CN109639362B - 一种基于散射效应的多输入多输出光通信系统及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于散射效应的多输入多输出光通信系统，包括发射端和接收端，发射端包括光强调制器和光信号发送阵列，接收端包括第一准直器件、散射器件、第二准直器件、探测器，以及信号处理单元。其中，第一准直器件使光信号发送阵列内各信号发送区域光源所发出的其中一束光以固定角度入射到散射器件表面的不同部位。本发明通过将光信号发送阵列分成许多个不同信号发送区域，各区域内光源所发射的信号光在经过散射器件之后分别投射在探测器不同信号接收区域内的像素元，从而利用多个光源发出的调制光进行多路信号的并行传输。最终，通过将像素元所测数据代入到多个矩阵方程复原原始信号。该技术可在实现照明功能的同时实现大容量信号的传输。

Description

一种基于散射效应的多输入多输出光通信系统及通信方法

技术领域

本发明涉及一种基于散射效应的光通信系统及其信号发送与解码方法，属于光通信技术领域。

背景技术

可见光通讯(VLC，Visible Light Communication)，就是利用发光二极管(LED，Light Emitting Diode)照明的光线来实现有光照就能上网的新型高速数据传输技术。可见光通讯技术绿色低碳环保、能够实现几近零耗能的通信，也能够有效的避免信号泄露，能够快速的构建抗干扰、抗截获的安全信息空间。

目前全球大概有数百亿个灯具构成了照明网络，这些照明设备可以融合成一个非常庞大的可见光通信网络。预计再过四、五年，全球将有超多500亿台设备接入互联网，其中大部分将会使用无线网络，这会导致无线电频谱资源紧张，进而影响使用。而VLC使用光波而非传统的无线电波来进行通讯，同时VLC的带宽是无线电频谱的1000倍以上，可以解决频谱资源紧张的问题。

为了进一步提高可见光通信技术的信号传输容量，很多课题组尝试将多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)无线传输技术与可见光通信技术进行结合。MIMO是通信领域的一项重要技术突破，它能在不增加带宽与功率的情况下成倍地提高无线通信系统的容量。MIMO技术通过在不同的发射源发送独立的数据流以获得高速高容量数据传输，是新一代无线通信系统中的关键技术之一。

多输入多输出可见光通讯技术(VLC-MIMO)具有巨大的市场应用前景，但也存在一些问题。比如：(1)传统VLC-MIMO技术中不同信道采用不同的单一频率的信号光源，但这样的光源颜色单一，无法采用传统照明所用的白光光源。(2)有些VLC-MIMO技术虽然可以采用白光光源，但要求每个白光光源的频谱互有重叠但又不完全相同，这样有多少个信道就需要有多少个不同的光源或者滤波膜，从而提高了系统的成本。(3)还有些VLC-MIMO技术采用二维码技术进行信号编码，但二维码的编码规则复杂，因此对光源排列有特殊要求，而且信号发射光源只能采用点光源，而无法采用面光源，使人眼的舒适度降低。(4)还有一些课题组采用的技术中，光发射端需要精确控制光载波的波长、偏振态或入射光纤的传输模式，在光接收端需采用体积较大的探测器并放置特定的角度，或者采用复杂的解复用器将波长、偏振态、及传输模式分离开来以恢复传输数据，因此系统结构复杂、成本较高。为了克服以上缺点，我们提出了一种新型的基于散射效应的多输入多输出通信系统及其通信方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于散射效应的多输入多输出的光通信系统及其通信方法，该光通信系统可在实现照明功能的同时实现大容量信号传输，且结构简单、成本低廉。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于散射效应的多输入多输出光通信系统，包括光信号发射端和光信号接收端：

所述光信号发射端包括光强调制器和与之相连的光信号发送阵列，所述光信号发送阵列包括m×n个光源，其中每n个光源分布在一个信号发送区域内，所述光信号发送阵列共有m个信号发送区域，每个信号发送区域内的n个光源的光谱频段可以互相重叠但光谱又不完全相同，分属不同信号发送区域内的任意两个光源的光谱可以相同，所述光强调制器将m×n路信号分别调制至m×n个光源所发射的光载波上，生成相应的光调制信号，并在不同时刻调制出不同的信号，其中m、n为大于1的整数；

