CN109600166B - 双向Li-Fi系统终端光学优化结构及优化方法 - Google Patents

双向Li-Fi系统终端光学优化结构及优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双向Li‑Fi系统终端光学优化结构，包括主动端和被动端，主动端包括第一平凸柱面透镜和LED光源，被动端固定于LED光源的照明区域内，第一平凸柱面透镜的后侧还设置有第一PIN光电探测器，且第一PIN光电探测器远离被动端，LED光源发射光束对被动端进行询问，第一PIN光电探测器对被动端逆向反射光进行探测接收，被动端包括第二PIN光电探测器和压电陶瓷片，压电陶瓷片与第一平凸柱面透镜之间还设置有第二平凸柱面透镜，压电陶瓷片和第二平凸柱面透镜组成离焦调制结构、对入射光信号进行调制并逆向发射回主动端，本发明还公开了一种双向Li‑Fi系统终端光学优化方法，能有效地减少双向Li‑Fi系统的上下行链路之间的干扰。

Description

双向Li-Fi系统终端光学优化结构及优化方法
技术领域
本发明属于LED可见光通信技术领域，涉及一种双向Li-Fi系统终端光学优化结构，还涉及一种双向Li-Fi系统终端光学优化方法。
背景技术
VLC(Visible Light Communication)作为一种室内通信系统，利用LED(白色发光二极管)的高频闪烁特性进行信息传输，具备了通信和照明的双重作用，也称为“Li-Fi”(Light Fidelity)技术，是一种绿色、高效、节能的新一代通信方式，为下一代自由空间无线光通信的无缝衔接提供了技术支撑。Li-Fi系统不仅用于室内区域，还可用于飞机、医院、水下等一些使用无线信号受限的区域。由于LED 光源的不可穿透性，因此在进行室内广播时，具有保密性强的优点。
被动式调制Li-Fi系统需要一个主动端和一个被动端，主动端放置于天花板上，将信息加载到LED的光源上，利用光源进行信息传播，被动端则位于电脑，手机等移动通信设备。主动端和被动端均可实现信号的调制与解调。
在VLC研究中，波士顿大学的TDC Little等提出了Wi-Fi与可见光广播系统相融合的方案；复旦大学迟楠组以RGB 3色作为LED 中红绿2个通道作为下行，蓝色作为上行的波分双工VLC系统；意大利比萨圣安娜高等院校的Cossu等展示了一种可见光与850nm波段红外光共同组成的双向400Mb/s点对点链路；北京大学郑重等人提出了采用1550nm的激光作为可见光的上行链路的方法；西安理工大学柯熙政提出了一种被动调制的室内可见光上行链路的通信系统，它是一种上下行链路之间相互独立，不需要额外的光源就可以实现全光链路的双工通信，即指的是被动端在接收到主动端所发出光信号的同时，利用猫眼被动调制器将上行链路信号调制加载到逆向反射光束上。这种调制方式所需设备的复杂度虽然不高，但对光学对准要求较高，且只能实现点对点的收发。
因此，如何增强Li-Fi结构的可适用性，扩大被动端设备的可移动范围，加快推进可见光通信的应用进程，成为了双向Li-Fi系统需要解决的一个问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种双向Li-Fi系统终端光学优化结构，能有效地减少双向Li-Fi系统的上下行链路之间的干扰。
本发明的另一个目的是提供一种双向Li-Fi系统终端光学优化方法。
本发明所采用的技术方案是：一种双向Li-Fi系统终端光学优化结构，包括主动端和被动端，主动端包括第一平凸柱面透镜和LED 光源，被动端固定于LED光源的照明区域内，第一平凸柱面透镜的后侧还设置有第一PIN光电探测器，且第一PIN光电探测器远离被动端，LED光源发射光束对所述被动端进行询问，第一PIN光电探测器对被动端逆向反射光进行探测接收，被动端包括第二PIN光电探测器和压电陶瓷片，压电陶瓷片与第一平凸柱面透镜之间还设置有第二平凸柱面透镜，压电陶瓷片和第二平凸柱面透镜组成离焦调制结构、对入射光信号进行调制并逆向发射回主动端。
本发明的特点还在于，
压电陶瓷片与第二PIN光电探测器并列位于第二平凸柱面透镜的光线汇聚处，且压电陶瓷片与第二PIN光电探测器的距离为 45-50mm。
第一平凸柱面透镜与第一PIN光电探测器之间的距离为4-5mm。
第一平凸柱面透镜和第二平凸柱面透镜的材质均为熔融石英 JGS1。
本发明所采用的另一个技术方案是：双向Li-Fi系统终端光学优化方法，基于权利要求1所述的双向Li-Fi系统终端光学优化结构，具体包括以下步骤：
步骤1：给LED光源供电，LED光源发射光束对被动端进行询问；
步骤2：LED光源发射的光束经过所述第二平凸柱面透镜后汇聚成一条光线b，将压电陶瓷片与第二PIN光电探测器并列放在光线b 上，第二PIN光电探测器接收到光信号并对光信号进行光电转换；
