基于蒙特卡洛方法的紫外光波长特性仿真与实验验证

张骏驰; 梁赫西; 李航; 沈天浩

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506793

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (18) :7741-7746 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506793

电子技术、通信技术

基于蒙特卡洛方法的紫外光波长特性仿真与实验验证

张骏驰 ¹^,² ,
梁赫西 ³^,^* ,
李航 ³ ,
沈天浩 ⁴

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Simulation and Experimental Verification of Ultraviolet Light Wavelength Characteristics Based on Monte Carlo Method

ZHANG Jun-chi ¹^,² ,
LIANG He-xi ³^,^* ,
LI Hang ³ ,
SHEN Tian-hao ⁴

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摘要

紫外通信可大幅降低自由空间光通信中的对准难度。针对紫外线在大气中的传播特性不明确问题,基于蒙特卡洛方法进行了仿真,提出并设计了实时紫外线C波段(ultraviolet C radiation,UVC)系统,利用现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)设计了发射和接收实时信号处理算法,基于发光二极管发射多波长紫外光,并利用光电倍增管接收光信号。实验结果表明,在紫外信道中,大气对不同波长紫外线的衰减特性存在显著差异,对通信性能产生了直接影响。当通信距离小于60 m时,250 nm和300 nm波长的UVC系统误码率(bit error rate,BER)差异较小;但当距离增加至100 m时,300 nm UVC系统的误码率约为10^-4,而250 nm UVC系统的误码率约为10^-2;进一步增加通信距离至120 m时,250 nm UVC系统未检测到光子,而300 nm UVC系统的光电倍增管仍能检测到少量光子。表明较长波长的UVC系统在大气中具有更低的衰减和更强的传输能力。

Abstract

Alignment difficulty in free space optical communication is significantly reduced by ultraviolet communication. The problem of unclear propagation characteristics of ultraviolet light in the atmosphere is addressed. Simulations based on the Monte Carlo method were conducted. A real-time UVC (ultraviolet C radiation) system was proposed and designed. Real-time signal processing algorithms for transmission and reception were designed using a FPGA (field-programmable gate array). Ultraviolet light of multiple wavelengths was emitted by Light Emitting Diodes. Optical signals were received by a Photomultiplier Tube. Significant differences in atmospheric attenuation characteristics for different wavelengths are shown by the experimental results. Communication performance is directly affected by these differences. A small BER(bit error rate ) difference between 250 nm and 300 nm systems is observed at a communication distance of less than 60 meters. At a distance of 100 meters, a BER of approximately 10-4 is exhibited by the 300 nm system. A BER of approximately 10-2 is exhibited by the 250 nm system. At a distance of 120 meters, no photons are detected in the 250 nm system. A small number of photons are still detected by the Photomultiplier Tube in the 300 nm system. Lower attenuation and stronger transmission capability are indicated by the UVC system with a longer wavelength.

Graphical abstract

关键词

紫外通信 / 非视距通信 / 自由空间光通信 / 光电倍增管

Key words

UV communication / non line of sight communication / free space optical communication / photomultiplier tube

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张骏驰, 梁赫西, 李航, 沈天浩. 基于蒙特卡洛方法的紫外光波长特性仿真与实验验证[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(18): 7741-7746 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506793

ZHANG Jun-chi, LIANG He-xi, LI Hang, SHEN Tian-hao. Simulation and Experimental Verification of Ultraviolet Light Wavelength Characteristics Based on Monte Carlo Method[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(18): 7741-7746 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506793

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紫外通信系统凭借其独特的大气散射特性,为解决传统空间光通信对准难题提供了创新思路。同时,由于紫外光在大气中具有强吸收效应以及不可见特性,在无线光通信领域的应用中也展现了良好的稳定性和保密性^[1]。但是由于大气介质对不同波长紫外光的差异化衰减效应,使得系统缺乏普适性设计标准和性能预测困难,由此揭示了当前紫外通信研究必须突破的核心矛盾:如何建立大气传播特性与通信性能之间的量化关联模型。