所述光信号接收端包括第一准直器件、散射器件、第二准直器件、探测器，以及与探测器连接的信号处理单元；所述第一准直器件位于散射器件之前，第一准直器件使得各信号发送区域内的光源所发出的一束光以固定角度分别入射到散射器件表面的不同部位，而将其它光滤除；所述散射器件可令信号发送区域各光源发出的信号光发生散射效应，使得不同频率相同强度的入射光经过散射器件的相同部位后所发射出的散射光具有不同的散射光强角分布，且相同频率相同强度的入射光经过散射器件的不同部位所发射出散射光的光强角分布也不同；所述探测器为具有相同频谱响应的至少m×n个光探测像素元所组成的阵列式探测芯片，阵列式探测芯片上至少有m个信号接收区域，其中任一信号接收区域内至少有n个光探测像素元，所述光探测像素元对入射到像素元感光面上的信号光有响应；所述第二准直器件位置在所述散射器件和探测器之间，第二准直器件可以令沿着从散射器件到探测器连线方向传输的光通过，而将沿其它方向传输的光滤除，并且可以使光信号发送阵列内不同信号发送区域所发射的信号光在经过散射器件之后，分别投射在探测器不同信号接收区域内的光探测像素元；所述信号处理单元对不同信号接收区域内的像素元所探测到的数据分别进行分析处理，最终通过信号处理单元进行数据分析处理，通过求解矩阵方程或线性方程组的方法解码得到光信号发射端所发出的信号。

优选地，所述第一准直器件包括前置入射光学组件、第一凸透镜、第一小孔光阑和第二凸透镜，各信号发送区域内的光源所发出的光射向所述前置入射光学组件后出射的其中一束光平行于第一凸透镜和第二凸透镜的主光轴，所述第一小孔光阑间隙设置于第一凸透镜和第二凸透镜之间的共同焦点处。

优选地，所述光信号接收端还包括设置于所述散射器件之前或之后的光波长转换部件，所述光波长转换部件包括波长转换层，所述波长转换层中包含至少一种波长转换光学材料，所述波长转换光学材料的部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范围，波长转换光学材料的发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内；所述波长转换光学材料为一切具有吸收一种波长的光，并发射其它不同波长光的特性的材料，或这些材料的组合。

优选地，所述第二准直器件包括第三凸透镜、第二小孔光阑和第四凸透镜，所述第二小孔光阑间隙设置于第三凸透镜和第四凸透镜之间的共同焦点处，所述第三凸透镜和第四凸透镜的主光轴重合。

优选地，所述散射器件包括透明基底及分布在透明基底表面或者内部的散射粒子，散射粒子的大小、形状或分布在散射器件中为不均匀设置。

优选地，所述散射器件中的散射粒子为银粒子，所述散射器件的制备方法如下：

S1：将体积为50m1浓度为1.0×10^-2mol·L^-1的AgNO₃按照1：9的比例与水混合，将混合液搅拌并加热至沸腾；然后注入l0ml百分比浓度为l％柠檬酸钠溶液，持续搅拌并加热，使其保持沸腾状态40分钟，得到银胶体，冷却至室温备用；

S2：对基底进行清洗并干燥，将干燥后的基底浸入1％PDDA溶液浸泡30分钟后再次进行清洗并干燥，得到表面覆盖有PDDA的基底；

S3：将表面覆盖有PDDA的基底浸入银胶体中浸泡1小时，然后取出清洗并干燥。

优选地，所述光信号发射端的每个信号发送区域包括n个发射频谱相同的光源，每个光源分别贴有透射波谱互不相同的滤波膜。

优选地，当所述光源需要作照明用途时，采用可见光波段白光光源，而当所述光源不需要作照明用途时，采用中红外波段光源。

如上所述任意一技术方案所述光通信系统的通讯信号发送与解码方法，包括以下步骤：

步骤1：假设某t时刻通过光强调制器对m个信号发送区域内的n个光源进行调制发出信号S’₁,S’₂,…S’_m×n，其中m、n为整数，发射的信号以光的强度大小进行区分；

步骤2：假设其中第k个信号发送区域内n个光源所发射的经光强调制器调制的信号为S’₁,S’₂,…S’_n，其中k是1至m之间整数；

步骤3：探测器接收光信号发射端所发出光，其中第k个信号发送区域所发的信号光经过信号传输空间，随后在光信号接收端依次经所述第一准直装置、散射器件、光波长转换部件、第二准直器件或依次经所述第一准直装置、散射器件、第二准直器件，最终照射在该信号发送区域所对应的信号接收区域中的光探测像素元上，设t时刻步骤2中信号发送区域所对应的信号接收区域中的至少n个光探测像素元所接收到的光强分别为I₁,I₂,…I_n,…；

步骤4：将步骤3中该信号发送区域所对应的信号接收区域中的各光探测像素元所接收到的光强分别去除噪声后代入到矩阵方程的增广矩阵的各行单元中，并将该信号发送区域内各个光源单独点亮条件下被上述各光探测像素元所探测到的值与该被点亮光源的发射强度分别去除噪声后的两者的比值分别代入到矩阵方程的系数矩阵各行的各单元中，由于该系数矩阵各单元数据可以通过实验预先测得，因此解此矩阵方程即得到信号S₁,S₂,…S_n；

步骤5：取S₁,S₂,…S_n这n个值的平均值作为判决门限，将S₁,S₂,…S_n与判决门限进行比较，大于该值设为“1”，小于该值设为“0”，即可在光信号接收端得到t时刻光信号发射端其中某个信号发送区域内n个光源传输的实际信号S’₁,S’₂,…S’_n；

