理提取出信息信號。

紫外光通信系統(tǒng)一般由放射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成，其中放射系統(tǒng)將信源產(chǎn)生的原始電信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?；接收系統(tǒng)從帶有干擾的接收信號中恢復(fù)出相應(yīng)的原始信號。

放射系統(tǒng)由信源模塊、調(diào)制模塊、驅(qū)動電路和紫外光源等組成，其工作過程如下：調(diào)制模塊采納特定的調(diào)制方式將信源模塊產(chǎn)生的電信號做調(diào)制變換，再通過發(fā)端驅(qū)動電路使紫外光源將調(diào)制信息隨紫外載波發(fā)送出去；接收系統(tǒng)由紫外探測器、預(yù)處理電路、解調(diào)模塊和信宿模塊組成：其工作過程和放射系統(tǒng)剛好相反，紫外探測器捕獲并收集紫外光信號，對其進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，收端預(yù)處理電路對電信號進(jìn)行放大、濾波等，解調(diào)模塊將原始信息恢復(fù)出來送至信宿模塊。

紫外光通信系統(tǒng)有兩種通信方式：視距通信(LineofSight)和非視距通信

與傳統(tǒng)的自由空間光通信一樣，紫外光通信可以以視距方式進(jìn)行通信，遵循"信號強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，與距離的平方成反比'的規(guī)律。

紫外光特有的非視距通信方式：由于大氣分子和懸浮粒子的散射作用，紫外光在傳輸過程中產(chǎn)生的電磁場使大氣中的粒子所帶的電荷產(chǎn)生振蕩，振蕩的電荷產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)電偶極子，輻射出次級球面波。由于電荷的振蕩與原始波同步，所以次級波與原始波具有相同的電磁振蕩頻率，并與原始波有固定的相位關(guān)系，次級球面波的波面分布和振動狀況打算散射光的散射方向。因此，散射在大氣中紫外光信號與光源保持了相同的信息。

紫外光通信技術(shù)的進(jìn)展

早在1960年，海就開頭了關(guān)于紫外光通信的討論，1964年G.L.Harvey做了關(guān)于紫外光通信關(guān)鍵技術(shù)的討論，1967年J.A.Sanderson將其應(yīng)用到實(shí)際的光通信試驗(yàn)中。

1968年，麻省理工學(xué)院S.E.Sunstein的學(xué)術(shù)論文中最早消失了關(guān)于紫外光通信系統(tǒng)的詳細(xì)試驗(yàn)，討論了26公里范圍內(nèi)基于大氣散射效應(yīng)的紫外光通信鏈路模型，試驗(yàn)中采納大功率氙燈作為紫外光源，輻射出的光波為連續(xù)譜，波長最短為280nm，采納光電倍增管作為光電探測器。不久，Reilly討論了波長在200～300nm范圍內(nèi)的紫外光的大氣散射模型。

1976年，普林斯頓高校的E.S.Fishburne等人采納汞弧光燈作為光源，載波調(diào)制速率為40kHz，實(shí)現(xiàn)了紫外光通信系統(tǒng)的非直視通信。

1990年，戰(zhàn)術(shù)討論中心的J.J.Puschell采納汞氙燈作為光源，載波調(diào)制速率高達(dá)400kHz，紫外光源峰值波長為265nm，實(shí)現(xiàn)了一公里范圍內(nèi)的紫外光鏈路通信。

1994年B.Charles等，以及1995年R.D.都實(shí)現(xiàn)了采納紫外激光器作為光源的紫外光通信系統(tǒng)，載波峰值波長266nm，通信速率只有幾百比特每秒。

2000年通用公司為美研制了一種有用的新型隱藏式紫外光無線通信系統(tǒng)，已裝備。該系統(tǒng)通信速率提高到4.8Kbit/s，誤碼率達(dá)到10-6。該系統(tǒng)不易被探測和接收，適用于多種近距離抗干擾通信環(huán)境，尤其適用于特殊行動和低裂度沖突，可滿意戰(zhàn)術(shù)通信要求。

2023年SET公司生產(chǎn)出了可以商用化的波長在247～365nm之間的深紫外LED。這SET公司可供應(yīng)峰值波長為247～365nm的深紫外LED。盡管其電功率為150毫瓦，輻射光功率僅為微瓦級，還不能與光功率為毫瓦級的紅外LED相提并論，但是近年來隨著工藝和材料等方面的長足進(jìn)展，紫外LED的電功率和光功率以及牢靠性都有了很大的提高。