现有研究表明,紫外通信性能的波动本质上是多变量耦合作用的结果。通信距离与大气参数(如能见度、湍流强度)构成影响系统性能的基础变量组^[2-3]。实验证实,短距离通信中路径损耗会随能见度下降,而接收端低仰角设计可通过增强散射信号捕获来部分抵消该损耗^[4]。为应对复杂大气环境,研究者已开发出紫外发光二极管(light emitting diode,LED)阵列与激光器相结合的混合光源方案,其多光束特性可有效分散湍流引起的信号畸变^[5]。

在系统实现层面,既有研究通过调制技术优化取得显著进展,例如,Sun等^[6]在浑浊水域实现75 Mb/s的通断键控(on-off keying,OOK)调制;Li等^[7]采用AlGaN/InGaN材料达成300 Mb/s信道速率;Jiao等^[8]通过动态占空比调整抑制LED拖尾效应。这些成果逐步揭示了硬件设计与通信参数的协同规律。值得注意的是,He等^[9]在930 m超长距离传输中实现0.01%误码率的突破其光子计数同步算法为弱信号检测提供了新范式。

然而,现有研究仍存在显著局限性:不同波长紫外光的衰减特性差异缺乏系统性量化分析,这种认知缺口导致当前技术方案多依赖经验性调整,难以形成普适性设计准则,这正是本文研究的切入点。因此,现综合上述文献的实验系统设计经验,在蒙特卡洛仿真的基础上,设计一个紫外线C波段(ultraviolet C radiation,UVC)系统,建立空间紫外光通信链路,通过实验分析不同波长紫外光在大气中的传输特性,为后续紫外光通信系统的波长选择与链路设计提供具体的参考依据。

1 紫外光湍流信道建模

1.1 大气中光学的衰减

紫外光在大气传输过程中经历的衰减效应是构建湍流信道模型的基础物理过程。紫外光大气消光系数是光信号在传输路径中的衰减系数根据不同颗粒几何尺度的大小,大气散射系数可分为大气气溶胶颗粒的米氏散射和大气分子的瑞利散射K_SR。

(1)

$\mathit{n}\left(\mathit{x}\right)=\frac{0.05791817}{238.0185-{\mathit{\lambda }}^{-2}}+\frac{0.00167909}{57.362-{\mathit{\lambda }}^{-2}}-1$

(2)

$\mathit{F}\left(\mathit{x}\right)=\frac{6+3\mathit{d}\left(\mathit{x}\right)}{6-7\mathit{d}\left(\mathit{x}\right)}$

(3)

${\mathit{K}}_{\mathrm{S}\mathrm{R}}=\frac{24{\mathrm{\pi }}^{3}}{{\mathit{\lambda }}^{4}{\mathit{N}}_{\mathrm{A}}}\frac{[\mathit{n}{\left(\mathit{x}\right)}^{2}{-1]}^{2}}{[\mathit{n}{\left(\mathit{x}\right)}^{2}{+2]}^{2}}\mathit{F}\left(\mathit{x}\right)$

(4)

${\mathit{K}}_{\mathrm{S}\mathrm{M}}=\frac{3.91}{{\mathit{R}}_{\mathrm{v}}}{\left(\frac{{\mathit{\lambda }}_{0}}{\mathit{\lambda }}\right)}^{\mathit{q}}$

式中:K_SR为瑞利散射系数;n(x)为波长的折射率;λ为阿伏伽德罗常数;F(x)取决于退极化项d(x);K_SM为米氏散射系数;R_v为紫外可见性;λ₀为参考波长;

$\mathit{q}={\mathit{R}}_{\mathrm{v}}^{1/3}$

为校正系数。

为了研究空间紫外信道的特性,结合光在大气中传播过程中吸收和散射的影响,将该过程简化为蒙特卡罗模型。此处给出不同紫外波段衰减系数的典型值^[10-11],大气总吸收系数K(A)、大气总散射系数K(S)、大气总消光K(λ),数据如表1所示。

1.2 光子与粒子的相互作用

紫外光子在湍流信道中的传输行为本质上是与大气粒子持续相互作用的过程。光子和大气粒子在传输过程中都具有散射效应^[12],会导致光子的能量衰减和运动方向的改变。

(5)

$\mathit{l}=\frac{-\mathrm{l}\mathrm{n}\mathit{\epsilon }}{\mathit{K}\left(\mathit{\lambda }\right)}$

(6)

