一种紫外光通信收发一体化天线及全向紫外通信装置

本发明涉及光无线通信的一种紫外光通信装置，特别涉及了一种紫外光通信收发一体化天线以及全向紫外光通信装置。

背景技术：

1、紫外光通信作为光无线通信的重要领域，除了具有抗电磁干扰和保密通信的优势以外，由于其所在的深紫外波段(200-280nm,uvc)具有“日盲”特性和在近地面大气中传输时的特殊的散射特性，可以实现近地面高信噪比和非直视(non-line-of-sight,nlos)链路通信。非直视链路通信非常适合部署在短距离的ad-hoc网络中，比如水上舰艇间、路上车队间和空中无人机编队中。根据有关文献和实验，nlos链路的紫外光通信在短距离上就有高达100db的链路损耗，并且在移动场景下的使用受限，很多紫外光通信相关工作都是通过设计光学接收天线和多面阵列led光源来增强接收信号强度，增大接收视场和方位角范围，减小链路损耗来提升链路性能。

2、常见的光无线通信的接收天线结构主要有：一般透镜天线，菲涅尔透镜天线和抛物面反射天线。一般透镜天线所需的紫外光学玻璃价格昂贵，加工复杂。菲涅尔透镜天线加工要求高，视场太小，不适合在移动场景下使用。抛物面型中特别是复合抛物面聚光器(compound parabolic concentrator,cpc)是一种非成像光学聚光器，具有接收视场大、集光率高和结构简单等等优点，最早应用于太阳能接收聚光器和辐射热能收集器的设计中。但是在实际使用场景中，特别是移动场景下需要紫外光通信收发一体化天线有着更大的视场以及方位角范围上的全向通信，单个led作为光源和单个cpc作为接收天线难以满足通信链路的性能需求。环形复合抛物面聚光器(annular compound parabolic concentrator，acpc)一般应用在塔式太阳能热发电系统中，其可通过特殊的环形结构对来自不同方位角上的光线进行汇聚集热。环形复合抛物面结构相较于一般复合抛物面结构，其接收视场和方位角范围都更宽。

3、紫外光通信作为一种可以在短距离范围内实现局域化通信的手段，非常适合应用于移动ad hoc网络中。ad hoc网络中个每一个通信节点需要同时具备发送信号和接收信号的能力，因此应用于移动ad hoc网络的紫外光通信终端，除了需要具备大视场、全向接收光学天线，也需要具备可以多向发送信号的发送天线。

技术实现思路

1、针对当前技术中存在的不足之处，满足紫外光通信接在非直视链路上在移动场景下的大接收视场全向紫外光通信需求，本发明提供了一种基于环形复合抛物面聚光器(annular compound parabolic concentrator，acpc)的大视场、全方位和高增益的收发一体化光学天线以及全向紫外光通信装置。本发明首次将环形复合抛物面结构应用于光无线通信领域，并增设了多向发送阵列完成了收发一体化天线设计。本发明在紫外光通信收发一体化天线的基础上，还提出了一种可以让紫外光通信在非直视链路上完成全向信息传输的装置。一方面，光学接收天线在各个方位上都可以接收来自大气的紫外光，增大了天线的接收视场，增强非直视链路性能；基于中心轴旋转对称的双反射面设计，实现了接收端的全方位接收。另一方面，多向发射天线可以扩大链路的覆盖特性。

2、为了解决以上技术问题，本发明的技术方案如下：

3、一、一种紫外光通信收发一体化天线

4、所述紫外光通信收发一体化天线包括环形复合抛物面光学接收天线和多向发送天线，多向发送天线安装在环形复合抛物面光学接收天线上，其中所述环形复合抛物面光学接收天线包含上反射部、下反射部和连接支架，上反射部和下反射部之间通过连接支架连接并且上反射部和下反射部之间间隔布置，所述下反射部的中心开设有通孔并且该通孔处固定安装有“日盲”深截止紫外滤光片，用于滤除信号光波段的非深紫外光并通过信号光波段的深紫外光。

5、所述环形复合抛物面光学接收天线中，上反射部的下表面和下反射部的上表面均为抛物线绕n轴旋转一周后形成的抛物面，每个抛物面上镀有铝膜，上反射部对应抛物线的开口向下和下反射部对应抛物线的开口向上并且两条抛物线关于m轴对称，m轴和n轴的夹角为锐角，使得上反射部和下反射部之间形成开口向上的紫外波段信号接收腔。

