紫外光散射機(jī)理與應(yīng)用技術(shù)

無(wú)線紫外光（Ultraviolet，UV）通信是通過大氣分子、氣溶膠等微粒散射實(shí)現(xiàn)非直視通信，具有抗干擾能力強(qiáng)、保密性高等優(yōu)點(diǎn)。本書詳細(xì)介紹了無(wú)線“日盲”紫外光的散射特性，分析了降雨粒子和煙塵團(tuán)簇粒子紫外光散射信道特性、無(wú)線紫外光信道估計(jì)、信道均衡、編碼調(diào)制技術(shù)和MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)，研究了基于深度學(xué)習(xí)的無(wú)線紫外光信道估計(jì)技術(shù)、大氣氣溶膠對(duì)紫外光散射性能影響和紫外光散射信道非線性最優(yōu)均衡算法及其改進(jìn)算法。將紫外光散射機(jī)理應(yīng)用于反演測(cè)量霧霾粒子、探測(cè)電力線電暈以及協(xié)作無(wú)人機(jī)編隊(duì)，研究無(wú)線紫外光散射通信、霧霾粒子濃度的紫外光散射測(cè)量方法、紫外探測(cè)的無(wú)人機(jī)巡檢放電定位方法、基于RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示）的無(wú)線紫外光測(cè)距方法以及無(wú)線紫外光協(xié)作無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制方法等，并設(shè)計(jì)了高壓輸電線路電暈放電檢測(cè)系統(tǒng)。重點(diǎn)分析了紫外光散射應(yīng)用技術(shù)，為無(wú)線紫外光在散射通信、粒子測(cè)量、電暈探測(cè)、無(wú)人機(jī)協(xié)作等應(yīng)用提供理論支撐和工程參考。
本書可作為相關(guān)研究人員和工程技術(shù)人員通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開發(fā)的參考用書，也可作為高等院校通信工程、電子信息等相關(guān)專業(yè)的高年級(jí)本科生、研究生的教學(xué)用書。

（1）對(duì)無(wú)線日盲紫外光通信相關(guān)理論進(jìn)行了深入的探索。 （2）介紹了無(wú)線日盲紫外光通信原理及散射理論。 （3）分析了紫外光通信的信道模型、信道估計(jì)技術(shù)和信道均衡技術(shù)和編碼調(diào)制技術(shù)。 （4）將無(wú)線日盲紫外光應(yīng)用于測(cè)量霧霾粒子、測(cè)電力線電暈和無(wú)人機(jī)編隊(duì)通信中，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用意義。