$\mathit{p}\left(\mathit{l}\right)=\mathit{K}\left(\mathit{\lambda }\right){\mathrm{e}}^{-\mathit{K}\left(\mathit{\lambda }\right)\mathit{l}}$

式中:l为光子步长;ε为均匀分布在[0,1]的随机数;K(λ)为大气对光子的总衰减系数。

(7)

$\mathit{H}\left(0\right)=\frac{\mathit{m}+1}{2\mathrm{\pi }}\mathrm{c}\mathrm{o}{\mathrm{s}}^{\mathit{m}}\left(\mathit{\varphi }\right){\mathit{A}}_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}(\mathit{d},\mathit{\varphi })$

(8)

${\mathit{A}}_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}(\mathit{d},\mathit{\varphi })=\frac{\mathrm{\pi }{\mathit{D}}_{\mathrm{r}}^{2}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\varphi }/4}{\mathrm{\pi }(\mathit{d}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{\mathit{\varphi }}_{1/2}+\mathit{D}/2)}$

(9)

${\mathit{L}}_{\mathrm{c}\mathrm{h}}={\mathrm{e}}^{-\mathit{K}\left(\mathit{\lambda }\right)\mathit{d}}$

(10)

${\mathit{P}}_{\mathrm{r}}=\left\{\begin{array}{ll}{\mathit{P}}_{\mathrm{t}}\mathit{H}\left(0\right){\mathit{L}}_{\mathrm{c}\mathrm{h}}{\mathit{\eta }}_{\mathrm{t}}{\mathit{\eta }}_{\mathrm{r}}{\mathit{\eta }}_{\mathrm{c}},& 0\le \mathit{\varphi }\le {\mathit{\varphi }}_{\mathrm{c}}\\ 0,& \mathit{\varphi }\ge {\mathit{\varphi }}_{\mathrm{c}}\end{array}\right.$

式中:P_r为LED的接收功率;P_t为LED的发射功率;H(0)为LED对应的直流增益;L_ch为Beer定律的衰减模型;η_t、η_r、η_c分别为发射、接收和信道转换效率^[13-14];

$\mathit{m}=-\mathrm{l}\mathrm{n}2/\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\mathit{\varphi }}_{1/2}\right)$

为朗伯辐射阶;

${\mathit{A}}_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}(\mathit{d},\mathit{\varphi })$

为光电倍增管(photomultiplier tube,PMT)的等效面积;

$\mathit{\varphi }$

为发射端相对于光轴的角度;

${\mathit{\varphi }}_{\mathrm{c}}$

为发射端的最大偏转角;d为通信距离;

${\mathit{\varphi }}_{1/2}$

为半功率角。

1.3 光子方向和坐标

采用笛卡尔坐标系建立光子运动轨迹。其中XY平面为光子的入射平面,Z轴为光子的透射方向。初始光子坐标设为(0,0,0),光子坐标为(x_n,y_n,z_n),方向余弦为(u_x,u_y,u_z),其中它们满足的关系式为

(11)

$\left\{\begin{array}{l}{\mathit{u}}_{\mathit{x}}=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\mathit{\theta }}_{\mathit{x}}\\ {\mathit{u}}_{\mathit{y}}=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\mathit{\theta }}_{\mathit{y}}\\ {\mathit{u}}_{\mathit{z}}=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\mathit{\theta }}_{\mathit{z}}\\ {\mathit{u}}_{\mathit{x}}^{2}+{\mathit{u}}_{\mathit{y}}^{2}+{\mathit{u}}_{\mathit{z}}^{2}=1\end{array}\right.$

式(11)中:θ_x、θ_y、θ_z分别为光子与X、Y、Z轴之间的夹角。

在光子传播过程中,在确定光子的初始位置和方向后,需进一步更新光子的位置坐标。设散射角为θ,方向角为

$\mathit{\varphi }\mathit{。}$

当

$\left|\mathit{u}\mathit{\text{'}}{}_{\mathit{z}}\right|\le {\mathit{u}}_{\mathit{l}}$

时,光子的新方向余弦u'_x、u'_y、u'_z,即

(12)

