CN104579496B - 室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法 - Google Patents
室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法，设计的目标是采用半球形透镜和光电管阵列，通过计算正方形光电管阵列的边长，实现具有目标视角的成像接收机。由于成像过程的复杂性，成像接收机的设计方法不同于一般的非成像接收机。本发明针对半球形透镜的成像特点，确定成像光斑在接收面的位置，从而计算出实现目标视角所需的光电管阵列接收面大小，完成成像接收机的设计。
Description
技术领域
本发明属于无线光通信技术领域，具体涉及一种基于半球形透镜的室内可见光通信系统中成像接收机设计方法。
背景技术
LED灯具有使用寿命长、节能、发光效率高等诸多优点，被广泛地用于室内照明，未来会逐步取代传统的荧光灯和白炽灯等，成为主流的室内照明器件。近来研究表明，LED器件在照明的同时，也可以进行高速的数字通信，且基于LED的室内可见光通信系统具有成本低、传输速率高、保密性好等优点，因此，被认为是一种重要的室内无线通信技术。室内可见光通信与现有的无线电通信相比，具有绿色环保，没有电磁辐射，频谱资源丰富等优势，此外，室内可见光通信特别适合应用在一些无线电设备禁止使用的场合，如飞机、医院等。
在光无线通信系统中，接收机可以分为非成像和成像两种接收机，成像接收机由光学成像器件和光电管阵列构成，是一种实现角度分集的有效手段，与非成像接收机相比，具有很大的性能优势。在室内可见光通信系统中，常常采用基于半球形透镜的成像接收机，这类接收机可以实现较大的视角和分集增益。接收机的视角是指接收机能够检测到的光线的最大的入射角度，视角在一定程度上可以影响通信系统的码间干扰、可达速率、背景噪声等因素，是通信系统的重要参数。实际应用中，光无线通信系统常常需要采用具有一定视角的接收机来提高通信系统的性能。
目前，成像接收机主要有三种实现方案，第一种方案由多个方向性非成像接收机组合在一起实现，这种方案可以实现分集增益，从而提高传输速率，但接收机结构比较复杂，体积比较大。第二种方案是基于标准相机技术，这种成像接收机具有较小的接收视角，接收机需对准光器件发送阵列才能实现比较好的接收性能，但在室内环境中，LED通常散布在整个房间来提供均匀的照明，因此，这种接收机不适合应用在室内可见光通信中。第三种方案由半球形透镜和位于其下方的光电管阵列组成，这种接收机可以实现成本低，可以提供较大的接收视角，非常适合应用在室内可见光通信系统中，已经引起了学术界广泛的研究兴趣。但是，由于半球形透镜成像过程的复杂性，尚无系统有效的方法实现基于半球形透镜成像接收机的设计。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种室内可见光通信系统中成像接收机设计的方法，采用在可见光通信系统中，通过计算光电管阵列接收面的尺寸，实现设计具有目标视角的成像接收机。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：根据实际工作要求选择半径为R，折射率为n的半球形透镜，将所述的半球形透镜的凸面朝下，光电管阵列所处的接收平面位于半球形透镜的下方，接收平面与半球形透镜的平面平行，并设定接收平面与半球形透镜平面的距离为d。
步骤二：将需要设计的成像接收机的视角大小表示为ψ，根据ψ、R、n和d，计算得到光电管阵列的尺寸，具体为：
步骤2.1)：假设一条光线到达透镜平面的a点，a点的横坐标表示为xa，光线的入射角度等于目标视角大小ψ，光线经过折射后进入透镜，其折射角度表示为α，则α＝arsin(sinψ/n)，光线在透镜中传输到达凸面的b点，b点的横坐标表示为xb，xb可由下式计算：
根据全反射定理，当时，光线可以折射出透镜，到达接收面的c点，c点的横坐标表示为xc，xc计算为：
其中Γ为中间变量，可以表示为：