步骤6：分别将步骤1中各个信号发送区域所对应的各个信号接收区域内光探测像素元所测数据代入各矩阵方程中，并分别重复步骤2-5，即可通过求解m个矩阵方程在光信号接收端接收到信号S’₁,S’₂,…S’_m×n；

步骤7：通过光强调制器在不同时刻调制出不同的信号，即可在光信号接收端接收到光信号发射端不同时刻所发出的信号。

优选地，在所述步骤4中矩阵方程可通过凸优化算法、Tikhonov正则化算法、L1范数正则化算法、遗传算法、交叉方向乘子法、模拟退火算法中的其中一种进行求解，亦可采用其它已知或者未知的数学优化方法求解矩阵方程以降低信号的误码率。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、能在照明的同时实现大容量信号的传输。本发明光信号发送端采用一系列具有一定频率范围的光源，与单一频率的可见波段光源相比对人眼舒适度更高，而且由于光源的光谱频段可以重叠，因此光源的数量不受到可见光和红外波段总带宽的限制。

2、系统的信号发射端与信号接收端的器件结构简单、易于实现。本发明不需体积较大、结构复杂的复用与解复用光器件，光源与阵列式探测芯片都有成熟的产品，经合理设计使光信号通过共用信道进行传输，通过事先测得多输入多输出的光通信系统的信道传输矩阵，从而求解矩阵方程获得复始发射信号。

3、本发明将频分复用与空分复用技术相结合，因此可以最大限度地降低系统成本并提高信道容量。每个信号发送区域内具有不同光谱的光源，通过传输加载在不同光源上的信号，信号接收端不同位置处的光探测像素元可以测得不同的散射光强信号，因此可以通过解矩阵方程的方法得到原始发射信号，与此同时，分属不同信号发送区域内的任意两个光源其光谱可以相同，因此系统成本也较低。且多路信号光同时发射，提高了通信容量。

4、在不需要该系统用作照明用途时，也可以采用红外波段光源进行信号通讯，避免了传统可见光通讯系统在通讯时必须进行照明的缺陷，特别是当系统的信号接收端采用光波长转换部件时可以克服普通硅基CCD或者CMOS等阵列式探测芯片无法探测红外波段光的缺点。因此，该系统采用普通硅基CCD既可以探测可见光信号也可以探测红外波段光信号，从而在提高了系统性能的同时进一步降低了构建系统的成本。

附图说明

图1为本发明利用反向散射的光通信系统的结构原理示意图；

图2为本发明利用正向散射的光通信系统的结构原理示意图；

图3为本发明的散射原理示意图；

图4为本发明实施例中所使用的9种不同光源的光谱曲线。

图中各标号含义如下：

1为光信号发送阵列中第一个信号发送区域，2为光信号发送阵列中第二个信号发送区域，3为光信号发送阵列中第三个信号发送区域，4为光信号发送阵列中第四个信号发送区域，5为光信号发送阵列中第m个信号发送区域，6为散射器件中第一个散射部位，7为散射器件中第二个散射部位，8为散射器件中第三个散射部位，9为散射器件中第四个散射部位，10为散射器件中第m个散射部位，11为阵列式探测芯片上第一个信号接收区域，12为阵列式探测芯片上第二个信号接收区域，13为阵列式探测芯片上第三个信号接收区域，14为阵列式探测芯片上第四个信号接收区域，15为阵列式探测芯片上第m个信号接收区域，16为光强调制器，17为光信号发送阵列，18为在信号传输空间传输的信号光，19为第一凸透镜，20为第二凸透镜，21为第三凸透镜，22为第四凸透镜，23为第一小孔光阑，24为第二小孔光阑，25为探测器，26为光波长转换部件，27为光信号发送阵列中某个信号发送区域，28为光信号发射端，29为光信号接收端，30为第一准直器件，31为第二准直器件，32为散射器件，33为前置入射光学组件，34为散射粒子。

具体实施方式

本发明可利用易于获得、成本低廉的LED光源组成光信号发送阵列17进行多路信号的并行传输，并利用散射器件32及探测器25(如CCD、CMOS等)结合解矩阵方程或线性方程组的方法复原出所传输的多路信号。本发明所采用的光源可以同时用于通讯和照明，也可以只实现其中任一种功能。下面将通过优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