$\left\{\begin{array}{l}\mathit{u}\mathit{\text{'}}{}_{\mathit{x}}=\frac{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\theta }({\mathit{u}}_{\mathit{x}}{\mathit{u}}_{\mathit{z}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\varphi }-{\mathit{u}}_{\mathit{y}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\varphi })}{\sqrt{1-{\mathit{u}}_{\mathit{z}}^{2}}}\\ \mathit{u}\mathit{\text{'}}{}_{\mathit{y}}=\frac{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\theta }({\mathit{u}}_{\mathit{y}}{\mathit{u}}_{\mathit{z}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\varphi }-{\mathit{u}}_{\mathit{x}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\varphi })}{\sqrt{1-{\mathit{u}}_{\mathit{z}}^{2}}}\\ \mathit{u}\mathit{\text{'}}{}_{\mathit{z}}=-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\theta }\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\varphi }\sqrt{1-{\mathit{u}}_{\mathit{z}}^{2}}+{\mathit{u}}_{\mathit{z}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\theta }\end{array}\right.$

当

$\left|\mathit{u}\mathit{\text{'}}{}_{\mathit{z}}\right|>{\mathit{u}}_{\mathrm{l}}$

时,光子现在沿Z轴方向移动,光子在大气中散射,改变了光的传播方向。改变后的光子的新坐标表达式为

(13)

$\left\{\begin{array}{l}{\mathit{x}}_{\mathit{n}+1}={\mathit{x}}_{\mathit{n}}+\mathit{l}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\theta }\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\varphi }\\ {\mathit{y}}_{\mathit{n}+1}={\mathit{y}}_{\mathit{n}}+\mathit{l}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\theta }\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\varphi }\\ {\mathit{z}}_{\mathit{n}+1}={\mathit{z}}_{\mathit{n}}+\mathit{l}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{n}\left({\mathit{u}}_{\mathit{z}}\right)\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\varphi }\end{array}\right.$

式(13)中:sign(·)为符号函数。

2 性能分析与仿真

2.1 蒙特卡罗法仿真流程

在仿真中,首先确定光子的能量及其初始坐标,以建立光子传播的基本参数。光子在大气中的运动步长由大气衰减系数决定,这一参数反映了环境中光损耗的程度。光子在每一步移动时,如果其穿越的边界外部,则视为光子丢失,这在实际应用中是一个重要的考虑因素^[15-17]。

在光子与大气分子的相互作用过程中,光子的能量和移动步长会发生变化。这种变化不仅影响光子的传播距离,还对信号的质量产生重要影响。通过散射函数来计算光子在散射事件后的新运动方向,这一函数根据光子与分子的相对角度和入射能量特性进行设计,能够准确地模拟散射现象。在光子到达接收端后,记录其位置、功率以及总行程。仿真过程如图1所示。

2.2 性能评估和参数设置

采用蒙特卡罗方法模拟大气中不同波段紫外光的运动。具体器件参数如表2所示。

2.3 仿真结果

波长对于光子在大气的传播特性具有重要影响,直接影响其传播距离及能量分布。

实验中,采用蒙特卡罗法对106个光子的传播特性进行了随机模拟,旨在深入探索波长分别为200 nm和250 nm的光子在大气环境中的行为模式。仿真过程中的横坐标代表光子从发射至接收的时间,纵坐标则对应随着时间变化光子经过大气介质衰减后剩余的脉冲响应能量。

通过蒙特卡罗模拟,刻画光子在大气中传播时的随机性和不确定性,反映出在不同环境条件下光子经过的路径和能量损失,直观地分析不同波长光子在大气介质中的相互作用以及其传播特征。仿真结果如图2所示。

将光子的初始能量设定为25 dBm。从图2可以观察到,所有光子在初始阶段均表现出迅速的能量衰减,随后其能量趋于平稳。然而,波长为250 nm的光子能量衰减速度明显快于其他波长的光子。在通信距离达到60 m、通信时间为40 ns的条件下,波长为250 nm的光子能量下降至约-25 dBm,而波长为300 nm的紫外线能量则相对更高,维持在约-15 dBm。

由于250 nm波长的光子在传输过程中受限于更高的吸收率与散射率,其能量更快地衰减。而300 nm的光子因具备相对较低的损耗特性,因此能量衰减较为缓慢。这种现象的差异对紫外光通信系统的性能影响显著,尤其在误码率方面表现突出。针对OOK调制方式,系统误码率的计算公式为