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及信息化發(fā)展的不斷深入，現(xiàn)代化通信技術(shù)有著飛速的發(fā)展，無(wú)線光通信技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。由于傳統(tǒng)的無(wú)線光通信技術(shù)需要滿足光的直線傳播才得以實(shí)現(xiàn)，而無(wú)線“日盲”紫外光可以利用大氣散射實(shí)現(xiàn)非直視通信，能夠有效克服其他無(wú)線光通信的不足，并且具有抗干擾能力強(qiáng)、全天候全方位工作等優(yōu)點(diǎn)。
無(wú)線紫外光通信利用大氣中分子、氣溶膠等微粒的散射作用實(shí)現(xiàn)信息傳輸，與大氣激光通信相比，無(wú)需嚴(yán)格的捕獲、對(duì)準(zhǔn)、跟蹤，能實(shí)現(xiàn)非直視通信，在特殊地形和復(fù)雜電磁環(huán)境中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本書系統(tǒng)研究了無(wú)線日盲紫外光通信模型、散射特性以及信道估計(jì)技術(shù)和信道均衡技術(shù)。重點(diǎn)分析了無(wú)線日盲紫外光測(cè)量霧霾粒子、測(cè)電力線電暈以及無(wú)人機(jī)編隊(duì)通信中的定位、測(cè)距以及碰避問題。
本書對(duì)無(wú)線日盲紫外光通信相關(guān)理論進(jìn)行了深入的探索，介紹了無(wú)線日盲紫外光通信原理及散射理論，分析了紫外光通信的信道模型、信道估計(jì)技術(shù)、信道均衡技術(shù)和編碼調(diào)制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，將無(wú)線日盲紫外光應(yīng)用于測(cè)量霧霾粒子、測(cè)電力線電暈和無(wú)人機(jī)編隊(duì)通信中，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用意義。
本書共計(jì)8章，涉及無(wú)線日盲紫外光通信的理論基礎(chǔ)，無(wú)線日盲紫外光通信模型和信道模型，無(wú)線日盲紫外光信道估計(jì)和均衡技術(shù)以及無(wú)線紫外光通信的編碼調(diào)制技術(shù)。在理論分析的基礎(chǔ)上，提出了用無(wú)線日盲紫外光測(cè)量霧霾粒子、探測(cè)電力線電暈的方法，以及無(wú)線日盲紫外光在無(wú)人機(jī)編隊(duì)通信中的測(cè)距和定位方法。
全書由趙太飛教授統(tǒng)一定稿，第1～4章由西安理工大學(xué)的趙太飛教授編寫；第5章由西安理工大學(xué)的博士研究生高鵬編寫；第6～8章由上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院的姜鳳嬌教授編寫。本書是西安理工大學(xué)西安市無(wú)線光通信與網(wǎng)絡(luò)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室集體研究的成果，趙思婷、段鈺楨、冷昱欣、雷洋飛、劉龍飛、呂鑫喆、屈瑤、包鶴、王嬋、王世奇、康博倫、李晗辰、侯鵬、郭嘉文、解穎、余敘敘等參與了本課題的研究。西安工程大學(xué)宋鵬教授、中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第五研究院的譚慶貴研究員對(duì)作者的研究工作一直關(guān)心和支持，提出了許多寶貴的意見，在此表示深切的謝意！
本書的有關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（61971345、U1433110、61001069）、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃一般項(xiàng)目（2021GY-044）、人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（2022RYY01）、遼寧省自然科學(xué)基金（2022-KF-18-04）、上海市教育委員會(huì)項(xiàng)目（C2024090）、西安市科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目【CXY1835（4）】、榆林市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2019-145）、西安市碑林區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（GX1921）、西安理工大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（xjy2124）、西安理工大學(xué)工程訓(xùn)練國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心開放課題（2021ETYB19）、上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題【JY6(2)-0000-23-03、KY（6）2-0000-23-13】等基金的支持，在此一并表示感謝。
本書是我們進(jìn)行紫外光散射機(jī)理與應(yīng)用技術(shù)研究工作的初步總結(jié)，由于水平有限，書中難免存在不妥之處，歡迎讀者不吝指正。

著者
2023年5月

第1章無(wú)線日盲紫外光概述  1
1.1無(wú)線日盲紫外光傳輸模型  1
1.1.1無(wú)線日盲紫外光散射模型  2
1.1.2無(wú)線紫外光通信覆蓋類型  7
1.2無(wú)線日盲紫外光研究現(xiàn)狀  8
1.2.1無(wú)線日盲紫外光通信研究現(xiàn)狀  8
1.2.2氣溶膠光散射的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀  10
1.2.3放電紫外探測(cè)研究現(xiàn)狀  12
1.2.4無(wú)人機(jī)飛行引導(dǎo)研究現(xiàn)狀  14
1.3無(wú)線日盲紫外光應(yīng)用研究進(jìn)展  17
1.3.1霧霾粒子的形態(tài)分析與紫外光散射偏振模型  17
1.3.2氣體放電理論與紫外光譜檢測(cè)原理  22
1.3.3無(wú)線紫外光協(xié)作無(wú)人機(jī)編隊(duì)技術(shù)  25
參考文獻(xiàn)  27

第2章無(wú)線紫外光散射信道特性  35
2.1雨霧信道紫外光散射特性  35
2.1.1紫外光的大氣傳輸特性  35
2.1.2降雨和霧粒子的光散射理論  38
2.1.3降雨和霧粒子的紫外光散射信道模型  39
2.2降雨粒子的紫外光散射信道特性  41
2.2.1雨滴粒子的物理特性  41
2.2.2降雨粒子的紫外光散射信道特性  44
2.3大氣氣溶膠對(duì)紫外光散射信道特性影響  48
2.3.1大氣氣溶膠  48
2.3.2光散射理論  49
2.3.3不同濕度條件下無(wú)線紫外光信道模型  51
2.4霧霾煙塵紫外光散射信道特性  52
2.4.1霧霾煙塵信道的光散射理論  52
2.4.2煙塵團(tuán)簇粒子的紫外光散射信道特性  54
參考文獻(xiàn)  58

