日盲紫外光通信系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)分析

凌云

摘 要：日盲紫外光通信是當(dāng)今的一種新興的先進(jìn)通信技術(shù)，相比較普通的通信系統(tǒng)來(lái)看，日盲紫外光通信系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)是通信非視距離、全方位、低竊聽(tīng)和高靈活性等，可有效滿足飛機(jī)、軍艦等的保密通信需求。隨著該通信系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展，其信號(hào)檢測(cè)技術(shù)也開(kāi)始越來(lái)越受到人們的重視?；诖?，文章便對(duì)其信號(hào)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，以此來(lái)促進(jìn)該系統(tǒng)的良好應(yīng)用與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：日盲紫外光;通信系統(tǒng);信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

0?引言

因?yàn)樽贤饩€的主要傳播方式是散射，且其傳播的途徑也非常有限，故其應(yīng)用難度也比較大，但是因?yàn)槿彰ぷ贤夤馔ㄐ畔到y(tǒng)具有良好的繞過(guò)障礙物能力，所以該通信系統(tǒng)在近距離的通信環(huán)境中十分適用，且具備良好的抗干擾性能。具體應(yīng)用中，借助于有效的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、鑒別以及解調(diào)操作，這樣便可實(shí)現(xiàn)其通信距離的進(jìn)一步提升，發(fā)揮出更加充分的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1?紫外光主要傳輸特征分析

第一，因?yàn)?00 nm以內(nèi)的紫外光會(huì)被氧氣全部吸收，所以此類紫外光達(dá)不到地球表面。第二，因?yàn)?50 nm以內(nèi)的紫外光會(huì)在臭氧層的強(qiáng)烈吸引下出現(xiàn)大幅度衰減情況，所以這種紫外光幾乎不能夠在地球表面上檢測(cè)到，這也就是我們所說(shuō)的日盲紫外光。第三，因?yàn)?00 nm以內(nèi)的紫外光具有十分有限的穿透能力，所以并不適合在長(zhǎng)距離通信中用作載體，但是在局部的無(wú)線通信中十分適用。第四，300～400 nm的近紫外光穿過(guò)大氣層的數(shù)量很多，因?yàn)槠鋫鞑ブ械纳⑸渥饔檬謴?qiáng)烈，所以在整個(gè)的地球表面將達(dá)到均勻分布效果[1]。

2?日盲紫外光通信系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

在日盲紫外光通信系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中，因?yàn)樽贤夤馐治⑷酰詾橛行z測(cè)到紫外光，需要將紫外光探測(cè)器用作通信接收機(jī)中的一項(xiàng)重要組成器件。該探測(cè)器的主要功能是對(duì)日盲紫外光信號(hào)進(jìn)行采集，并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)形式。在日盲紫外光通信系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中，理想的紫外光探測(cè)器需要具備足夠高的探測(cè)面積、足夠高的透過(guò)率、足夠?qū)挼膸捯约白銐虻偷娜彰すδ芎桶惦娏髅芏?。而日盲這一功能的主要要求則是探測(cè)器光陰極對(duì)于300 nm以上波長(zhǎng)的光譜不敏感。

就目前來(lái)看，紫外探測(cè)器大多是對(duì)紫外輻射足夠敏感的光電倍增管和以內(nèi)光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體探測(cè)器。地域紫外光散射通信，其光電探測(cè)器應(yīng)該選擇具備日盲這一功能的紫外光電倍增管。通過(guò)分離光子所產(chǎn)生的電脈沖分析來(lái)測(cè)量其光量。在光電倍增管中，增益因子的二次發(fā)射量可以達(dá)到107，這些增益因子對(duì)于單個(gè)光子能量都有著十分靈敏的反應(yīng)，速度極高，可通過(guò)電子計(jì)數(shù)法對(duì)入射光子數(shù)量進(jìn)行有效檢測(cè)。這樣的方式可以讓光強(qiáng)極弱、通量極小的光被檢測(cè)到[2]。隨著日盲紫外光檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，該探測(cè)器在微弱的紫外光檢測(cè)以及快速脈沖弱光信號(hào)的檢測(cè)中都得到了廣泛應(yīng)用，且發(fā)揮出的作用也十分顯著。