图1显示了本发明MIMO光通信系统的基本结构。如图1所示，一种基于散射效应的多输入多输出光通信系统，包括光信号发射端和光信号接收端。所述光信号发射端28包括光强调制器16和与之相连的光信号发送阵列17。所述光信号发送阵列包括m×n个光源，m、n为大于1的整数，m、n的取值范围可以成千上万。光信号发送阵列17中每n个光源分布在一个信号发送区域27内，该信号发送区域27可以是m个信号发送区域中的第一个信号发送区域1，也可以是第二个信号发送区域2或第三个信号发送区域3或第四个信号发送区域4…或第m个信号发送区域5。每个信号发送区域内的n个光源的光谱频段可以互相重叠但光谱又不完全相同，分属不同信号发送区域内的任意两个光源的光谱可以相同。光强调制器16将m×n路信号分别调制至m×n个光源所发射的光载波上，生成相应的光调制信号。m×n个光源在某一时刻分别发送m×n路光信号，每个光源发送其中一路信号。并且，在不同时刻光强调制器调制出不同的信号。这些信号所调制出的信号光18经过“信号传输空间”传输，最终被光信号接收端29所接收。所述信号传输空间在本实施例中为空气，也可以是水、二氧化硅或者其他可以传输光的介质。所述光信号接收端29包括第一准直器件30、散射器件32、第二准直器件31、探测器25，以及与探测器25连接的信号处理单元(图1中未示出)，所述第一准直器件30位于散射器件32之前，它可以使得各信号发送区域内的光源所发出的其中一束光以固定角度入射到散射器件32表面的不同部位，而将其它光滤除。在本技术方案中，该固定角度的范围为-90°～90°。所述散射器件32可令信号发送区域各光源发出的信号光发生散射效应，使得不同频率相同强度的入射光经过散射器件的相同部位后所发射出的散射光具有不同的散射光强角分布，且相同频率相同强度的入射光经过散射器件的不同部位所发射出散射光的光强角分布也不同。所述探测器25为具有相同频谱响应的至少m×n个光探测像素元所组成的阵列式探测芯片。探测器25可采用硅基的CCD或CMOS，CCD为电荷耦合器件，CMOS互补金属氧化物半导体，在本实施例中探测器采用CCD。CCD的各个像素元具有相同的光谱响应特性，即相同波长、相同强度的光入射到这些像素元时，各像素元输出的数据相同。将CCD的感光区划分成m个信号接收区域，即第一个信号接收区域11、第二个信号接收区域12、第三个信号接收区域13、第四个信号接收区域14…第m个信号接收区域15，任一信号接收区域内至少有p个光探测像素元(p≥n，p为整数,p的取值范围可以成千上万)，光探测像素元对入射到光探测像素元感光面上的信号光有响应。第二准直器件31的位置在散射器件32和探测器25之间，它可以使沿着从散射器件32到探测器25连线方向传输的光通过，而将沿其它方向传输的光滤除，并且可以使光信号发送阵列17不同区域所发射的信号光在经过散射器件32之后，分别投射在探测器25不同信号接收区域内的光探测像素元。信号处理单元与探测器25相连接，它对探测器25不同信号接收区域内的像素元所探测到的数据分别进行分析处理。即通过将不同信号接收区域内的像素元数据代入到不同的矩阵方程并求解矩阵方程，最终解码得到光信号发射端所发出的信号。

在本技术方案中，所述第一准直器件30优选器件结构包括前置入射光学组件33、第一凸透镜19、第一小孔光阑23、第二凸透镜20，各信号发送区域内的光源所发出的光射向所述前置入射光学组件33后出射的其中一束光平行于第一凸透镜19和第二凸透镜20的主光轴，所述第一小孔光阑间隙设置于第一凸透镜19和第二凸透镜20之间的共同焦点处，所述第一凸透镜和第二凸透镜的主光轴重合。所述前置入射光学组件33，还可以采用大相对孔径连续变焦前置物镜、可调谐反射镜组、变焦液体透镜组、凹透镜、MEMS微镜、自动调焦液晶透镜组等一切现有或将有的光学器件或其组合，使得各信号发送区域内的光源所发出的光射向所述前置入射光学组件33后出射的其中一束光平行于第一凸透镜19和第二凸透镜20的主光轴。如果采用凹透镜作为前置入射光学组件33，待测光谱成像区域内各处射向凹透镜的焦点的光经过凹透镜后将折射成平行光，该平行光平行于第一凸透镜和第二凸透镜的主光轴。作为优选方案，该前置入射光学组件33还可以通过调节前置入射光学组件中透镜或者反射镜的焦距等方式改变光信号接收端的视场角，从而使得尽管光信号发射端内光源的分布范围较大，各信号发送区域内的光源所发出的其中一束光经过第一准直器件后都可以以固定角度分别入射到散射器件表面的不同部位。所述第一准直器件30还可为其它结构，在本技术方案中不对该第一准直器件的具体结构做限定，只要能够使得各信号发送区域内的光源所发出的其中一束光以固定角度分别入射到散射器件表面的不同部位，而将其它光滤除。

