CN106788728B - 强光干扰下的光信号检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强光干扰下的光信号检测方法，通过借助光衰减模块的使用，来提高光电检测器响应光功率的线性范围，进而提高发端信号的调制深度，从而提高通信系统的通信速率和可靠性；同时可以在强光干扰下，可以有效避免阵列信号的完全饱和，通过在探测器前端使用光衰减模块，这样就会保证阵列探测器单元中部分或全部单元输出信号带有有用信息的信号，进行后级检测，从而提高在强光干扰下宽光谱无线光通信的光环境适应性和动态鲁棒性。

Description

强光干扰下的光信号检测方法
技术领域
本发明涉及无线光通信技术领域，尤其涉及一种强光干扰下的光信号检测方法。
背景技术
可见光技术是一种采用可见光作为光源，以光探测器(PD、APD、PMT等)作为接收端和大气作为信道，将发送信号调制在可见光上的一种通信技术。目前随着LED照明技术和可见光通信技术的发展，可见光在保证照明的同时，又可以提供通信服务功能，使得可见光通信技术可以实现照明通信一体化。
相比于传统的无线通信，可见光通信具有高带宽高速率的优点，由于可见光的方向性好，因此它具有很好的保密特性。另外可见光通信不受电磁干扰的影响，因此可以在一些电磁受限区域使用。但是，目前由于现有光学器件带宽的限制，使得可见光通信还无法发挥它的高带宽高速率的优点。另外一方面，现有可见光通信调制技术大多是基于强度维度上，大多数光电检测器在强光干扰的环境下，容易饱和，这对于光探测器接收信号以及后级信号的处理都是一种挑战。
在现有的无线光通信系统中，不同波段的滤光片经常被用来提高系统的稳定性和可靠性，并减轻系统中的干扰问题。作为可见光通信的一个重要分支，光学摄像头通信(OCC)经常会受到环境中的强光干扰。
鉴于此，有必要针对强光干扰下的光信号检测方案进行深入研究，以提高光通信的光环境适应性和动态鲁棒性。
发明内容
本发明的目的是提供一种强光干扰下的光信号检测方法，可以提高在强光干扰下宽光谱无线光通信的光环境适应性和动态鲁棒性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种强光干扰下的光信号检测方法，包括：
在阵列光探测器的前端设置光衰减模块，以此来提高阵列光探测器响应光功率的线性范围；
当进行光信号检测时，若存在超过预定值的强光干扰时，在光衰减模块的作用下，使阵列光探测器中的部分或全部探测单元输出带有有用信息的信号，然后再进行后级处理。
所述光信号检测检测的光波段包括：可见光波段、红色光波段与紫外光波段。
所述阵列光探测器包括：PD、APD和PMT阵列光探测器。
所述光衰减模块包括：可变系数衰减片，以及具有渐变孔径尺寸或渐变微孔密度的微孔阵列板。
所述微孔阵列板的材质为二氧化硅玻璃或者亚克力，表面涂覆有黑色亚光漆；单个微孔直径在50微米与1毫米范围之内变化。
所述后级处理包括：
如果阵列光探测器为PD阵列光探测器，则对被光衰减模块覆盖的图像区域进行提取和区域分割，根据光衰减模块的衰减系数与图像灰度的变化关系，设定不同的图像灰度门限进行信号提取，同时根据不同光衰减模块的衰减系数下数据单元之间的相关关系进行信号检测分析，最后获取有用的数据单元。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过借助光衰减模块的使用，可以有效提高光电检测器响应光功率的线性范围，进而提高发端信号的调制深度，从而提高通信系统的通信速率和可靠性；同时可以在强光干扰下，可以有效避免阵列信号的完全饱和，通过在探测器前端使用光衰减模块，这样就会保证阵列探测器单元中部分或全部单元输出信号带有有用信息的信号，进行后级检测，从而提高在强光干扰下宽光谱无线光通信的光环境适应性和动态鲁棒性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种强光干扰下的光信号检测方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的光谱波长分布示意图；
