紫外光散射機理與應用技術

（1）對無線日盲紫外光通信相關理論進行了深入的探索。 （2）介紹了無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、信道估計技術和信道均衡技術和編碼調制技術。 （4）將無線日盲紫外光應用于測量霧霾粒子、測電力線電暈和無人機編隊通信中，具有廣泛的實際應用意義。

伴隨著社會經濟的不斷發展以及信息化發展的不斷深入，現代化通信技術有著飛速的發展，無線光通信技術越來越受到人們的關注。由于傳統的無線光通信技術需要滿足光的直線傳播才得以實現，而無線“日盲”紫外光可以利用大氣散射實現非直視通信，能夠有效克服其他無線光通信的不足，并且具有抗干擾能力強、全天候全方位工作等優點。
無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現信息傳輸，與大氣激光通信相比，無需嚴格的捕獲、對準、跟蹤，能實現非直視通信，在特殊地形和復雜電磁環境中具有獨特優勢。本書系統研究了無線日盲紫外光通信模型、散射特性以及信道估計技術和信道均衡技術。重點分析了無線日盲紫外光測量霧霾粒子、測電力線電暈以及無人機編隊通信中的定位、測距以及碰避問題。
本書對無線日盲紫外光通信相關理論進行了深入的探索，介紹了無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、信道估計技術、信道均衡技術和編碼調制技術，在此基礎上，將無線日盲紫外光應用于測量霧霾粒子、測電力線電暈和無人機編隊通信中，具有廣泛的實際應用意義。
本書共計8章，涉及無線日盲紫外光通信的理論基礎，無線日盲紫外光通信模型和信道模型，無線日盲紫外光信道估計和均衡技術以及無線紫外光通信的編碼調制技術。在理論分析的基礎上，提出了用無線日盲紫外光測量霧霾粒子、探測電力線電暈的方法，以及無線日盲紫外光在無人機編隊通信中的測距和定位方法。
全書由趙太飛教授統一定稿，第1～4章由西安理工大學的趙太飛教授編寫；第5章由西安理工大學的博士研究生高鵬編寫；第6～8章由上海農林職業技術學院的姜鳳嬌教授編寫。本書是西安理工大學西安市無線光通信與網絡研究重點實驗室集體研究的成果，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。西安工程大學宋鵬教授、中國航天科技集團公司第五研究院的譚慶貴研究員對作者的研究工作一直關心和支持，提出了許多寶貴的意見，在此表示深切的謝意！
本書的有關工作得到了國家自然科學基金（61971345、U1433110、61001069）、陜西省重點研發計劃一般項目（2021GY-044）、人工智能四川省重點實驗室開放基金（2022RYY01）、遼寧省自然科學基金（2022-KF-18-04）、上海市教育委員會項目（C2024090）、西安市科學計劃項目【CXY1835（4）】、榆林市科技計劃項目（2019-145）、西安市碑林區科技計劃項目（GX1921）、西安理工大學教育教學改革研究項目（xjy2124）、西安理工大學工程訓練國家級實驗教學示范中心開放課題（2021ETYB19）、上海農林職業技術學院課題【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。
本書是我們進行紫外光散射機理與應用技術研究工作的初步總結，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

無線紫外光（Ultraviolet，UV）通信是通過大氣分子、氣溶膠等微粒散射實現非直視通信，具有抗干擾能力強、保密性高等優點。本書詳細介紹了無線“日盲”紫外光的散射特性，分析了降雨粒子和煙塵團簇粒子紫外光散射信道特性、無線紫外光信道估計、信道均衡、編碼調制技術和MIMO（多輸入多輸出）技術，研究了基于深度學習的無線紫外光信道估計技術、大氣氣溶膠對紫外光散射性能影響和紫外光散射信道非線性最優均衡算法及其改進算法。將紫外光散射機理應用于反演測量霧霾粒子、探測電力線電暈以及協作無人機編隊，研究無線紫外光散射通信、霧霾粒子濃度的紫外光散射測量方法、紫外探測的無人機巡檢放電定位方法、基于RSSI（接收信號強度指示）的無線紫外光測距方法以及無線紫外光協作無人機編隊控制方法等，并設計了高壓輸電線路電暈放電檢測系統。重點分析了紫外光散射應用技術，為無線紫外光在散射通信、粒子測量、電暈探測、無人機協作等應用提供理論支撐和工程參考。
本書可作為相關研究人員和工程技術人員通信網絡設計和系統開發的參考用書，也可作為高等院校通信工程、電子信息等相關專業的高年級本科生、研究生的教學用書。