在本技术方案中，所述第二准直器件31优选器件结构包括第三凸透镜21、第二小孔光阑24、第四凸透镜22，所述第二小孔光阑24间隙设置于第三凸透镜21和第四凸透镜22之间的共同焦点处，所述第三凸透镜21和第四凸透镜22的主光轴重合。所述第二准直器件31还可为其它结构，在本技术方案中不对该第二准直器件的具体结构做限定，只要能够使沿着从散射器件到探测器连线方向的光通过，而将沿其它方向传输的光滤除，并且可以使光信号发送阵列不同区域所发射的信号光在经过散射器件之后，分别投射在探测器不同信号接收区域内的光探测像素元。

本发明所使用的散射器件32可采用现有或将有的结构，使得信号发送区域各光源发出的信号光发生散射效应，并且使得不同频率相同强度的入射光经过散射器件的相同部位后所发射出的散射光具有不同的散射光强角分布，而且相同频率相同强度的入射光经过散射器件的不同部位所发射出散射光的光强角分布也不同。作为其中一个优选方案，所述散射器件32包括透明基底及分布在透明基底表面或者内部的散射粒子34，所述透明基底使用玻璃或二氧化硅等透明材料制成，散射粒子34的大小、形状或分布在散射器件中均为不均匀设置，由于散射粒子的尺寸不同、排列不规则，因此不同频率的光照射到散射粒子上会形成不同的散射光强分布，而同一频率的光经同一位置的散射粒子散射后，其散射光强也不一样，这样，CCD中的不同位置处的像素元探测到不同的散射光功率。

散射器件中发生的散射可以是瑞利散射或米氏散射或它们的共同作用。瑞利散射又称“分子散射”，粒子尺度远小于入射光波长时(小于波长的十分之一)，其各方向上的散射光强度是不一样的，该强度与入射光的波长四次方成反比，这种现象称为瑞利散射。米散射又称“粗粒散射”或“大颗粒散射”，米散射发生时粒子尺度接近或大于入射光波长，其散射的光强在各方向是不对称的，其中大部分入射光线沿着前进方向进行散射，米散射的强度也与入射光波长的幂次方成反比。本实施例中优选瑞利散射方案，在瑞利散射中，散射光强与散射角度的关系是I∝1+cosθ,这里θ为散射角度。根据不同的散射角度，散射分成正向散射和反向散射。图1为利用反向散射的光通信系统结构图，而图2为利用正向散射的光通信系统结构图。

散射光强与入射到散射器件的光的波长相关。如图3所示，假设一束光原来的强度为I₀，经过散射器件的某部位，散射器件中的散射粒子使得光发生散射。假设粒子尺度小于入射光波长时(小于波长的十分之一)，发生瑞利散射。因此经过散射器件的该部位后，透射光的光强为I_t＝I₀exp(-αz),其中，α是衰减系数，该衰减系数与波长的四次方成反比，z是入射光在散射器件中经过的距离。

透射光的光强比原来的入射光的光强衰减的原因在于每个散射粒子可作为一个次波源发出散射光，且散射光的强度与波长的四次方成反比。因为，散射粒子大小或形状或分布在散射器件中不均匀，因此该散射器件可以使得频率(或者波长)不同、强度相同的入射光经过散射器件的相同部位后所透射出散射光具有不同的散射光强角分布；且频率(或者波长)相同、强度相同的入射光经过散射器件的不同部位所透射出散射光的光强角分布也不同，从而可使散射器件后方的阵列式探测芯片CCD中的各像素元探测到不同的光强。

上述散射器件可采用现有成熟的化学腐蚀、离子刻蚀或光刻方法制备得到，使得材料的表面或内部存在一系列不均匀分布的纳米至微纳米尺度的大小不等的散射颗粒。作为其中一个实施方案，所述散射器件中的散射粒子为银粒子，该散射器件的制备方法如下：

首先进行银胶体的制备：将体积为50m1浓度为1.0×10^-2mol·L^-1的AgNO3注入装有450m1水的烧瓶中，搅拌并加热至沸腾，然后注入l0ml百分比浓度为l％柠檬酸钠溶液，持续搅拌并加热沸腾40分钟，最终胶体为黄绿色。

由于制备的银胶体带有负电性，因此可以利用正电性电解质PDDA与带负电的银颗粒间的静电相互作用进行组装。具体步骤如下：先对玻璃基底进行清洗，将玻璃基底依次在体积比为1:1的乙醇-丙酮溶液、乙醇和水中超声清洗20分钟，然后置入沸腾的Piranha溶液浸泡30分钟，取出用去离子水冲洗3次，氩气吹干，所述Piranha溶液由98％H₂SO₄与30％H₂O₂体积比3:1配制。然后将干燥基底浸入1％PDDA溶液浸泡30分钟使表面带上正电荷，取出用去离子水冲洗3次，氩气吹干。再将覆盖有PDDA的基底浸入银胶体中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗3次，氩气吹干，最终得到散射器件，所述散射器件具有银纳米粒子作为散射粒子。

