气中，最关键的是这些散射信号都能保持原来的信息，所以只要这些散射信号能够到达接收机的视野区，就能够实现通信。为深入了解非直视通信，需要研究紫外光通信系统散射大气传输模型。
TR T R T (a) R T R T (b)
R T R 图2.7(a)为直视通信(b)非直视通信
从发射机发射出的日盲紫外光信号经过大气散射后由相距不超过一定距离的接收机接收，通常情况下接收机都采用大视野信号采集器以提高接收灵敏度。大视野信号采集器可以放在以发射机为圆心的有效散射半径之内的任何一个地方，都能接收到光散射信号，通常对视线通信有影响的海拔高度和地形障碍等因素对日盲紫外光通信而言都不是问题。由于日盲紫外光通信是靠收集大气对日盲紫外光的散射来建立通信链路的，所以传统的大气光通信传输模型不适合于分析这种非视线传输情况。日盲紫外光在大气中传输时主要受到大气分子和气溶胶微粒的散射作用。
由于大气中各种散射体都在做不停的随机运动，所以散射过程实际上可以看成是一个随机过程。如果在发射端和接收端之间光子仅被散射一次，就称为单次散射；如发生两次或两次以上的散射，就称为多次散射，但是单次散射和多次散射两者之间没有一个严格的分界线。Vande Hulst认为当散射系数与传输距离的乘积小于0.1时，单次散射是主要的。Shaw等人则认为只要传输距离不超过一到两个消光长度，单次散射是主要的。
Luettgen 等人发展的一种椭球信道模型非常适用于分析这类非视线传输的信道模型。但是这种模型只能考虑大气中分子散射和气溶胶粒子的散射对通信系统接收光信号的贡献，而且还要将分子散射简化为各向同性散射，另外由于散射通信一般用于低速通信，大气湍流效应对日盲紫外光通信的影响不像高速视线通信那么严重，所以在这个模型中我们还要忽略大气湍流的影响。在模型中通过改变发射机和接收机的仰角、光源发散角和接收机的接收角等系统的几何参数，散射通信可以通过灵活地部署通信器件来满足各种实际需求。
本文将在忽略大气散射分子和粒子的随机性、大气湍流的影响和在单次散射假设的基础上研究日盲紫外光通信的大气信道模型，利用这个模型对日盲紫外光在大气中的非视线传输进行数值计算，分析大气分子的散射和气溶胶粒子的散射对日盲紫外光通信系
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统的贡献，以及发射机和接收机各个几何参数对接收光信号的影响，进一步探讨实现散射通信技术的物理机制。
图2.8是一个散射通信系统的结构示意图。发射端光源以光束发散角2θT 向空中发射光信号，接收机的接收角为2θR ，发射机和接收机仰角分别为βT 和βR ，发射光束与接收视场在空间的交叉区域中的大气就形成一个连接通信链路的散射体，我们可以很形象的把这个散射体看成是一个小型“中继站”。发射机发射的光信号经过大气传输后到达“中继站”，接收机收集来自该“中继站”对光信号的散射，这样就完成了通信信号的非视线传送。由于接收到的散射光通常都很微弱，人们一般通过增大接收视场的方式来等效的增加空中的有效散射体的体积，从而能够接收到更多的散射光信号。
x ?R ?T ?R F1 接收机 ?T F 发射机 Z 图2.8散射通信系统的结构示意图 假设这个大气信道是一个线性时不变系统，在t = 0时刻发射机向空中发射一个能量为QT 的激光脉冲，单位为J。下面我们来考查在下图所示的几何关系下接收机能够接收到的光信号。在满足单散射条件下，我们用Luettgen等人发展的一种椭球信道模型来分析日盲紫外光的非视线传输，这个模型是建立在椭球面坐标系下的，如图所示。
在这种椭球坐标系下，空间中的每个点都可由径向分量ξ，角坐标η和方位坐标φ唯一确定。假设把发射机和接收机分别放在椭球面的两个焦点上，为了简单起见，发射机和接收机都放在同一平面(x-z平面)内，在后面的讨论中都沿用这一假设，那么在某一给定椭球面上的任意一点与两个焦点之间的距离之和就为一常数，所以我们就可以把这个椭球面看作是一个等时延面。这一特点将为分析问题带来很大方便。
考察空间中的任意一点P(ξ,η,φ)，则包含P(ξ,η,φ)点的体积元δV就可以看作是一个次波源，这个次波源向整个空间辐射出的总能量可表示为
?QP?KSQTexp(-Ker2)?V 2?Tr2 14
X ??0 ??（r1?r2）/r φ n=-1 r1r2 η=1 z F v 主轴 F2 r
图2.9椭球面坐标系
2.4光电探测器