3?日盲紫外光通信系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)分析

3.1? 日盲紫外光通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分析

相比較直視空間中其他形式的光通信系統(tǒng)而言，日盲紫外光通信系統(tǒng)為散射通信。因此，該系統(tǒng)就和其他光通信系統(tǒng)存在很大的不同。首先，日盲紫外光信號(hào)具有散射特征，所以其接收裝置所接收到的日盲紫外光信號(hào)來(lái)源方向并不固定，具有全向性。其次，從散射光源發(fā)射器中所發(fā)射出的紫外光具有日盲波長(zhǎng)，由于此類紫外光受臭氧層的吸收十分強(qiáng)烈，該普段對(duì)于對(duì)流層中的太陽(yáng)背景噪聲在10～13 W/m2以內(nèi)，比可見(jiàn)光以及近紫外光低很多?；诖?，該系統(tǒng)主要借助于日盲紫外光接收機(jī)對(duì)日盲紫外光進(jìn)行接收，以此來(lái)獲得具有較高信噪比的日盲紫外光信號(hào)。

3.2? 模擬信號(hào)解調(diào)分析

在日盲紫外光通信系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的具體應(yīng)用中，如果紫外光源屬于低壓汞燈，因其有著非常大的發(fā)光功率，使其被檢測(cè)到的紫外光也比較強(qiáng)，每秒鐘所包含的發(fā)射光子也有很多個(gè)。而這樣的情況也就充分顯示出了紫外光的連續(xù)性特征，可借助于合理的光電探測(cè)器，檢測(cè)到具有連續(xù)性的日盲紫外光。事實(shí)證明，在應(yīng)用了合理的光電探測(cè)器之后，檢測(cè)到的日盲紫外光具有良好的連續(xù)性，且這種連續(xù)性的日盲紫外光可以通過(guò)探測(cè)器上連接的直流電表直接進(jìn)行測(cè)量。通常情況下，日盲紫外光測(cè)量都屬于模擬量測(cè)量情況，在很多個(gè)光子共同入射進(jìn)PMT光電倍增管的陰極之后，在其陰極中也會(huì)同時(shí)有很多的光電子釋放出來(lái)。在此過(guò)程中，PMT光電倍增管所輸出的信號(hào)并不屬于離散性的脈沖信號(hào)，而是電流或者是電壓形式的模擬量信號(hào)[3]。在通過(guò)該方法進(jìn)行日盲紫外光信號(hào)的檢測(cè)過(guò)程中，可通過(guò)鎖相環(huán)技術(shù)以及取樣積分技術(shù)將信號(hào)從噪聲里提取出來(lái)。其主要解調(diào)流程為：①光電轉(zhuǎn)換和放大處理;②濾波處理;③放大整形處理;④通過(guò)鎖相環(huán)進(jìn)行頻段鑒別;⑤通過(guò)輸出接口進(jìn)行處理。

3.3? 光子計(jì)數(shù)器解調(diào)分析

在光非常微弱的情況下，光信號(hào)所表現(xiàn)出的光量子性就會(huì)十分顯著，在光電倍增管中，入射進(jìn)來(lái)的光是一個(gè)個(gè)并不具備連續(xù)性的光子，所以光電倍增管所輸出的也是一個(gè)個(gè)離散形式的脈沖電信號(hào)。在這樣的條件下，取樣積分技術(shù)以及鎖相環(huán)技術(shù)都將無(wú)法正常應(yīng)用。在這樣的情況下，光子計(jì)數(shù)技術(shù)便可以克服以上的各種困難，對(duì)光信號(hào)實(shí)現(xiàn)有效的解調(diào)處理，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)和獲取。光子計(jì)數(shù)技術(shù)所應(yīng)用的是超微弱光所具備的量子性，可作為日盲紫外光通信系統(tǒng)中的信號(hào)檢測(cè)工具，以此來(lái)保障系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)效果，提升系統(tǒng)的應(yīng)用性能。該技術(shù)的主要應(yīng)用原理是對(duì)單個(gè)光子從光電倍增管內(nèi)所激發(fā)出的光電子脈沖進(jìn)行分辨，并通過(guò)數(shù)字化技術(shù)在噪聲中對(duì)光信號(hào)進(jìn)行提取。該技術(shù)對(duì)日盲紫外光的探測(cè)靈敏度極高，分辨率極高，且在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)具備良好的穩(wěn)定性。但是，該技術(shù)僅僅可以對(duì)日盲紫外光形式的微弱光以及超微弱光進(jìn)行功率測(cè)量，并不能對(duì)有著多個(gè)光子的光脈沖進(jìn)行功率測(cè)量。