本发明还可在所述散射器件32之前或之后设置光波长转换部件26，所述光波长转换部件26包括波长转换层，所述波长转换层中包含至少一种波长转换光学材料；所述波长转换光学材料的部分或全部吸收光谱超出所述探测器25(如CCD)的探测范围，发射光谱全部在所述探测器25的探测范围内。为了保证探测器25中的光探测像素元对入射到像素元感光面上的信号光有响应，所述光信号发射端28中的各光源出发光的光谱的频率范围必须在光信号接收端29的探测范围。光信号接收端29的探测范围的定义是：从光波长转换部件26所包含的所有波长转换光学材料的吸收光谱以及探测器25所能探测的频率范围中选出频率最大值和频率最小值，所述频率最大值和频率最小值之间的频率范围即为所述光信号接收端的探测范围。所述波长转换材料为一切具有吸收一种波长的光发射另一种波长的特性的材料，或这些材料的组合。比如波长转换材料可以采用上转换发光材料或下转换发光材料。下面解释一下上转换发光材料和下转换发光材料：斯托克斯定律认为某些材料可以受到高能量的光激发，发出低能量的光，换句话说，就是波长短的频率高的激发出波长长的频率低的光，比如紫外线激发该材料可以发出可见光，这样的材料就是下转换发光材料。相反，有些材料可以实现与上述定律正好相反的发光效果，于是我们称其为反斯托克斯发光，又称上转换发光，这样的材料称为上转换发光材料。

本发明所采用的光波长转换部件26设置于散射器件之前或之后均可使本专利的通讯方法用于非可见光频率范围的光通讯，从而克服传统可见光通讯必须采用可见光进行照明的缺陷。但考虑到多数现有波长转换发光材料的发射光谱较窄，为了使得光经过散射器件32后，不同频率的光在阵型式探测芯片(如CCD)表面的光强分布差异更加显著，从而有利于通过求解矩阵方程的方法在信号接收端复原出发射信号，本发明优选将光波长转换部件26设置于散射器件32之后，即位于散射器件32与阵列式探测芯片之间。从散射器件32透射出的各个散射光束经过一个光波长转换部件后，再通过第二光学准直器件31分别射到其后阵列式探测芯片的第一个像素元区域11、第二个像素元区域12、第三个像素元区域13、第四个像素元区域14…第m个像素元区域15。

本发明中的波长转换光学材料可采用现有或将有的各种上转换或下转换材料，只要满足上转换或下转换材料的部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范围，而发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内，则均可有效扩展光通讯系统的信号接收端的波长探测范围。比如采用龙彩科技(HCP)生产的型号为HCP-IR-1201中红外显示卡，该中红外显示卡使用上转换发光材料制成，0.3mW的红外光照射即可激发出可见光，有效光激发波段主要在700nm～10600nm，发光强度与激发功率呈正比增长关系。假如阵列式探测芯片采用型号为SONY-ICX285AL的CCD芯片，它的探测波段大约是400nm～1000nm，所以采用上述中红外显示卡作为光波长转换部件，可使得该光通讯系统的信号接收端的波长探测范围扩展约至400nm～10600nm，比硅基CCD本身的波长探测范围更宽。

亦可采用一种下转换光学材料(MOF)Eu3(MFDA)4(NO3)(DMF)3(H2MFDA＝9,9-dimethylfluorene-2,7-dicarboxylic acid)[Xinhui Zhou et al,A microporousluminescent europium metal–organic framework for nitro explosive sensing,Dalton Trans.,2013,42,5718-5723]，其吸收光谱范围大约是在250nm～450nm，发射光谱范围大约是在590nm～640nm，假如阵列式探测芯片采用型号为SONY-ICX285AL的CCD芯片，它的探测波段大约是400nm～1000nm，所以采用上述下转换光学材料制成的光波长转换部件，可使得该光通讯系统的信号接收端的波长探测范围扩展约至250nm～1000nm，比硅基CCD本身的探测波长范围更宽。

本发明中光波长转换部件不是必需器件，当该光通讯系统的光信号接收端没有采用光波长转换器件时，该光通讯系统的光信号接收端的波长探测范围即为所采用的阵列式探测芯片的波长响应范围。采用光波长转换部件的目的仅仅是为了拓展该光通讯系统的信号接收端处探测器的波长探测范围，但没有光波长转换部件而通过选用合适的光源和探测器也同样可以进行信号通讯。采用光波长转换部件的目的是：首先，光信号发射端和探测器可以采用现有的、普通的光源和阵列式探测芯片，这样就可以节省购买特殊光源和阵列式探测芯片的成本，而不用确保阵列式探测芯片的波长探测范围必须包含光源的发射波长；其次，采用同一个阵列式探测芯片就可以既探测可见光也可以探测到非可见光波段的光，这样就可以使得该通讯系统不仅可用可见光作为载体进行通讯，亦可用非可见光作为载体进行通讯，这样采用同一套信号接收端就可以用以上两种通讯载体进行通讯，确保在不需要采用可见光进行照明的情形下也可以进行通讯。

