CN106067841A - 基于复眼结构的自适应可见光接收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复眼结构的自适应可见光接收系统，涉及可见光通信领域的接收技术。本系统包括依次连通的自适应复眼子系统（10）、自适应变焦子系统（20）、光电探测器（30）和电路子系统（40）；所述的自适应复眼子系统（10）包括基底（11）、复眼透镜阵列（12）、传输光纤（13）和控制器（14；）在基底（11）上设置有复眼透镜阵列（12），复眼透镜阵列（12）、传输光纤（13）和控制器（14）依次连接；所述的自适应变焦子系统（20）包括套管（21）和透镜组（22）；套管（21）包裹透镜组（22）。本发明适用于室内、室外可见光通信场所，该接收系统可检测微弱光信号，灵敏度较高，抗干扰能力较强。

Description

基于复眼结构的自适应可见光接收系统

技术领域

本发明涉及可见光通信领域的接收技术，尤其涉及一种基于复眼结构的自适应可见光接收系统；具体涉及一种曲面复眼结构和变焦光学结构，以及两者协同工作的光学接收系统。

背景技术

复眼是一种非常小巧而精密的光学结构，不同于现在常用的单孔径光学系统。生物复眼由很多小眼组成，紧密排列在一起。每一个小眼由角膜、晶椎、感杆束和感光细胞构成一个独立的光学系统。每个小眼对视场范围内的特点区域成像，所有小眼的图像拼接为一幅大视场的图像。这种复眼结构使其有较大的视野且灵敏度较高。人工复眼光学系统就是受昆虫复眼启发制作而成的具有高效率、大视场、体积小和分辨率高等特点的光学系统；常用的复眼结构分为重叠型和并列型。复眼结构及其光学系统在图像处理、高速摄像、机器人视觉及定位方面都有着广泛的应用。

随着可见光通信技术的发展，人们对接收机提出了类似无线通信中天线所具备的小型化、大视场和高增益等要求。在传统可见光通信接收系统中，用作光信息采集的透镜多为单孔径结构，其接收视角较小，效率低，而且系统的抗干扰能力差。对于多孔径接收结构，国内有几篇重叠型复眼结构的专利，包括180度大视场自由曲面复眼系统和中国科学院申请的一种复眼透镜等，05年美国伊利诺大学研究了球形重叠型复眼光学性能，但重叠型复眼的光学结构会比较复杂及成本较高。虽然并列型复眼结构已有较成熟的研究，但对于多种不同实际场景下的可见光接收系统无法得到较理想的接收效果。

经中国科学院武汉科技查新咨询检索中心查新(查新完成日期：2016年6月27日)

查新点：

1、自适应半球形复眼结构。通过控制系统根据实际应用场景自适应选择导通光纤的圈数，即视场角大小，能减少噪声干扰影响。

2、自适应调节视场角与焦距相结合的方法。利用焦距调节将经过视场角自适应调节之后的可见光信号能更集中、稳定投射在探测面上，从而能适应各种不同的应用场景。

查新结论，其主要创新点是：

1、适应半球形复眼结构。通过控制系统根据实际应用场景自适应选择导通光纤的圈数即视场角大小，能减少噪声干扰影响。

2、自适应调节视场角与焦距相结合的方法。利用焦距调节将经过视场角自适应调节之后的可见光信号能更集中、稳定投射在探测面上，从而能适应各种不同的应用场景。

经综合对比分析可知，该查新项目的创新点在国内相关文献中尚未发现相同报道。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在缺点和不足，提供一种基于复眼结构的自适应可见光接收系统；具体地是提供一种大视场、高增益的基于复眼结构的自适应可见光接收系统，其可以根据实际应用场景自适应控制接收机的视场角及焦距。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一、基于复眼结构的自适应可见光接收系统(简称系统)

本系统包括依次连通的自适应复眼子系统、自适应变焦子系统、光电探测器和电路子系统。

二、基于复眼结构的自适应可见光接收方法(简称方法)

