紫外光散射机理与应用技术

（1）对无线日盲紫外光通信相关理论进行了深入的探索。 （2）介绍了无线日盲紫外光通信原理及散射理论。 （3）分析了紫外光通信的信道模型、信道估计技术和信道均衡技术和编码调制技术。 （4）将无线日盲紫外光应用于测量雾霾粒子、测电力线电晕和无人机编队通信中，具有广泛的实际应用意义。

伴随着社会经济的不断发展以及信息化发展的不断深入，现代化通信技术有着飞速的发展，无线光通信技术越来越受到人们的关注。由于传统的无线光通信技术需要满足光的直线传播才得以实现，而无线“日盲”紫外光可以利用大气散射实现非直视通信，能够有效克服其他无线光通信的不足，并且具有抗干扰能力强、全天候全方位工作等优点。
无线紫外光通信利用大气中分子、气溶胶等微粒的散射作用实现信息传输，与大气激光通信相比，无需严格的捕获、对准、跟踪，能实现非直视通信，在特殊地形和复杂电磁环境中具有独特优势。本书系统研究了无线日盲紫外光通信模型、散射特性以及信道估计技术和信道均衡技术。重点分析了无线日盲紫外光测量雾霾粒子、测电力线电晕以及无人机编队通信中的定位、测距以及碰避问题。
本书对无线日盲紫外光通信相关理论进行了深入的探索，介绍了无线日盲紫外光通信原理及散射理论，分析了紫外光通信的信道模型、信道估计技术、信道均衡技术和编码调制技术，在此基础上，将无线日盲紫外光应用于测量雾霾粒子、测电力线电晕和无人机编队通信中，具有广泛的实际应用意义。
本书共计8章，涉及无线日盲紫外光通信的理论基础，无线日盲紫外光通信模型和信道模型，无线日盲紫外光信道估计和均衡技术以及无线紫外光通信的编码调制技术。在理论分析的基础上，提出了用无线日盲紫外光测量雾霾粒子、探测电力线电晕的方法，以及无线日盲紫外光在无人机编队通信中的测距和定位方法。
全书由赵太飞教授统一定稿，第1～4章由西安理工大学的赵太飞教授编写；第5章由西安理工大学的博士研究生高鹏编写；第6～8章由上海农林职业技术学院的姜凤娇教授编写。本书是西安理工大学西安市无线光通信与网络研究重点实验室集体研究的成果，赵思婷、段钰桢、冷昱欣、雷洋飞、刘龙飞、吕鑫喆、屈瑶、包鹤、王婵、王世奇、康博伦、李晗辰、侯鹏、郭嘉文、解颖、余叙叙等参与了本课题的研究。西安工程大学宋鹏教授、中国航天科技集团公司第五研究院的谭庆贵研究员对作者的研究工作一直关心和支持，提出了许多宝贵的意见，在此表示深切的谢意！
本书的有关工作得到了国家自然科学基金（61971345、U1433110、61001069）、陕西省重点研发计划一般项目（2021GY-044）、人工智能四川省重点实验室开放基金（2022RYY01）、辽宁省自然科学基金（2022-KF-18-04）、上海市教育委员会项目（C2024090）、西安市科学计划项目【CXY1835（4）】、榆林市科技计划项目（2019-145）、西安市碑林区科技计划项目（GX1921）、西安理工大学教育教学改革研究项目（xjy2124）、西安理工大学工程训练国家级实验教学示范中心开放课题（2021ETYB19）、上海农林职业技术学院课题【JY6(2)-0000-23-03、KY（6）2-0000-23-13】等基金的支持，在此一并表示感谢。
本书是我们进行紫外光散射机理与应用技术研究工作的初步总结，由于水平有限，书中难免存在不妥之处，欢迎读者不吝指正。

著者
2023年5月

无线紫外光（Ultraviolet，UV）通信是通过大气分子、气溶胶等微粒散射实现非直视通信，具有抗干扰能力强、保密性高等优点。本书详细介绍了无线“日盲”紫外光的散射特性，分析了降雨粒子和烟尘团簇粒子紫外光散射信道特性、无线紫外光信道估计、信道均衡、编码调制技术和MIMO（多输入多输出）技术，研究了基于深度学习的无线紫外光信道估计技术、大气气溶胶对紫外光散射性能影响和紫外光散射信道非线性最优均衡算法及其改进算法。将紫外光散射机理应用于反演测量雾霾粒子、探测电力线电晕以及协作无人机编队，研究无线紫外光散射通信、雾霾粒子浓度的紫外光散射测量方法、紫外探测的无人机巡检放电定位方法、基于RSSI（接收信号强度指示）的无线紫外光测距方法以及无线紫外光协作无人机编队控制方法等，并设计了高压输电线路电晕放电检测系统。重点分析了紫外光散射应用技术，为无线紫外光在散射通信、粒子测量、电晕探测、无人机协作等应用提供理论支撑和工程参考。
本书可作为相关研究人员和工程技术人员通信网络设计和系统开发的参考用书，也可作为高等院校通信工程、电子信息等相关专业的高年级本科生、研究生的教学用书。