下面总结一下本实施例所述通讯系统的通讯过程：光信号发送阵列17在光强调制器16的作用下，由各个信号发送区域(第一个信号发送区域1、第二个信号发送区域2、第三个信号发送区域3、第四个信号发送区域4、…第m个信号发送区域5)发出信号光束，这些光束通过第一光学准直器件30后分别投射至散射器件32表面各个部位，散射器件32可令入射光之间发生散射效应，从散射器件32透射出的各个散射光束经过一个光波长转换部件26后，再通过第二光学准直器件31分别射到其后阵列式探测芯片的第一个信号接收区域11、第二个信号接收区域12、第三个信号接收区域13、第四个信号接收区域14…第m个信号接收区域15，再由以上各信号接收区域内的各个像素元所探测，最后信号处理单元对各像素元所测数据进行数据分析与处理。

以上一种基于散射效应的光通信系统信号发送及信号解码方法详细说明如下：

步骤1：假设某t时刻通过光强调制器对m个信号发送区域内的n个光源进行调制发出信号S’₁,S’₂,…S’_m×n，其中m、n为整数，发射的信号以光的强度大小进行区分，比如：“光源发光或光强度大于某阈值”代表信号“1”、“光源不发光或光强度小于某阈值”代表信号“0”；

步骤2：假设其中第k个信号发送区域内n个光源所发射的经光强调制器调制的信号为S’₁,S’₂,…S’_n,以上k是1至m之间整数；

步骤3：探测器接收光信号发射端所发出光，其中第k个信号发送区域所发的信号光经过信号传输空间，然后在信号接收端依次经所述第一准直装置、散射器件、光波长转换部件(可省略)、第二准直装置，最终射到该信号发送区域所对应的信号接收区域中的光探测像素元上，设t时刻第k个信号发送区域所对应的信号接收区域中的p个光探测像素元所接收到的光强分别为I₁,I₂,…I_p,其中p≥n，p为整数,p的取值范围可以成千上万；

为了详细说明信号发送区域所对应的信号接收区域，如图1所示，第一个信号发送区域1所发出的信号光，经过散射器件的第一个散射部位6，最终射到阵列式探测芯片的第一个信号接收区域11，因此第一个信号发送区域1对应第一个信号接收区域11；第二个信号发送区域2所发出的信号光，经过散射器件的第二个散射部位7，最终射到阵列式探测芯片的第二个信号接收区域12，因此第二个信号发送区域2对应第二个信号接收区域12；第三个信号发送区域3所发出的信号光，经过散射器件的第三个散射部位8，最终射到阵列式探测芯片的第三个信号接收区域13，因此第三个信号发送区域3对应第三个信号接收区域13；第四个信号发送区域4所发出的信号光，经过散射器件的第四个散射部位9，最终射到阵列式探测芯片的第四个信号接收区域14，因此第四个信号发送区域4对应第四个信号接收区域14；以此类推，第m个信号发送区域5所发出的信号光，经过散射器件的第m个散射部位10，最终射到阵列式探测芯片的第m个信号接收区域15，因此第m个信号发送区域5对应第m个信号接收区域15。采用所述光信号发射端和光信号接收端，光信号发送阵列任一信号发送区域的光只会投射到其对应的探测器的其中一个信号接收区域内，而不会投射到其它信号接收区域。

步骤4：将第k个信号发送区域所对应的信号接收区域中的各光探测像素元所接收到的光强分别去除噪声后代入到矩阵方程的增广矩阵的各行单元中，并将该信号发送区域内各个光源单独点亮条件下被上述各光探测像素元所探测到的值与该被点亮光源的发射强度分别去除噪声后的两者的比值分别代入到矩阵方程的系数矩阵各行的各单元中，由于该系数矩阵各单元数据可以通过实验预先测得，因此解此矩阵方程即得到信号S₁,S₂,…S_n；

为了详细说明该矩阵方程的求解过程，假设t时刻第k个信号发送区域所对应的信号接收区域中有p个光探测像素元(p>n，其中p为整数)所接收到的光强分别为I₁,I₂,…I _p,通过凸优化算法、Tikhonov正则化算法、L1范数正则化、遗传算法、交叉方向乘子法、模拟退火算法等数学优化算法的其中一种或它们的改进方法求解以下矩阵方程得到S₁,S₂,…S_n。

其中

为信道传输矩阵。

式中，信道传输矩阵H中的其中一个元素H_ij(i＝1,2…p)(j＝1,2…n)表示第k个信号发送区域中第j个光源所发射的光信号经过MIMO光通信系统的传输空间，被CCD中第i个像素元所接收到的传输系数，即第k个信号发送区域中第j个光源单独发出的光信号经过MIMO光通信系统被CCD中第i个像素元探测到的强度与该光源发射强度减去背景噪声后的比值。对于某一特定的MIMO光通信系统，其信道传输矩阵H是唯一确定的，信道传输矩阵中的各元素即传输系数是可以预先通过实验得到，可代入到上述矩阵方程。