本方法包括下列步骤：

①光信号进入微透镜阵列，经过与微透镜耦合的光纤传输至控制器；

②控制器根据接收光功率大小自适应调节光圈孔径大小，实现视场角自适应调节，并将信号传入变焦子系统中；

③变焦子系统通过调节透镜组之间的间距，自适应调节焦距大小，使光斑稳定投射在光电探测器上；

④光电探测器检测可见光信号并转换成电信号，传入电路子系统；

⑤电路子系统完成电信号的放大、滤波及数字信号处理。

本发明具有下列优点和积极效果：

①提供了一种应对实时场景变化的可见光通信技术方案；

②提供了一种应对通信链路实时变化的可靠通信技术方案；

③提供了一种缓解用户移动或遮挡对性能影响的可靠通信技术方案；

④适用于室内、室外可见光通信场所，该接收系统可检测微弱光信号，灵敏度较高，抗干扰能力较强。

附图说明

图1为本系统的结构示意图；

图2为微透镜与光纤结合示意图；

图3为光圈叶片示意图；

图4为变焦光学子系统光线追迹示意图；

图5是本方法的工作流程图。

图中：

10—自适应复眼子系统，

11—基底，12—透镜阵列，

13—光纤，14—控制器；

20—自适应变焦光学子系统，

21—套管，

22—透镜组，

221—前固定组，222—第1变倍组，223—第2变倍组，

224—补偿组，225—后固定组；

30—光电探测器；

40—电路子系统。

具体实施方法

下面结合附图详细说明。

一、系统

1、总体

如图1，本系统包括依次连通的自适应复眼子系统10、自适应变焦子系统20、光电探测器30和电路子系统40；

2、功能块

1)自适应复眼子系统10

自适应复眼子系统10包括基底11、复眼透镜阵列12、传输光纤13和控制器14；在基底11上设置有复眼透镜阵列12，复眼透镜阵列12、传输光纤13和控制器14依次连接。

(1)基底11

基底是一种半球形的塑料支架，其上设置有呈同心圆阵列的小孔，用于安装透镜。

(2)复眼透镜阵列12

复眼透镜阵列12是一种由若干透镜组成的安装在基底11上的阵列。

(3)传输光纤13

传输光纤13是一种通用件。

(4)控制器14

控制器14是一种自适应控制器，由呈同心圆孔阵列的圆盘及圆盘表面上的塑胶光圈叶片组成，采用ALTERA公司生产的数字信号控制芯片EP4CE15F23C8，通过电机控制光圈叶片开关，达到调节光圈孔径的目的。

所述控制器14根据所设置的多个光信号功率阈值，自适应地调节光圈孔径大小；当光照较强时，适当减小光圈接收孔径(减小接收视场角)，能保证通信需求的同时减少了外界噪声的干扰；当光照较弱时，适当增大光圈接收孔径(增大接收视场角)，尽可能增加接收光功率以满足通信需求；从而能够大大减少噪声干扰及提高接收效率；光信号经过控制器后，进入自适应变焦子系统20。

本控制器14的技术方案可参考：光圈孔径调节机构(申请日2003-01-28，申请号03102213.8，公开号1437062)

2)自适应变焦子系统20

自适应变焦子系统20包括套管21和透镜组22；套管包裹透镜组以防光线外漏；

(1)套管21

套管21是一个通用件。

(2)透镜组22

透镜组22是一种自适应变焦的光学组件，由依次连通的前固定组221、第1变倍组222、第2变倍组223、补偿组224和后固定组225组成，利用其之间距离的变化来调节焦距。

所述自适应变焦子系统20由三组透镜组成，前后一组透镜固定，中间包含变倍组和补偿组透镜可以在电机的控制下在轨道上自由移动，从而能自适应地控制焦距的大小；光信号经过自适应变焦子系统20后进入光电探测器30。

本自适应变焦子系统20的技术方案可参考：一种自适应变焦系统及方法(申请日2014-11-27，申请号201410699083.8，公开号104330882A)。

3)光电探测器30

光电探测器30采用日本滨松公司生成的S6968型PIN光电二极管。

所述光电探测器检测到光信号并转换成电信号后，再由电路子系统40经过放大滤波电路，最后信号在控制芯片中实现数字信号的处理。

4)电路子系统40

电路子系统40包括信号放大电路、滤波电路及数字信号处理部分，数字信号处理部分采用上述的数字信号控制芯片实现信号的处理。

3、工作机理：

可见光信号进入安装在基底11上的复眼透镜阵列12，阵列中的每个微透镜连接传输光纤13并将光信号传入控制器14，控制器14根据所设多个光功率阈值自适应调节光圈叶片的孔径即视场角大小；套管21中的光学透镜组22能根据实际场景自适应调节焦距大小，光电探测器30将接收到的光信号转换成电信号，最后在电路子系统40中进行处理。