图3为本发明实施例提供的梯度可变系数可见光衰减片的示意图；
图4为本发明实施例提供的采用梯度可变系数衰减片作为辅助器件，测量在发端信号电压一定的情况下，图像灰度值和衰减系数的关系示意图；
图5为本发明实施例提供的微孔阵列板的示意图；
图6为本发明实施例提供的基于微孔阵列板的光通信过程示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种强光干扰下的光信号检测方法，如图1所示，其主要包括：
步骤11、在阵列光探测器的前端设置光衰减模块，以此来提高阵列光探测器响应光功率的线性范围。
步骤12、当进行光信号检测时，若存在超过预定值的强光干扰时，在光衰减模块的作用下，使阵列光探测器中的部分或全部探测单元输出带有有用信息的信号，然后再进行后级处理。
本发明实施例中，所述光信号检测检测的光波段包括，如图2所示的，可见光波段、红色光波段与紫外光波段。
本发明实施例中，阵列光探测器作为光接收端，在相对应光发送端中，存在电信号到光信号的一个转换，因此在一定的电功率变化范围内，可以通过调制电信号来控制可见光的光强的变化来达到调制信号的目的。
目前的阵列光探测器主要包括：PD、APD和PMT阵列光探测器等。由于受限于现有光探测器自身带宽的限制，可见光通信系统无法充分发挥其自身高带宽的优势。另外一方面，经过实验的测试发现，光探测器响应光功率的线性范围很有限，容易进入饱和区。
本发明实施例中，通过在阵列光探测器前端设置光衰减模块，以此来提高阵列光探测器响应光功率的线性范围。所述光衰减模块包括：可变系数衰减片，以及具有渐变孔径尺寸或渐变微孔密度的微孔阵列板。
本发明实施例中，采用阵列光探测器可以有效提高系统的鲁棒性和容量。阵列光探测器和单个光探测器一样会遭遇环境强光干扰导致的饱和问题。采用光衰减模块可以有效解决光饱和问题。为了进一步提高整个通信系统的抗强光环境干扰问题，可以采用光衰减模块来提高阵列探测器后级信号的多样性，确保在不同强度的光强干扰下，都可以确保阵列探测器至少部分单元输出带有有用信息的信号，然后进行后级检测。例如，图像传感器就是一个天然的PD阵列探测器，同时现有基于传感器的可见光通信的应用场景很丰富，例如基于交通灯的驾驶辅助系统，隐式通信等。但是现有的基于传感器的可见光通信系统受限于现有的摄像头的帧速率限制，通信速率很有限。另外一方面，图像传感器受限于每个PD的响应光功率能力以及其自身数字信号处理的量化灰度水平，使得现有图像传感器特别容易受到强光干扰。如果在图像传感器前端使用光衰减模块，在不同强光环境下，可以获得不同衰减系数下的图片灰度数据，对被光衰减模块覆盖的图像区域进行提取和区域分割，根据光衰减模块的衰减系数与图像灰度的变化关系，设定不同的图像灰度门限进行信号提取，同时根据不同光衰减模块的衰减系数下数据单元之间的相关关系进行信号检测分析，例如，根据不同衰减系数下的接收信号单元的强度分布以及信噪比空间规律分布，采用对应的信号检测和优化方法来获取有用的数据单元。
示例性的，如果设置可变系数衰减片来提高光探测器响应光功率变化的线性区。假如一个衰减系数为α的可见光衰减片，那么它可以将该处光功率衰减到原来的1/α，如果借助可变系统可见光衰减片的辅助，那么可以保证在大范围光功率变化范围的情况下，阵列光探测器都可以检测到信号的变化。因此，可以通过可变系数衰减片来提高光探测器响应光功率变化的线性区。可变系数衰减片包含了多个不同系数的衰减区域，例如梯度系数衰减片和线性系数可变衰减片等。如图3所示，为梯度可变系数可见光衰减片的示意图，梯度可变系数从左到右为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.8，1.0，2.0，3.0，4.0。