第1章無線日盲紫外光概述  1
1.1無線日盲紫外光傳輸模型  1
1.1.1無線日盲紫外光散射模型  2
1.1.2無線紫外光通信覆蓋類型  7
1.2無線日盲紫外光研究現狀  8
1.2.1無線日盲紫外光通信研究現狀  8
1.2.2氣溶膠光散射的國內外研究現狀  10
1.2.3放電紫外探測研究現狀  12
1.2.4無人機飛行引導研究現狀  14
1.3無線日盲紫外光應用研究進展  17
1.3.1霧霾粒子的形態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原理  22
1.3.3無線紫外光協作無人機編隊技術  25
參考文獻  27

第2章無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煙塵團簇粒子的紫外光散射信道特性  54
參考文獻  58

第3章紫外光散射信道估計  60
3.1無線紫外光散射通信信道模型特性分析  60
3.1.1無線日盲紫外光通信  60
3.1.2無線紫外光單次散射模型  61
3.1.3無線紫外光的脈沖響應  64
3.1.4無線紫外光傳輸信道中的脈沖展寬  65
3.1.5無線紫外光信道估計技術  67
3.2基于神經網絡的紫外光散射信道估計方法研究  68
3.2.1基于神經網絡的紫外光單次散射信道估計方法研究  68
3.2.2基于深度學習的紫外光MIMO信道估計方法  79
參考文獻  95

第4章紫外光散射信道均衡  96
4.1信道均衡技術  96
4.2無線紫外光散射通信中反饋均衡算法  98
4.2.1自適應判決反饋均衡算法  98
4.2.2LMS算法在非直視紫外光通信中的應用  101
4.2.3RLS算法在非直視紫外光通信中的應用  103
4.3無線紫外光通信非線性最優均衡算法及其改進算法  105
4.3.1非線性最優均衡算法  106
4.3.2適合紫外光通信的MLSE改進算法  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  114

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

第6章日盲紫外光散射測量霧霾粒子  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和散射相函數  163
6.2.2非球形灰霾粒子的散射參數和散射相函數  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量方法  177
6.3.1光散射法測量原理  177
6.3.2日盲紫外光測量系統的設計  180
參考文獻  183

第7章無線日盲紫外光探測電力線電暈  185
7.1無人機巡檢輸電線放電的紫外探測定位方法  185
7.1.1放電及紫外檢測理論  185
7.1.2基于紫外探測的無人機巡檢放電定位方法  189
7.1.3無人機電力巡線中自適應模糊紫外電暈探測  199
7.2高壓輸電線路電暈放電檢測系統設計  209
7.2.1電暈放電檢測系統的硬件設計  209
7.2.2電暈放電檢測系統的軟件設計  214
7.2.3電暈放電檢測系統測試和實驗  214
參考文獻  219

第8章無線紫外光協作無人機  222
8.1無線紫外光引導無人機定位方法  222
8.1.1無線紫外光通信引導理論  222
8.1.2基于RSSI的無線紫外光測距算法  226
8.1.3無線紫外光定位引導方法分析  235
8.2無線紫外光通信協作無人機編隊控制方法  247
8.2.1無人機編隊控制理論  247
8.2.2無人機編隊飛行中無線紫外光網絡連通特性  252
8.2.3基于無線紫外光通信的無人機編隊控制方法  264
參考文獻  275