第3章紫外光散射信道估計(jì)  60
3.1無(wú)線紫外光散射通信信道模型特性分析  60
3.1.1無(wú)線日盲紫外光通信  60
3.1.2無(wú)線紫外光單次散射模型  61
3.1.3無(wú)線紫外光的脈沖響應(yīng)  64
3.1.4無(wú)線紫外光傳輸信道中的脈沖展寬  65
3.1.5無(wú)線紫外光信道估計(jì)技術(shù)  67
3.2基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的紫外光散射信道估計(jì)方法研究  68
3.2.1基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的紫外光單次散射信道估計(jì)方法研究  68
3.2.2基于深度學(xué)習(xí)的紫外光MIMO信道估計(jì)方法  79
參考文獻(xiàn)  95

第4章紫外光散射信道均衡  96
4.1信道均衡技術(shù)  96
4.2無(wú)線紫外光散射通信中反饋均衡算法  98
4.2.1自適應(yīng)判決反饋均衡算法  98
4.2.2LMS算法在非直視紫外光通信中的應(yīng)用  101
4.2.3RLS算法在非直視紫外光通信中的應(yīng)用  103
4.3無(wú)線紫外光通信非線性最優(yōu)均衡算法及其改進(jìn)算法  105
4.3.1非線性最優(yōu)均衡算法  106
4.3.2適合紫外光通信的MLSE改進(jìn)算法  107
4.3.3紫外光通信中基于LMS的TD-MLSE算法仿真  111
參考文獻(xiàn)  114

第5章無(wú)線紫外光散射通信  116
5.1無(wú)線紫外光通信中LDPC-OFDM編碼調(diào)制技術(shù)  116
5.1.1無(wú)線紫外光通信中的LDPC編碼  116
5.1.2無(wú)線紫外光OFDM系統(tǒng)  118
5.1.3采用LDPC編碼的紫外光OFDM系統(tǒng)性能仿真分析  120
5.2無(wú)線紫外光MIMO中BCOSTBC編碼  123
5.2.1無(wú)線紫外光MIMO信道中鏈路性能分析  123
5.2.2無(wú)線紫外光MIMO中BCOSTBC編碼研究  125
5.2.3無(wú)線紫外光MIMO系統(tǒng)中BCOSTBC編碼仿真分析  130
參考文獻(xiàn)  136

第6章日盲紫外光散射測(cè)量霧霾粒子  137
6.1霧霾粒子的紫外光散射偏振特性  137
6.1.1霧霾粒子的散射偏振基本原理  137
6.1.2霧霾粒子的仿真與分析  143
6.2灰霾的紫外光后向散射回波與紫外光偏振  163
6.2.1灰霾粒子的消光系數(shù)和散射相函數(shù)  163
6.2.2非球形灰霾粒子的散射參數(shù)和散射相函數(shù)  165
6.2.3灰霾粒子的脈沖回波特性和紫外光偏振特性分析  167
6.3霧霾粒子濃度的光散射測(cè)量方法  177
6.3.1光散射法測(cè)量原理  177
6.3.2日盲紫外光測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)  180
參考文獻(xiàn)  183

第7章無(wú)線日盲紫外光探測(cè)電力線電暈  185
7.1無(wú)人機(jī)巡檢輸電線放電的紫外探測(cè)定位方法  185
7.1.1放電及紫外檢測(cè)理論  185
7.1.2基于紫外探測(cè)的無(wú)人機(jī)巡檢放電定位方法  189
7.1.3無(wú)人機(jī)電力巡線中自適應(yīng)模糊紫外電暈探測(cè)  199
7.2高壓輸電線路電暈放電檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)  209
7.2.1電暈放電檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)  209
7.2.2電暈放電檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)  214
7.2.3電暈放電檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)  214
參考文獻(xiàn)  219

第8章無(wú)線紫外光協(xié)作無(wú)人機(jī)  222
8.1無(wú)線紫外光引導(dǎo)無(wú)人機(jī)定位方法  222
8.1.1無(wú)線紫外光通信引導(dǎo)理論  222
8.1.2基于RSSI的無(wú)線紫外光測(cè)距算法  226
8.1.3無(wú)線紫外光定位引導(dǎo)方法分析  235
8.2無(wú)線紫外光通信協(xié)作無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制方法  247
8.2.1無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制理論  247
8.2.2無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行中無(wú)線紫外光網(wǎng)絡(luò)連通特性  252
8.2.3基于無(wú)線紫外光通信的無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制方法  264
參考文獻(xiàn)  275