将式(1)中xb的表达式代入式(2)，获得xc与xa的关系，记为xc＝f(xa)，将f(xa)关于xa求导，并令其等于零，对上述求导方程式化简获得化简后的结果记为g1(xa)＝0，其中g1(xa)可以表示为：
令xc＝f(xa)的极值点表示为x1，则x1的取值为方程g1(xa)＝0的根，由于g1(0)＜0且且g1(xa)在上单调递增，因此，给定计算精度Δ，x1的值可由二分法确定，具体步骤如下：
a、令β1＝R/(ncosα)，β2＝0；
b、令计算g1(x1)，如果g1(x1)＞0，则执行c，如果g1(x1)＜0，则执行d，如果g1(x1)＝0，则执行e；
c、令β1＝x1，如果|β1-β2|＜Δ，则执行e，反之，执行b；
d、令β2＝x1，如果|β1-β2|＜Δ，则执行e，反之，执行b；
e、输出x1的值。
步骤2.2)：将-x1的值带入式(2)中，计算f(-x1)的值，当光电管阵列为正方
形时，边长计算为：
L＝2f(-x1) (5)
当光电管为圆形时，直径计算为：
D＝2f(-x1) (6)。
步骤三：将步骤二计算获得的光电管阵列置于所述半球形透镜的正下方接收平面上，封装构成成像接收机。
所述的光电管接收阵列为边长L的正方形或者直径D的圆形。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明采用半球形透镜和光电管阵列设计成像接收机，填补了基于半球形透镜成像接收机设计方法的空白，与基于多个方向性非成像接收机和标准相机技术的成像接收机相比，具有实现成本低、体积小、易于封装和集成等优点，更合适在室内可见光通信系统中使用。
2)本发明采用直接计算正方形光电管阵列边长或者圆形光电管阵列的直径方式实现具有目标视角的成像接收机的设计，不需要通过反复试验观察接收机的信噪比确定接收机的视角，设计过程直接且简单。
3)本发明采用对半球形透镜成像过程建模分析的方法，充分考虑了基于半球形透镜的成像接收机的特点，设计出的接收机参数较精准。
附图说明
图1为本发明室内可见光通信系统中成像接收机的模型示意图；
图2为本发明三维坐标系下的成像接收机的原理图；
图3为本发明的设计流程图；
图4为本发明的成像接收机在不同入射角下的信噪比。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，室内成像可见光通信系统由LED阵列和成像接收机构成，LED阵列同时提供室内照明和数字通信，成像接收机用于光信号的检测，当到达接收端的光线的入射角小于接收视角时，光信号能够被接收端接收。成像接收机由半球形成像透镜和位于其正下方一定距离处的光电管阵列组成，在实际应用中，考虑到成本和制作工艺的方便，光电管阵列的接收面一般为正方形。
如图2所示，一条光线到达透镜平面的a点后，折射进入透镜到达凸面的b点，最后折射出透镜到达接收面的c点。所有经过透镜的光线在接收面形成了一个椭圆形的聚焦光斑，光电管阵列与光斑的相对位置决定了接收机能否接收到光信号，随着光线入射角的增大，在接收面上的成像光斑逐渐偏离光电管阵列的中心位置，当光斑完全移出光电管阵列时，接收机检测不到光信号。因此，通过分析对应目标视角的入射角度的光线在接收平面的位置，可以计算出光电管阵列尺寸。
如图3所示，本发明的室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法，包括以下步骤：
步骤一：根据实际工作要求选择半径为R＝2.5cm，折射率为n＝1.5的半球形透镜，设定光电管阵列与透镜的距离为d＝1.3R，将需要设计的成像接收机的光电管阵列设为正方形。
步骤二：将需要设计的成像接收机的视角设为ψ＝60°，根据ψ、R、n和d，计算得到正方形结构光电管阵列的边长，具体步骤为：
步骤2.1)：假设一条光线到达透镜平面的a点，a点的横坐标表示为xa，光线的入射角度等于60°，光线经过折射后进入透镜，其折射角度表示为α，则光线在透镜中传输到达凸面的b点，b点的横坐标表示为xb，xb可由下式计算：