(14)

${\mathit{E}}_{\mathrm{w}}=\frac{1}{2}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{f}\mathrm{c}\left(\frac{\mathit{\eta }{\mathit{P}}_{\mathrm{R}}}{\sqrt{{\mathit{N}}_{0}}}\right)$

式(14)中:E_w为BER结果;η为光电器件的光敏度;P_R为接收端的光功率;N₀为热噪声谱密度。

UVC系统接收功率为250 nm和300 nm时的BER仿真结果如图3所示。

根据仿真结果,当通信距离约为60 m时,此时250 nm UVC接收端功率为-25 dBm, 300 nm UVC接收端功率为-15 dBm。250 nm和300 nm UVC系统的OOK调制BER都在6×10^-8左右,差异不明显。随着通信距离的增加,当光子传播50 ns,对应的通信距离为100 m时,蒙特卡罗仿真结果表明,250 nm UVC的接收功率为-40 dBm, 300 nm UVC的接收功率约为-30 dbm。对应的BER为2×10^-2和3×10^-4。根据仿真结果,当通信距离超过60 m时,250 nm UVC系统与300 nm UVC系统存在差异。原因是300 nm UV在大气中的衰减效应较弱,其系统的BER性能可提高2~3个数量级。

3 大气信道通信实验

在该系统中,PC机作为终端,通过以太网UDP协议与FPGA通信。FPGA负责解析接收到的UDP数据包,并提取用户数据。提取后的用户数据与伪随机序列(pseudo-random sequence,PRS)一起输入到RS(reed-solomon)编码器中。在同步时钟信号下,通过OSERDES原语将数据转换为比特流,为后续的调制步骤做准备。

所设计的信号处理算法为将生成的比特流数据经过OOK调制后,将加载到UV LED。光信号通过大气信道传输至接收端。在接收端,光子运动的信号被光电倍增管接收并转换为电流信号。接着,电流信号经过跨阻放大器(trans-impedance amplifier,TIA)放大,以提高信号强度和降低噪声。放大后的电流信号经过低压晶体管-晶体管逻辑(low voltage transistor-transistor logic,LVTTL)判决处理,再送回现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)。FPGA负责从电流信号中恢复用户数据,并与原始的伪随机序列进行比较,以判断接收数据的正确性,系统会计算误码率并将结果返回给PC机。系统框图如图4所示。

在系统的发射端,紫外光的波长分别设定为250 nm和300 nm,以评估不同波长对通信性能的影响。通过调整通信距离,测量两种波长下的误码率,分析其在不同传输条件下的信号稳定性与可靠性。上位机实时接收误码数据,并计算出对应距离下的最大误码率,进而分析波长在不同距离对信号传输质量的影响,不同波长的光信号在大气中传播时的衰减特性及其对通信的影响。系统的物理结构图和紫外光通信测试的实验如图5所示,误码率实验结果如表3所示。

根据实验数据,当通信距离为小于60 m时,300 nm UVC系统的误码率与250 nm UVC的误码率区别并不明显。然而,随着通信距离的增加,当通信距离为100 m时,两个系统之间的通信误码率差为2个数量级。当通信距离为120 m时,250 nm UVC系统已经处于通信中断状态。可以看出,250 nm紫外光在大气环境中其接收到的散射和吸收效应更加明显,这与蒙特卡罗方法的通道模拟结果和OOK系统BER模拟器的结果一致。300 nm紫外光在大气环境中具有较弱的衰减效果和较好的通信性能。

4 结论

由以上实验结果分析可知,影响UVC系统的主要因素来自大气信道的质量和不同波段的紫外系统。它们都能对紫外线进行不同程度的散射UVC系统可以实现大气无线通信,克服了激光通信需要对准跟踪的问题,大大降低了成本和设备体积。同时,不同波段的UVC系统的通信性能也不同。以波长为250 nm和300 nm的紫外光为例,利用蒙特卡罗方法模拟了它们在大气信道中的衰减,并设计了验证实验系统,在屋顶上实现了面向大气环境的链路通信实验。实验结果表明,与250 nm UV光相比,300 nm UV光通信系统具有更好的抗大气衰减效果。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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