2023年，麻省理工高校林肯試驗(yàn)室采納274nm的紫外LED作為光源，將240支紫外LED做成陣列，其光功率僅為4.5毫瓦。試驗(yàn)采納非直視通信，在100米的范圍內(nèi)通信速率為200bit/s。

2023年，國防部高科技方案規(guī)劃局就開頭資助深紫外波段雪崩二極管的研發(fā)，要求其響應(yīng)波段峰值為280nm，增益為610，目前已取得樂觀進(jìn)展。

目前方對紫外光通信系統(tǒng)項(xiàng)目的討論和開發(fā)投入了大量的資金和力氣。承接討論項(xiàng)目的單位主要有:雷神公司、麻省理工高校和國防預(yù)先討論方案局，美TITAN系統(tǒng)啟動的"紫外局域工作站網(wǎng)絡(luò)(ULAN)'旨在利用紫外輻射的基本原理研發(fā)高速、平安的紫外光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在直視和非直視兩種模式下運(yùn)作，其傳輸距離可達(dá)1公里以上。麻省理學(xué)院林肯國家試驗(yàn)室參加研制紫外光通信相匹配的一些關(guān)鍵性器件設(shè)備，并開發(fā)了相關(guān)運(yùn)行測試的平臺，并且就大氣環(huán)境中對紫外光通信的各種因素進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。

由此可見，方在短距離紫外光通信領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)和深化的討論，完成了從基本原理到有用技術(shù)的多方面、多學(xué)科的討論。對紫外光用于戰(zhàn)場短距離通信已經(jīng)達(dá)到了有用化的階段。但是其討論工作的詳細(xì)狀況和技術(shù)細(xì)節(jié)都處于高度保密狀態(tài)。

紫外光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

紫外光通信系統(tǒng)由放射機(jī)、接收機(jī)以及大氣信道組成，如圖所示。放射機(jī)將原始的基帶數(shù)字信號通過調(diào)制器調(diào)制，轉(zhuǎn)換為已調(diào)數(shù)字信號，再經(jīng)過專用LED驅(qū)動芯片驅(qū)動紫LED光源。由光源發(fā)出的紫外光信號經(jīng)過大氣信道中大氣分子和大氣氣溶膠粒子的散射和汲取作用，最終到達(dá)接收端光電探測器。接收機(jī)探測到微弱的紫外光信號后，經(jīng)過光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過信號預(yù)處理電路進(jìn)行信號處理，然后經(jīng)解調(diào)器的解調(diào)將已調(diào)數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為原始的基帶數(shù)字信號。

紫外光源是打算紫外光通信系統(tǒng)速率最關(guān)鍵的因素。低速率紫外光通信系統(tǒng)多采納弧光燈、氣體放電燈以及紫外激光器作為光源，由于光源本身的發(fā)光特性，系統(tǒng)的通信速率一般不超過10Kbit/s，制約了紫外光通信系統(tǒng)的應(yīng)用，因此查找一種新的紫外光源特別重要。

傳統(tǒng)紫外光源

目前應(yīng)用于紫外光通信系統(tǒng)中的紫外光源主要有：汞蒸氣弧光燈、低壓汞燈和紫外激光器。

汞蒸氣弧光燈

在紫外光通信系統(tǒng)進(jìn)展的初期，由于器件材料的限制，早期的紫外光通信系統(tǒng)樣機(jī)大都采納汞蒸氣弧光燈作為紫外光源。汞蒸氣弧光燈作為紫外光源有許多缺點(diǎn)：易碎、高壓驅(qū)動、難以實(shí)現(xiàn)高速率的開關(guān)進(jìn)行直接調(diào)制、產(chǎn)生附加譜線太多以及壽命短等，而254nm的汞蒸氣弧光燈的電光轉(zhuǎn)換效率還不到10%。

低壓汞燈

低壓汞燈可以放射出254nm左右的窄頻帶光譜，是低速率紫外光通信系統(tǒng)較為常見的紫外光源。低壓汞燈的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%～40%。此種光源在使用過程中需要高壓鎮(zhèn)流器，另外還要使用反射聚光鏡來引導(dǎo)紫外光的傳播方向。此種光源的放射功率很可觀，可達(dá)幾十瓦甚至上萬瓦。但在詳細(xì)使用低壓汞燈的過程中會存在難以實(shí)現(xiàn)高速率開關(guān)調(diào)制的問題，當(dāng)使用頻移鍵控調(diào)制的時(shí)候，詳細(xì)表現(xiàn)為在兩個(gè)調(diào)制頻率之間快速切換過程中，會產(chǎn)生頻率成分很簡單的過渡帶，調(diào)制頻率相差越大過渡帶越寬，這使得系統(tǒng)的通信速率提高到一個(gè)量級之后存在一個(gè)瓶頸，因此光源是限制紫外光通信系統(tǒng)速率進(jìn)一步提高的關(guān)鍵因素。

低速率紫外光通信系統(tǒng)的光源大都采納氣體放電燈，依據(jù)氣體放電燈的特性，頻移鍵控是較為常用的調(diào)制方式，由于氣體放電燈從一個(gè)頻率狀態(tài)到另一個(gè)頻率狀態(tài)會產(chǎn)生所謂的"過度頻帶'，使兩個(gè)頻率之間的交替變化不能高速進(jìn)行，從而限制了通信速率。另外，氣體放電燈需要高壓驅(qū)動，電光轉(zhuǎn)換效率不高，響應(yīng)速度慢，嚴(yán)峻制約了通信速率的進(jìn)一步提高。

紫外激光器

由于紫外氣體放電燈存在易碎、壽命短的缺點(diǎn)，人們開頭將目光轉(zhuǎn)向固體發(fā)光光源。1993年，麻省理工高校林肯試驗(yàn)室研制出了一種被動調(diào)Q微芯片激光器，其脈寬為皮秒級，峰值功率也高于傳統(tǒng)的激光器。

該激光器在測試過程中工作性能良好，相對氣體光源而言，具有結(jié)實(shí)耐用的優(yōu)點(diǎn)，但是其缺點(diǎn)也很明顯：轉(zhuǎn)換效率低、價(jià)格昂貴、使用壽命短、脈沖重復(fù)周期對溫度敏感以及不易低壓高速驅(qū)動等。

深紫外LED

發(fā)光二極管(LED:LightEmittingDiode)是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體發(fā)光器件，是電致發(fā)光的固體光源。

深紫外LED的消失克服了傳統(tǒng)光源的缺點(diǎn)：(1)LED采納低壓供電，單管驅(qū)動電壓為1.5-3.5V，可操作性和平安性都有保障；(2)LED功耗小，消耗能量較同光效的白熾燈削減80%；(3)LED穩(wěn)定性好，工作10萬小時(shí)時(shí)間輸出衰減為初始值的50%；(4)LED的響應(yīng)時(shí)間短，只有納秒級，克服了低壓汞蒸氣燈所導(dǎo)致的過渡帶問題。

結(jié)合以上分析，目前認(rèn)為比較優(yōu)秀的是深紫外LED示。

紫外光通信傳輸模式

大氣分子和大氣中的許多粒子對紫外光信號有很強(qiáng)的散射作用，被散射的紫外光信號會維持初始光信號的頻率和固定相位關(guān)系，所以散射的紫外光信號可以用來傳遞信息。紫外光通信的鏈路方式有直視通信和非直視通信，如圖所示。

早期的紫外光通信系統(tǒng)多為直視通信，隨著現(xiàn)代光電技術(shù)的進(jìn)步，非直視紫外光通信技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步。日盲紫外光通信系統(tǒng)是建立在地球表面日盲區(qū)紫外光低背景的基礎(chǔ)上的，紫外低背景是大氣層中的臭氧劇烈汲取紫外線的結(jié)果。對于一般的紅外光通信和一般的激光通信，都要求放射機(jī)和接收機(jī)之間必需嚴(yán)格對準(zhǔn)。因此日盲紫外光通信能夠?qū)崿F(xiàn)非視線通信就引起了人們極大的愛好。

日盲紫外光通信是利用日盲紫外光在低空大氣信道中的日盲特性和其在大氣中的散射作用來實(shí)現(xiàn)的，其顯著的特點(diǎn)就在于日盲紫外光通信具有非視線傳輸?shù)墓δ埽栽谑峦ㄐ蓬I(lǐng)域中有著巨大的優(yōu)越性和進(jìn)展?jié)摿Α?/p>

非視線通信方式的工作原理：光在大氣中傳輸時(shí)所產(chǎn)生的電磁場使大氣中的分子和微粒所帶的電荷產(chǎn)生振蕩，而振蕩的電荷又會產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)電偶極子，這些電偶極子就會向四周輻射出次級球面波，由于電荷的振蕩與原始波是同步的，所以次級球面波與原始波就具有相同的振蕩頻率和固定的相位關(guān)系。次級球面波的波陣面的分布和振動狀況將打算光的散射方向，因此放射的紫外光信號就能夠散射在大氣中，最關(guān)鍵的是這些散射信號都能保持原來的信息，所以只要這些散射信號能夠到達(dá)接收機(jī)的視野區(qū)，就能夠?qū)崿F(xiàn)通信。

從放射機(jī)放射出的日盲紫外光信號經(jīng)過大氣散射后由相距不超過肯定距離的接收機(jī)接收，通常狀況下接收機(jī)都采納大視野信號采集器以提高接收靈敏度。大視野信號采集器可以放在以放射機(jī)為圓心的有效散射半徑之內(nèi)的任何一個(gè)地方，都能接收到光散射信號，通常對視線通信有影響的海拔高度和地形障礙等因素對日盲紫外光通信而言都不是問題。由于日盲紫外光通信是靠收集大氣對日盲紫外光的散射來建立通信鏈路的，所以傳統(tǒng)的大氣光通信傳輸模型不適合于分析這種非視線傳輸狀況。日盲紫外光在大氣中傳輸時(shí)主要受到大氣分子和氣溶膠微粒的散射作用。

下圖是一個(gè)散射通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。放射端光源以光束發(fā)散角2T向空中放射光信號，接收機(jī)的接收角為2R，放射機(jī)和接收機(jī)仰角分別為T和R，放射光束與接收視場在空間的交叉區(qū)域中的大氣就形成一個(gè)連接通信鏈路的散射體，我們可以很形象的把這個(gè)散射體看成是一個(gè)小型"中繼站'。放射機(jī)放射的光信號經(jīng)過大氣傳輸后到達(dá)"中繼站'，接收機(jī)收集來自該"中繼站'對光信號的散射，這樣就完成了通信信號的非視線傳送。由于接收到的散射光通常都很微弱，人們一般通過增大接收視場的方式來等效的增加空中的有效散射體的體積，從而能夠接收到更多的散射光信號。

紫外光電探測器

紫外光電探測器是接收機(jī)的核心器件，主要功能是完成紫外光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。對于非直視的紫外光通信，抱負(fù)的光電探測器應(yīng)當(dāng)有較大的探測面積、較高的增益和帶寬、高的信號光透過率以及極低的暗電流。目前，紫外探測器通常采納光電倍增管、光電二極管和雪崩光電二極管。

光電倍增管

光電倍增管，簡稱PMT，是靈敏度極高，響應(yīng)速度極快的光探測器，可廣泛各種儀器設(shè)備中。光電倍增管由光電放射陰極(光陰極)和聚焦電極、電子倍增極及電子收集極(陽極)等組成。

典型的光電倍增管按入射光接收方式可分為端窗式和側(cè)窗式兩種類型，圖3.1為側(cè)窗式光電倍增管和端窗式光電倍增管的示意圖。其主要工作過程如下：當(dāng)光照耀到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過進(jìn)一步的二次放射得到倍增放大，然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。

由于采納了二次放射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點(diǎn)。

光電倍增管之所以具有優(yōu)異的靈敏度(高電流放大和高信噪比)，主要得益于基于多個(gè)排列的二次電子放射系統(tǒng)的使用，它可使電子在低噪聲條件下得到倍增。電子倍增系統(tǒng)是包括8～19極的叫做打拿極或倍增極的電極，目前使用的光電倍增管倍增系統(tǒng)有8類，它們分別是：環(huán)形聚焦型、盒柵型、直線聚焦型、百葉窗型、細(xì)網(wǎng)型、微通道板型、金屬通道型和混合型。

光電二極管

光電二極管的光電轉(zhuǎn)換線性度較好，無需高工作電壓，響應(yīng)速度快，其主要參數(shù)有：量子效率、響應(yīng)度、