第1章无线日盲紫外光概述  1
1.1无线日盲紫外光传输模型  1
1.1.1无线日盲紫外光散射模型  2
1.1.2无线紫外光通信覆盖类型  7
1.2无线日盲紫外光研究现状  8
1.2.1无线日盲紫外光通信研究现状  8
1.2.2气溶胶光散射的国内外研究现状  10
1.2.3放电紫外探测研究现状  12
1.2.4无人机飞行引导研究现状  14
1.3无线日盲紫外光应用研究进展  17
1.3.1雾霾粒子的形态分析与紫外光散射偏振模型  17
1.3.2气体放电理论与紫外光谱检测原理  22
1.3.3无线紫外光协作无人机编队技术  25
参考文献  27

第2章无线紫外光散射信道特性  35
2.1雨雾信道紫外光散射特性  35
2.1.1紫外光的大气传输特性  35
2.1.2降雨和雾粒子的光散射理论  38
2.1.3降雨和雾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大气气溶胶对紫外光散射信道特性影响  48
2.3.1大气气溶胶  48
2.3.2光散射理论  49
2.3.3不同湿度条件下无线紫外光信道模型  51
2.4雾霾烟尘紫外光散射信道特性  52
2.4.1雾霾烟尘信道的光散射理论  52
2.4.2烟尘团簇粒子的紫外光散射信道特性  54
参考文献  58

第3章紫外光散射信道估计  60
3.1无线紫外光散射通信信道模型特性分析  60
3.1.1无线日盲紫外光通信  60
3.1.2无线紫外光单次散射模型  61
3.1.3无线紫外光的脉冲响应  64
3.1.4无线紫外光传输信道中的脉冲展宽  65
3.1.5无线紫外光信道估计技术  67
3.2基于神经网络的紫外光散射信道估计方法研究  68
3.2.1基于神经网络的紫外光单次散射信道估计方法研究  68
3.2.2基于深度学习的紫外光MIMO信道估计方法  79
参考文献  95

第4章紫外光散射信道均衡  96
4.1信道均衡技术  96
4.2无线紫外光散射通信中反馈均衡算法  98
4.2.1自适应判决反馈均衡算法  98
4.2.2LMS算法在非直视紫外光通信中的应用  101
4.2.3RLS算法在非直视紫外光通信中的应用  103
4.3无线紫外光通信非线性最优均衡算法及其改进算法  105
4.3.1非线性最优均衡算法  106
4.3.2适合紫外光通信的MLSE改进算法  107
4.3.3紫外光通信中基于LMS的TD-MLSE算法仿真  111
参考文献  114

第5章无线紫外光散射通信  116
5.1无线紫外光通信中LDPC-OFDM编码调制技术  116
5.1.1无线紫外光通信中的LDPC编码  116
5.1.2无线紫外光OFDM系统  118
5.1.3采用LDPC编码的紫外光OFDM系统性能仿真分析  120
5.2无线紫外光MIMO中BCOSTBC编码  123
5.2.1无线紫外光MIMO信道中链路性能分析  123
5.2.2无线紫外光MIMO中BCOSTBC编码研究  125
5.2.3无线紫外光MIMO系统中BCOSTBC编码仿真分析  130
参考文献  136

第6章日盲紫外光散射测量雾霾粒子  137
6.1雾霾粒子的紫外光散射偏振特性  137
6.1.1雾霾粒子的散射偏振基本原理  137
6.1.2雾霾粒子的仿真与分析  143
6.2灰霾的紫外光后向散射回波与紫外光偏振  163
6.2.1灰霾粒子的消光系数和散射相函数  163
6.2.2非球形灰霾粒子的散射参数和散射相函数  165
6.2.3灰霾粒子的脉冲回波特性和紫外光偏振特性分析  167
6.3雾霾粒子浓度的光散射测量方法  177
6.3.1光散射法测量原理  177
6.3.2日盲紫外光测量系统的设计  180
参考文献  183

第7章无线日盲紫外光探测电力线电晕  185
7.1无人机巡检输电线放电的紫外探测定位方法  185
7.1.1放电及紫外检测理论  185
7.1.2基于紫外探测的无人机巡检放电定位方法  189
7.1.3无人机电力巡线中自适应模糊紫外电晕探测  199
7.2高压输电线路电晕放电检测系统设计  209
7.2.1电晕放电检测系统的硬件设计  209
7.2.2电晕放电检测系统的软件设计  214
7.2.3电晕放电检测系统测试和实验  214
参考文献  219

第8章无线紫外光协作无人机  222
8.1无线紫外光引导无人机定位方法  222
8.1.1无线紫外光通信引导理论  222
8.1.2基于RSSI的无线紫外光测距算法  226
8.1.3无线紫外光定位引导方法分析  235
8.2无线紫外光通信协作无人机编队控制方法  247
8.2.1无人机编队控制理论  247
8.2.2无人机编队飞行中无线紫外光网络连通特性  252
8.2.3基于无线紫外光通信的无人机编队控制方法  264
参考文献  275