具體解調(diào)過(guò)程中，因?yàn)槿彰ぷ贤夤獾墓庠床煌钥赏ㄟ^(guò)不同的方式來(lái)進(jìn)行光信號(hào)的解調(diào)處理，以此來(lái)達(dá)到良好的信息檢測(cè)效果。如果日盲紫外光的光源是紫外LED，因?yàn)楫?dāng)今的紫外光器件方面原因，通常情況下，日盲紫外光LED都是毫瓦級(jí)別，其中發(fā)出的日盲紫外光也十分微弱。在對(duì)此類紫外光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，技術(shù)人員可借助于光電倍增管中的光子計(jì)數(shù)器模式來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)日盲紫外光信號(hào)的有效解調(diào)處理，其解調(diào)流程如下：? ? ①通過(guò)光電倍增管進(jìn)行日盲紫外光的接收和放大處理;? ②通過(guò)甄別放大器進(jìn)行信息的甄別與放大處理;③快速脈沖整形處理;④通過(guò)積分電路進(jìn)行處理;⑤通過(guò)軟件計(jì)數(shù)等的處理器進(jìn)行處理。

將LED作為日盲紫外光通信系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)光源，因?yàn)槠涔β时容^小，所以其傳輸距離受到了一定程度的限制。在該系統(tǒng)中，主要借助于軟件計(jì)數(shù)的方法來(lái)進(jìn)行日盲紫外光信號(hào)的解調(diào)處理，這種解調(diào)方法和鑒幅方法類似。但是該方法僅僅適用于近距離的日盲紫外光信號(hào)檢測(cè)，如果距離較遠(yuǎn)，在紫外光的折射、反射以及散射等的干擾條件下，將會(huì)對(duì)信號(hào)解調(diào)造成很大程度的不利影響，導(dǎo)致誤碼率上升，距離越遠(yuǎn)，解調(diào)誤差也就越大。

如果將低壓汞燈作為日盲紫外光通信系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)光源，因低壓汞燈有著比較高的功率，所以其調(diào)制的線性度會(huì)比LED差一些[4]。在這樣的情況下，空間日盲紫外光調(diào)制信號(hào)在通過(guò)視野采集器、光電倍增管以及濾光片等設(shè)備和器件接收并轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)之后，因光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換率非常高，所以其輸出端將會(huì)獲得驅(qū)動(dòng)形式的低壓汞燈發(fā)光時(shí)形成的瞬態(tài)電流波形信號(hào)，這個(gè)信號(hào)的主要組成部分是調(diào)制端的數(shù)字信息，借助于鎖相環(huán)解調(diào)法可以使其還原。在通過(guò)該方法進(jìn)行日盲紫外光信號(hào)的解調(diào)過(guò)程中，如果低壓汞燈工作頻率發(fā)生變化，發(fā)光強(qiáng)度便會(huì)隨之變化，但是這種情況只有在調(diào)光輸入端出現(xiàn)較低頻率數(shù)字調(diào)制信號(hào)的情況下才較為顯著，如果將其頻率提高，這種情況也不再顯著，所以在具體應(yīng)用中，接收器應(yīng)用的是鑒頻接收器，而不是鑒幅接收器。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在日盲紫外光通信系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中，其信號(hào)檢測(cè)技術(shù)依然處在發(fā)展階段，但是借助于LED或者是汞燈等的這些信號(hào)檢測(cè)光源，也可以進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)研究原型的初步搭建，讓日盲紫外光信號(hào)得到有效的解調(diào)處理，以此來(lái)達(dá)到良好的信號(hào)檢測(cè)效果。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，將會(huì)有越來(lái)越多的日盲紫外光通信系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)出現(xiàn)，為該系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展提供足具科學(xué)性的技術(shù)支撐。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙太飛，李永明，許杉，等.軍車隱秘編隊(duì)的無(wú)線紫外光通信最優(yōu)多跳中繼研究[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2020（11）：2636-2642.

[2]劉龍飛.無(wú)線紫外光散射通信中碼間干擾抑制方法研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2019.

[3]孟令超.LDPC碼在紫外光通信中的應(yīng)用研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2019.

[4]秦恒.紫外光MIMO通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2018.

（編輯 王永超）