步骤3：接通压电陶瓷片的电源，压电陶瓷片接收到光信号并对光信号进行调制，调制后的光信号逆向返回到主动端；
步骤4：压电陶瓷片调制后的光信号经过第一平凸柱面透镜，在距离第一平凸柱面透镜4-5mm的位置形成一条光线a，然后将第一PIN光电探测器放在光线a上，第一PIN光电探测器即可对光信号进行探测。
本发明的特点还在于，
步骤2中压电陶瓷片与第二PIN光电探测器的距离为45-50mm。
步骤2中的第二平凸柱面透镜与所述步骤4中的第一平凸柱面透镜的材质均为熔融石英JGS1。
本发明的有益效果是：本发明一种双向Li-Fi系统终端光学优化结构，有效地减少双向Li-Fi系统的上下行链路之间的干扰，使其轻巧便携，节约成本；本发明一种双向Li-Fi系统终端光学优化方法，在下行链路中，被动端利用平凸柱面透镜将LED所发出的光源分成两束，一束用于下行链路的光电检测，另一束信号用于上行链路的光信号的发送，这种新型的被动调制器，不但可以简化上行链路的发射机制，还在原有的基础上更有效地减小被动端设备体积，降低系统复杂程度，有利于其的应用推广；同时本发明在主、被动端使用平凸柱面透镜，使用户可以灵活移动，避免了建立上行链路时，被动端与主动端的对准。
附图说明
图1是本发明一种双向Li-Fi系统终端光学优化结构的示意图；
图2是本发明一种双向Li-Fi系统终端光学优化结构中平凸柱面透镜构造的被动调制系统结构示意图；
图3为本发明一种双向Li-Fi系统终端光学优化结构的平凸柱面透镜的焦距仿真图；
图中，1.第一PIN光电探测器，2.LED光源，3.第一平凸柱面透镜，4.第二平凸柱面透镜，5.压电陶瓷片，6.第二PIN光电探测器，7.主动端，8.被动端，9.光线a，10.光线b。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明双向Li-Fi系统终端光学优化结构，如图1、图2所示，包括主动端7和被动端8，主动端7包括第一平凸柱面透镜3和LED 光源2，被动端8固定于LED光源2的照明区域内，第一平凸柱面透镜3的后侧还设置有第一PIN光电探测器1，且第一PIN光电探测器1远离被动端8，LED光源2发射光束对被动端8进行询问，第一PIN光电探测器1对被动端8逆向反射光进行探测接收，被动端8 包括第二PIN光电探测器6和压电陶瓷片5，压电陶瓷片5与第一平凸柱面透镜3之间还设置有第二平凸柱面透镜4，压电陶瓷片5和第二平凸柱面透镜4组成离焦调制结构、对入射光信号进行调制并逆向发射回所述主动端7；所述压电陶瓷片5与第二PIN光电探测器6并列位于第二平凸柱面透镜4的光线汇聚处，且压电陶瓷片5与第二 PIN光电探测器6的距离为45-50mm；第一平凸柱面透镜3与第一 PIN光电探测器1之间的距离为4-5mm。
第一平凸柱面透镜3和第二平凸柱面透镜4的材质均为熔融石英 JGS1。
双向Li-Fi系统终端光学优化方法，基于上述双向Li-Fi系统终端光学优化结构，包括以下步骤：
步骤1：给所述LED光源2供电，LED光源2发射光束对被动端8进行询问；
步骤2：LED光源2发射的光束经过所述第二平凸柱面透镜4后汇聚成一条光线b10，将压电陶瓷片5与第二PIN光电探测器6并列放在所述光线b10上，第二PIN光电探测器6接收到光信号并对光信号进行光电转换，其中压电陶瓷片5与第二PIN光电探测器6的距离为45-50mm；
步骤3：接通压电陶瓷片5的电源，压电陶瓷片5接收到光信号并对光信号进行调制，调制后的光信号逆向返回到主动端7；
步骤4：压电陶瓷片5调制后的光信号经过第一平凸柱面透镜3，在与第一平凸柱面透镜3距离为4-5mm的位置形成一条光线a9，然后将第一PIN光电探测器1放在光线a9上，第一PIN光电探测器1 即可对上行光信号进行探测。
其中的第二平凸柱面透镜4与步骤4中的第一平凸柱面透镜3的材质均为熔融石英JGS1。
本发明的工作原理如下：如图3所示，当主动端7中的LED光源2发出一束光时，在被动端8通过第二平凸柱面透镜4将LED光源聚焦成一条光线b，压电陶瓷片5和第二PIN光电探测器6并列放置在这条光线b上，反射光束的同时能够将上行链路的信号加载在该反射光束上，第一PIN光电探测器1放置在主动端的第一平凸柱面透镜3所形成的一条光线a上进行检测，实现上行链路信号的接收。
通过上述方式，在双向Li-Fi系统终端光学优化结构的被动端8，第二平凸柱面透镜4和压电陶瓷片5组成离焦调制结构，避免了使用多个凸透镜的复杂，减轻了设备的重量；在主动端7采用第一平凸柱面透镜3，只需第一PIN光电探测器1在平凸柱面透镜3聚焦的这条光线上，就能进行光电检测，减少了信号之间的干扰，增强的用户移动的灵活性，避免了收发终端的对准；同时本发明能够使可见光通信系统节约安装空间，有利于商业推广。