1、图2为本发明微透镜与光纤结合示意图，D为微透镜口径，n₀、n_L、n₁、n₂分别为空气、透镜、纤芯和包层的折射率；透镜前后的曲率半径分别为r₁和r₂；根据光纤数值孔径、透镜口径等参数，结合SNELL定律可得出透镜的焦距和曲率半径，从而确定微透镜形状。

由下式可得透镜中光线的最大入射角θ_0.max所满足的关系式：

${\mathrm{sin\θ}}_{0.max}=\frac{n_1}{n_L}{\mathrm{sin\θ}}_1=\frac{1}{n_L}{(n_1^2-n_2^2)}^{1/2}---\left(1\right)$

$f=\frac{n_1}{\frac{n_L-n_0}{r_1}-\frac{n_L-n_1}{r_2}}---\left(2\right)$

经过计算可得到微透镜焦距f和曲率半径r₁之间的关系，当透镜材料选定时，焦距和曲率半径呈线性关系。

2、图3为光圈叶片示意图，由同心圆孔阵列的圆盘及圆盘表面上的塑胶光圈叶片组成，采用ALTERA公司生产的数字信号控制芯片EP4CE15F23C8，根据检测到的光功率大小，通过电机控制光圈叶片开关，达到调节光圈孔径的目的。

3、图4为本发明变焦光学系统光线追迹图，包括前固定组221、后固定组225，第1变倍组222和第2变倍组223距离相对固定，通过前后移动可以改变系统的焦距；补偿组224通过前后移动来补偿像面的位移，来保证当变倍组移动时探测面的稳定性，使光斑稳定投射在光电探测器上。

二、方法

如图5，其工作流程是：

①光信号进入微透镜阵列，经过与微透镜耦合的光纤传输至控制器-501；

②控制器根据接收光功率大小自适应调节光圈孔径大小，实现视场角自适应调节，并将信号传入变焦子系统中-502；

③变焦子系统通过调节透镜组之间的间距，自适应调节焦距大小，使光斑稳定投射在光电探测器上-503；

④光电探测器检测可见光信号并转换成电信号，传入电路子系统-504；

⑤电路子系统完成电信号的放大、滤波及数字信号处理-505。

Claims (4)

1.一种基于复眼结构的自适应可见光接收系统，其特征在于：

包括依次连通的自适应复眼子系统（10）、自适应变焦子系统（20）、光电探测器（30）和电路子系统（40）。

2.按权利要求1所述的自适应可见光接收系统，其特征在于：

所述的自适应复眼子系统（10）包括基底（11）、复眼透镜阵列（12）、传输光纤（13）和控制器（14；）在基底（11）上设置有复眼透镜阵列（12），复眼透镜阵列（12）、传输光纤（13）和控制器（14）依次连接；

所述的控制器（14）是一种自适应控制器，由呈同心圆孔阵列的圆盘及圆盘表面上的塑胶光圈叶片组成，采用ALTERA公司生产的数字信号控制芯片EP4CE15F23C8，通过电机控制光圈叶片开关，达到调节光圈孔径的目的。

3.按权利要求1所述的自适应可见光接收系统，其特征在于：

所述的自适应变焦子系统（20）包括套管（21）和透镜组（22）；套管（21）包裹透镜组（22）；

透镜组（22）是一种自适应变焦的光学组件，由依次连通的前固定组（221）、第1变倍组（222）、第2变倍组（223）、补偿组（224）和后固定组（225）组成。

4.基于权利要求1-3所述自适应可见光接收系统的自适应可见光接收方法，其特征在于包括下列步骤：

①光信号进入微透镜阵列，经过与微透镜耦合的光纤传输至控制器（501）；

②控制器根据接收光功率大小自适应调节光圈孔径大小，实现视场角自适应调节，并将信号传入变焦子系统中（502）；

③变焦子系统通过调节透镜组之间的间距，自适应调节焦距大小，使光斑稳定投射在光电探测器上（503）；

④光电探测器检测可见光信号并转换成电信号，传入电路子系统（504）；

⑤电路子系统完成电信号的放大、滤波及数字信号处理（505）。