6、所述多向发送天线包括多棱台结构体和led阵列；多棱台结构体固定安装在环形复合抛物面光学接收天线的顶面，多棱台结构体的侧面处固定安装有led阵列。

7、所述多棱台结构体中，2个或以上的侧面均安装有led阵列。

8、所述收发一体化光学天线为可移动状态。

9、所述环形复合抛物面光学接收天线的设计方法包括以下步骤：

10、1)根据环形复合抛物面光学接收天线的主接收视场角度确定m轴和n轴的夹角φ；

11、2)根据“日盲”深截止紫外滤光片的半径为d2，确定紫外波段信号接收腔的出口孔径bc，进而确定抛物线ab的方程，公式如下：

12、

13、其中，y(x)为横坐标x时的纵坐标值，θ0为接收半视场角；

14、3)将抛物线ab关于m轴对称后获得抛物线dc，再将抛物线ab和抛物线dc绕n轴旋转一周后，分别形成下反射部的上表面和上反射部的下表面。

15、所述1)中，主接收视场角度与m轴和n轴的夹角φ互余。

16、二、一种全向紫外通信装置

17、所述全向紫外通信装置包括所述的紫外光通信收发一体化天线以及安装在紫外光通信收发一体化天线的下反射部中的紫外探测器，其中每个在紫外光通信收发一体化光学天线作为发射天线或者接收天线。

18、本发明的技术效果是：

19、本发明的收发一体化紫外光通信光学天线采用环形复合抛物面的结构增大了天线的接收视场，采用多棱台多面led阵列扩大了信号光的覆盖范围，实现了方位角范围上的全向信号收发。在非直视链路通信中每一个节点仅需部署单个紫外光通信收发一体化天线，不需要伺服对准系统，就可以实现不同视场上全方位信号光的发送和接收。接收天线反射面所电镀的铝膜对深紫外的反射率非常高，可以增强对信号光的集光率。发送天线侧面的led阵列可以尽可能的将信号光布满周身范围。最后，接收天线的接收光经过“日盲”深截止紫外滤光片后被接收机的紫外探测器接收，接收天线有助于扩大通信链路的距离，也可以增大信号的信噪比，最终实现非直视链路上的全向接收。

技术特征：

1.一种紫外光通信收发一体化天线，其特征在于，包括环形复合抛物面光学接收天线和多向发送天线，多向发送天线安装在环形复合抛物面光学接收天线上，其中所述环形复合抛物面光学接收天线包含上反射部(1)、下反射部(2)和连接支架(6)，上反射部和下反射部之间通过连接支架连接并且上反射部和下反射部之间间隔布置，所述下反射部的中心开设有通孔并且该通孔处固定安装有“日盲”深截止紫外滤光片(3)，用于滤除信号光波段的非深紫外光并通过信号光波段的深紫外光。

2.根据权利要求1所述的一种紫外光通信收发一体化天线，其特征在于，所述环形复合抛物面光学接收天线中，上反射部的下表面和下反射部的上表面均为抛物线绕n轴旋转一周后形成的抛物面，每个抛物面上镀有铝膜，上反射部对应抛物线的开口向下和下反射部对应抛物线的开口向上并且两条抛物线关于m轴对称，m轴和n轴的夹角为锐角，使得上反射部和下反射部之间形成开口向上的紫外波段信号接收腔。

3.根据权利要求1所述的一种紫外光通信收发一体化天线，其特征在于，所述多向发送天线包括多棱台结构体(4)和led阵列(5)；多棱台结构体(4)固定安装在环形复合抛物面光学接收天线的顶面，多棱台结构体(4)的侧面处固定安装有led阵列(5)。

4.根据权利要求3所述的一种紫外光通信收发一体化天线，其特征在于，所述多棱台结构体(4)中，2个或以上的侧面均安装有led阵列(5)。

5.根据权利要求1所述的一种紫外光通信收发一体化天线，其特征在于，所述收发一体化光学天线为可移动状态。

6.根据权利要求2所述的一种紫外光通信收发一体化天线，其特征在于，所述环形复合抛物面光学接收天线的设计方法包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种紫外光通信收发一体化天线，其特征在于，所述1)中，主接收视场角度与m轴和n轴的夹角φ互余。

8.一种全向紫外通信装置，其特征在于，包括权利要求1所述的紫外光通信收发一体化天线以及安装在紫外光通信收发一体化天线的下反射部中的紫外探测器，其中每个在紫外光通信收发一体化光学天线作为发射天线或者接收天线。

技术总结
本发明公开了一种紫外光通信收发一体化天线及全向紫外通信装置。包括环形复合抛物面光学接收天线和多向发送天线，多向发送天线安装在接收天线上，其中接收天线包含上反射部、下反射部和连接支架，上反射部和下反射部之间通过连接支架连接并且上反射部和下反射部之间间隔布置，下反射部的中心开设有通孔并且该通孔处固定安装有“日盲”深截止紫外滤光片，用于滤除信号光波段外的光线并通过信号光波段的深紫外光。本发明提出的接收天线的接收光经过“日盲”深截止紫外滤光片后被接收机的紫外探测器接收，接收天线有助于扩大通信链路的距离，也可以增大信号的信噪比，最终实现非直视链路上的全向接收。

技术研发人员：高士明,李田焰,徐怡宁
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/2