根据全反射定理，当时，光线可以折射出透镜，到达接收面的c点，c点的横坐标表示为xc，xc可以计算为：
其中Γ为中间变量，可以表示为：
将式(1)中xb的表达式代入式(2)，获得xc与xa的关系，记为xc＝f(xa)，将f(xa)关于xa求导，并令其等于零，对上述求导方程式化简获得化简后的结果记
为g1(xa)＝0，其中g1(xa)可以表示为：
令xc＝f(xa)的极值点表示为x1，则x1的取值为方程g1(xa)＝0的根，由于g1(0)＜0且且g1(xa)在上单调递增，因此，给定计算精度Δ＝0.001R，x1的值可由二分法确定，具体步骤如下：
a、令β1＝R/(ncosα)，β2＝0；
b、令计算g1(x1)，如果g1(x1)＞0，则执行c，如果g1(x1)＜0，则执行d，如果g1(x1)＝0，则执行e；
c、令β1＝x1，如果|β1-β2|＜Δ，则执行e，反之，执行b；
d、令β2＝x1，如果|β1-β2|＜Δ，则执行e，反之，执行b；
e、输出x1的值；
通过计算，得到结果为x1＝0.485R。
步骤3.2)：将-x1的值带入式(2)中，计算f(-x1)的值，当光电管阵列为正方形时，边长计算为：
L＝2f(-x1)＝1.02R＝2.55cm (11)
步骤三：将步骤二计算获得的光电管阵列置于所述半球形透镜的正下方接收平面上，封装构成成像接收机。
同理，其他参数不变，设计d＝1.5R、ψ＝40°的成像接收机，得到光电管阵列边长L＝0.8R。
如图4所示，通过观察接收信噪比随入射角的变化关系，可以得出，参数为d＝1.3R，L＝1.02R的接收机的视角大小为60°；参数为d＝1.5R、L＝0.8R的成像接收机的视角大小为40°；因此，设计出的接收机的视角与需要实现的目标值相吻合，从而验证了成像接收机设计算法的有效性。
Claims (2)
1.一种室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：根据实际工作要求选择半径为R，折射率为n的半球形透镜，将所述的半球形透镜的凸面朝下，光电管阵列所处的接收平面位于半球形透镜的下方，接收平面与半球形透镜的平面平行，并设定接收平面与半球形透镜平面的距离为d；
步骤二：将需要设计的成像接收机的视角大小表示为ψ，根据ψ、R、n和d，计算得到光电管阵列的尺寸，具体为：
步骤2.1)：假设一条光线到达透镜平面的a点，a点的横坐标表示为xa，光线的入射角度等于目标视角大小ψ，光线经过折射后进入透镜，其折射角度表示为α，则α＝arsin(sinψ/n)，光线在透镜中传输到达凸面的b点，b点的横坐标表示为xb，xb可由下式计算：
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令xc＝f(xa)的极值点表示为x1，则x1的取值为方程g1(xa)＝0的根，由于g1(0)＜0且且g1(xa)在上单调递增，因此，给定计算精度Δ，x1的值可由二分法确定，具体步骤如下：
a、令β1＝R/(ncosα)，β2＝0；
b、令计算g1(x1)，如果g1(x1)＞0，则执行c，如果g1(x1)＜0，则执行d，如果g1(x1)＝0，则执行e；
c、令β1＝x1，如果|β1-β2|＜Δ，则执行e，反之，执行b；
d、令β2＝x1，如果|β1-β2|＜Δ，则执行e，反之，执行b；
e、输出x1的值；
步骤2.2)：将-x1的值带入式(2)中，计算f(-x1)的值，当光电管阵列为正方形时，边长计算为：
L＝2f(-x1) (5)
当光电管为圆形时，直径计算为：
D＝2f(-x1) (6)；
步骤三：将步骤二计算获得的光电管阵列置于所述半球形透镜的正下方接收平面上，封装构成成像接收机。
2.根据权利要求1所述的室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法，其特征在于，所述的光电管接收阵列为边长L的正方形或者直径D的圆形。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |