湍流大气影响下可见光传播特性及对交通系统通信性能影响研究

发布时间：2020-03-23 23:24

【摘要】：可见光通信技术是利用可以发出明暗闪烁的光信号的LED光源作为信号发生器的一种光通信技术。它具有可用频带宽,通信容量大,传输速率高及抗电磁干扰能力强等优点。当今社会,人们对通信技术的要求越来越高,其应用也越来越广泛,但是电磁通信面临着可用频带越来越少的问题,其通信速度以及通信质量也越来越不能满足当前社会需求。随着LED技术的飞速发展,为可见光通信技术的研究奠定了坚实的基础,国内外学者也开展了对可见光通信技术的系统研究。本文中首先分析了湍流大气对可见光通信系统的影响机理,深入探究了湍流大气中各项参数对可见光通信系统通信性能的影响,计算推导了在大气湍流影响下可见光信号的传输链路方程,定性分析了不同参数对通信链路上光信号传输功率的影响。通过数学建模和数学统计方法,在理想大气条件下建立由视距传输和漫反射光路两部分构成的智能交通可见光通信系统模型,并将实际情况下湍流分布模型代入已建的可见光交通通信系统几何模型中进一步计算整个通信系统的各项结构参数。计算分析了信噪比、孔径大小、能见度、波长和束腰半径等对可见光通信误码率、信道容量等因素的影响,对比了OOK、DPSK和PPM三种调制方式对系统通信性能的影响。与此同时系统分析了雨天、雾天及雪天等特殊大气环境对系统接收功率的影响,进一步绘制了输出功率、误码率以信道容量的分布图,给出了交通系统可见光通信的有效覆盖范围。经过计算仿真分析发现:(1)孔径大小、能见度、波长、束腰半径以及大气折射结构常数均会对系统的传输功率造成影响,从而引起系统信道容量和误码率的变化。其中传输功率与可见光波长、接收机孔径、光束腰半径以及大气能见度均成正比关系,与大气折射结构常数成反比关系,且随着系统功率的增加,系统的信道容量会随之增大,系统误码率会随之减小。(2)在晴朗的大气环境下,信号灯与车之间的通信系统可以实现100m范围内的有效通信,车与车之间的通信系统可以实现110m范围内的有效通信,但随着降雨量和降雪量的增加,以及能见度的降低,系统的有效通信距离会逐渐缩短。而在浓雾、大雨以及暴雪的情况下,系统几乎无法实现有效的通信。(3)相比于DPSK和OOK调制方式,PPM调制方式性能更优,随着采样判决时所取时隙个数的增加,PPM调制方式的通信性能会逐渐优化。基于此模型的仿真结果与实际情况基本吻合,收发及环境参数与系统传输功率、系统误码率以及系统信道容量的关系式和关系曲线在文中详细的给出。通过适当的选择和调整系统各项参数,可以有效地提高智能交通系统的通信性能,为智能交通系统可见光通信的工程应用提供一定的参考价值。
【图文】：

级联理论,内尺度,外尺度,湍流能量

图 2.1 湍流能量级联理论（L0为湍流的外尺度，l0为湍流的内尺度）小尺度涡旋产生于大尺度涡旋的不稳定分裂，该分裂过程会持续进行直至此涡旋雷诺常数达到阈值。这就意味着这种变化过程持续到涡旋的自身的动能和同时刻其内能的形式输出的能量相等，此时涡旋变换为最小长度为0l ，这个最小的涡旋长度就是湍流的内尺度。涡旋尺度小于0l 的湍流区域，被称为湍流的耗散区。大气湍流尺度和内尺度之间的大气湍流区域被称为惯性子区[60]。Kolmogorov 指出，，惯性子内的各个气流涡旋是各向同性且均匀分布的，这就意味着可以通过统计测量的方式算其各项特性。而在此区域内不同涡旋之间传递并无能量消耗，即输入区向惯性区输的能量等于惯性区气流涡旋以内能的形式消耗的能量。湍流大气是一种非均匀的光学介质，在一确定的位置上，其各项参数也是波动变的，而这将会引起大气折射率波动变化，即为湍流。其变化频率一般能达到几百赫，变化的空间尺度则为毫米量级。由于湍流效应的影响，会产生影响通信系统的一列现象，比如光束扩展、相干性退化以及光斑抖动等。大气湍流是一个随机过程，具有一定的复杂性和随机性，所以我们在后文的近地

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图 3.1 光链路模型LED 可见光无线光通信系统中，无论是室内还是室外系统，现个部分，即光信号的发射端和光信号的接收端。图 3.2 是室外的无线光通信系统的系统框图。从图中我们可以看到，室外基线光通信系统主要由实施交通信息、调制、驱动电路、室外和车载接收器、光电检测电路、解调、信息复原的光接收端组
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U495;TN929.1

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