紫外光电探测器是接收机的核心器件，主要功能是完成紫外光信号到电信号的转换。对于非直视的紫外光通信，理想的光电探测器应该有较大的探测面积、较高的增益和带宽、高的信号光透过率以及极低的暗电流。目前，紫外探测器通常采用光电倍增管、光电二极管和雪崩光电二极管。在下一章节中会进行进一步讨论。
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第三章 光电探测器比较与选择
为有效的探测紫外光信号，紫外光电探测器和紫外滤光片的发展也至关重要。紫外光电探测器的性能主要由有效阴极面积、响应灵敏度、响应带宽和暗电流等因素决定。目前可以使用的紫外光电探测器主要有光电倍增管 (PMT:Photomultiplier Tube)、光电二极管和雪崩光电二极管(APD:Avalanche Phptodiodes)。PMT相对APD来说其体积较大，成本较高而且需要高压供电，然而PMT的放大倍数可以达到510~710 ，有效阴极探测面积可以达到几平方厘米，比较低的暗电流和单光子工作模式也适合探测微弱的散射信号。日本滨松公司和英国的Perkin-Elmer公司的紫外光电倍增管较为适合紫外光通信系统。商用的深紫外波段的雪崩二极管虽然已经出现，但性能很不成熟，关于紫外雪崩二极管的研究仍在积极进行。2007年，美国国防部高科技计划规划局就开始资助深紫外波段雪崩二极管的研发，要求其响应波段峰值280nm，增益为610，目前已取得积极进展。
紫外光电探测器是接收机的核心器件，主要功能是完成紫外光信号到电信号的转换。对于非直视的紫外光通信，理想的光电探测器应该有较大的探测面积、较高的增益和带宽、高的信号光透过率以及极低的暗电流。目前，紫外探测器通常采用光电倍增管、光电二极管和雪崩光电二极管。
3.1光电倍增管
光电倍增管，简称PMT，是灵敏度极高，响应速度极快的光探测器，可广泛各种仪器设备中。光电倍增管由光电发射阴极(光阴极)和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极(阳极)等组成。典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型，图3.1为侧窗式光电倍增管和端窗式光电倍增管的示意图。其主要工作过程如下：当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到倍增放大，然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。
光电倍增管之所以具有优异的灵敏度(高电流放大和高信噪比)，主要得益于基于多个排列的二次电子发射系统的使用，它可使电子在低噪声条件下得到倍增。电子倍增系统是包括8～19极的叫做打拿极或倍增极的电极，目前使用的光电倍增管倍增系统有8类，它们分别是：环形聚焦型、盒栅型、直线聚焦型、百叶窗型、细网型、微通道板型、金属通道型和混合型。图2.8是环形聚焦极的示意图。
光电倍增管由阴极接收入射光子的能量并将其转换为电子，其转换效率(阴极灵敏度)随入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。
一般情况下，光谱响应特性的长波段取决于光阴极材料，短波段则取决于入射窗材料。
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(a)侧窗型(side-on) (b)端窗型(head-on)
图 3.1侧窗型(a)和端窗型(b)光电倍增管示意图
图 3.2环形聚焦极光电倍增管示意图
光电倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃(UV玻璃)、合成石英玻璃和氟化镁(或镁氟化物)玻璃制成。硼硅玻璃窗材料可以透过近红外至300nm左右的可见入射光，而其它3种玻璃材料则可用于对紫外区不可见光的探测。
光电倍增管的阴极一般都采用具有低逸出功能的碱金属材料所制成的光电发射面。 光阴极发射出来的电子被电场加速后撞击到第一倍增极上将产生二次电子发射，以便产生多于电子数目的电子流，这些二次发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极，以产生又一次的二次电子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集，这样就达到了电流放大的目的。这时光电倍增管阴极产生的很小的光电子电流即被放大成较大的阳极输出电流。
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