Claims (4)

1.双向Li-Fi系统终端光学优化结构，其特征在于，包括主动端(7)和被动端(8)，所述主动端(7)包括第一平凸柱面透镜(3)和LED光源(2)，所述被动端(8)固定于LED光源(2)的照明区域内，所述第一平凸柱面透镜(3)的后侧还设置有第一PIN光电探测器(1)，且所述第一PIN光电探测器(1)远离所述被动端(8)，所述LED光源(2)发射光束对所述被动端(8)进行询问，所述第一PIN光电探测器(1)对被动端(8)逆向反射光进行探测接收，所述被动端(8)包括第二PIN光电探测器(6)和压电陶瓷片(5)，所述压电陶瓷片(5)、第二PIN光电探测器(6)与所述第一平凸柱面透镜(3)之间还设置有第二平凸柱面透镜(4)，所述压电陶瓷片(5)和第二平凸柱面透镜(4)组成离焦调制结构、对入射光信号进行调制并逆向发射回所述主动端(7)；
所述压电陶瓷片(5)与所述第二PIN光电探测器(6)并列位于所述第二平凸柱面透镜(4)的光线汇聚处，且所述压电陶瓷片(5)与所述第二PIN光电探测器(6)的距离为45-50mm；
第一平凸柱面透镜(3)和所述第二平凸柱面透镜(4)的材质均为熔融石英JGS1。
2.根据权利要求1所述的双向Li-Fi系统终端光学优化结构，其特征在于，所述第一平凸柱面透镜(3)与所述第一PIN光电探测器(1)之间的距离为4-5mm。
3.双向Li-Fi系统终端光学优化方法，其特征在于，基于权利要求1所述的双向LI-FI系统终端光学优化结构，具体包括以下步骤：
步骤1：给所述LED光源(2)供电，LED光源(2)发射光束对被动端(8)进行询问；
步骤2：LED光源(2)发射的光束经过所述第二平凸柱面透镜(4)后汇聚成一条光线b(10)，将所述压电陶瓷片(5)与所述第二PIN光电探测器(6)并列放在所述光线b(10)上，第二PIN光电探测器(6)接收到光信号并对光信号进行光电转换；
步骤3：接通所述压电陶瓷片(5)的电源，压电陶瓷片(5)接收到光信号并对光信号进行调制，调制后的光信号逆向返回到所述主动端(7)；
步骤4：所述压电陶瓷片(5)调制后的光信号经过所述第一平凸柱面透镜(3)，在距离所述第一平凸柱面透镜(3)4-5mm的位置形成一条光线a(9)，然后将所述第一PIN光电探测器(1)放在所述光线a(9)上，第一PIN光电探测器(1)即可对光信号进行探测；
所述步骤2中压电陶瓷片(5)与第二PIN光电探测器(6)的距离为45-50mm。
4.根据权利要求3所述的双向Li-Fi系统终端光学优化方法，其特征在于，所述步骤2中的第二平凸柱面透镜(4)与所述步骤4中的第一平凸柱面透镜(3)的材质均为熔融石英JGS1。
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