如图4所示，通过借助可变系数衰减片作为辅助设备，采用图像传感器作为阵列探测器。实验过程中，将可变系数衰减片放在发送端或贴在图像传感器表面均可，为了保证每个不同衰减系数所接收到的光功率相同，本实验采用了均匀的平面灯，该平面灯的直流偏置为6.5V，图4a～图4c分别提供了在直流电压为4.6V、6.1V和7.1V的情况下，平均灰度与衰减系数的变化关系。通过该图可以发现，通过使用可变系数可见光衰减片，可以保证在不同强度的光信号下，图像传感器所捕获的图片单元中部分或全部输出信号中带有有用信息的信号。在光强足够强的情况下，大多数不同系数衰减片下的输出信号中都可以获取有用信息；在光强较弱的情况下，少数系数衰减片下的输出信号包含有用信息，其他衰减系数较大的衰减片下的输出信号由于信噪比非常低，信号被淹没在噪声之中。
另外，光衰减模块也可以利用具有渐变孔径尺寸或渐变微孔密度的微孔阵列板来实现，如图5所示，通过设计微孔孔径大小与微孔密度的大小来改变透过微孔阵列板的光通量的大小，进而可以模拟可变系数衰减片的功能。因此从功能上可以起到可变系数衰减片的效果，从而保证在不同强度的光信号下，都能从位于微孔阵列后的光探测器阵列输出信号单元获取有用信息。如图6所示，光信号从LED光源(即光发送端)发出，可变密度的微孔阵列板可以让可见光通信链路在很大范围的环境光干扰下，其后端的阵列光探测器总有独立的探测器单元能有效输出信号。
此外，所述微孔阵列板的材质可以为二氧化硅玻璃或者亚克力，表面涂覆有黑色亚光漆；单个微孔直径可以在50微米与1毫米范围之内变化。
本发明实施例的上述方案，通过借助光衰减模块的使用，可以有效提高光电检测器响应光功率的线性范围，进而提高发端信号的调制深度，从而提高通信系统的通信速率和可靠性；同时可以在强光干扰下，可以有效避免阵列信号的完全饱和，通过在探测器前端使用光衰减模块，这样就会保证阵列探测器单元中部分或全部单元输出信号带有有用信息的信号，进行后级检测，从而提高在强光干扰下宽光谱无线光通信的光环境适应性和动态鲁棒性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种强光干扰下的光信号检测方法，其特征在于，包括：
在阵列光探测器的前端设置光衰减模块，以此来提高阵列光探测器响应光功率的线性范围；
当进行光信号检测时，若存在超过预定值的强光干扰时，在光衰减模块的作用下，使阵列光探测器中的部分或全部探测单元输出带有有用信息的信号，然后再进行后级处理；
其中，所述后级处理包括：如果阵列光探测器为PD阵列光探测器，则对被光衰减模块覆盖的图像区域进行提取和区域分割，根据光衰减模块的衰减系数与图像灰度的变化关系，设定不同的图像灰度门限进行信号提取，同时根据不同光衰减模块的衰减系数下数据单元之间的相关关系进行信号检测分析，最后获取有用的数据单元。
2.根据权利要求1所述的一种强光干扰下的光信号检测方法，其特征在于，所述光信号检测检测的光波段包括：可见光波段、红色光波段与紫外光波段。
3.根据权利要求1所述的一种强光干扰下的光信号检测方法，其特征在于，所述阵列光探测器包括：PD、APD和PMT阵列光探测器。
4.根据权利要求1所述的一种强光干扰下的光信号检测方法，其特征在于，所述光衰减模块包括：可变系数衰减片，以及具有渐变孔径尺寸或渐变微孔密度的微孔阵列板。
5.根据权利要求4所述的一种强光干扰下的光信号检测方法，其特征在于，所述微孔阵列板的材质为二氧化硅玻璃或者亚克力，表面涂覆有黑色亚光漆；单个微孔直径在50微米与1毫米范围之内变化。
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