步骤5：取S₁,S₂,…S_n这n个值的平均值作为判决门限，将S₁,S₂,…S_n与判决门限进行比较，大于该值设为“1”，小于该值设为“0”，即可在光信号接收端得到t时刻光信号发射端其中第k个信号发送区域内n个光源传输的实际信号S’₁,S’₂,…S’_n；

步骤6：通过将k从1一直取到m，即分别将各个信号接收区域内光探测像素元所测数据分别代入各矩阵方程中，并分别重复步骤2-5，即可通过求解m个矩阵方程在光信号接收端接收到信号S’₁,S’₂,…S’_m×n；

步骤7：通过光强调制器在不同时刻调制出不同的信号，即可在光信号接收端接收到光信号发射端不同时刻所发出的信号。

由以上原理与步骤可知，该通讯系统最大信号传输率受制于所述阵列式探测芯片的帧率、光源的响应率、光强调制器的调制率、光信号发射端光源的总数等。一般来说，提高信号传输速率虽然可以提高单位时间内的信号传输量，但误码率也会提高。

本发明的光通信系统不需要使用复杂昂贵的复用与解复用光器件，其中的光源可采用最常见的LED光源，而如果需要具有不同发射光谱的光源，除了采用不同规格型号的LED光源外，也可以在相同的LED光源后方加贴不同的滤波膜或滤波罩即可；散射器件的结构简单、形式多样，且多可采用现有简单成熟的工艺制备；光探测器阵列可直接采用成熟的CCD或CMOS器件。因此，本发明MIMO光通信系统的实现成本较低。

与传统的波分复用或者频分复用光通讯系统不同，本发明中的光源可采用宽带光源，信号发送端中分属不同信号发送区域的光源的光谱并不需要互不相同，同一个信号发送区域内的光源的光谱频段也可以互相重叠。比如信号发送端某时刻需要同时传输72路信号，可以取m＝8、n＝9，此时共有8个信号发送区域，每个信号发送区域内有9个LED，通过光强调制器将72路信号分别加载到72个LED光源上。而这72个LED光源的光谱并不需要完全不同，可以只采用9种具有不同光谱曲线的光源(光谱曲线如附图4所示)组成一个信号发送区域，而其他信号发送区域采用相同的9种光源。并且，同一个信号发送区域内具有不同光谱曲线的9个光源，除了采用不同规格型号的LED光源(具有不同光谱曲线)外，也可以通过采用相同型号的9种LED光源(具有相同光谱曲线)并在其后加贴不同的滤波膜或滤波罩获得。加贴不同的滤波膜或滤波罩的方法同样可以获得9种不同的发射光谱。

以采用9种不同型号的LED光源为例。附图4中横坐标是波长，纵坐标是归一化光谱功率，图中的各个曲线代表着不同LED光源的光谱曲线。这9种LED光源在同一个信号发送区域，而其它信号发送区域采用同样的9种LED光源，总共有8个信号发送区域，因此就由这9种LED光源分成8组，由这72个LED光源组成LED光源阵列同时发送72路信号。信号接收端的CCD阵列上具有百万个像素元，将这些像素元分成8个信号探测区域，因此通过接收这8个信号探测区域内的像素元所测数据，分别代入到上述步骤4中的矩阵方程，通过求解8个矩阵方程并获得8个矩阵方程的求解结果，就可以解码得到该时刻信号发射端8个信号发送区域所发送的数据。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于散射效应的多输入多输出光通信系统，包括光信号发射端和光信号接收端：其特征在于：

所述光信号发射端包括光强调制器和与之相连的光信号发送阵列，所述光信号发送阵列包括m×n个光源，其中每n个光源分布在一个信号发送区域内，所述光信号发送阵列共有m个信号发送区域，每个信号发送区域内的n个光源的光谱频段互相重叠但光谱又不完全相同，分属不同信号发送区域内的任意两个光源的光谱相同，所述光强调制器将m×n路信号分别调制至m×n个光源所发射的光载波上，生成相应的光调制信号，并在不同时刻调制出不同的信号，其中m、n为大于1的整数；

所述光信号接收端包括第一准直器件、散射器件、第二准直器件、探测器，以及与探测器连接的信号处理单元；所述第一准直器件位于散射器件之前，第一准直器件使得各信号发送区域内的光源所发出的一束光以固定角度分别入射到散射器件表面的不同部位，而将其它光滤除；所述散射器件可令信号发送区域各光源发出的信号光发生散射效应，使得不同频率相同强度的入射光经过散射器件的相同部位后所发射出的散射光具有不同的散射光强角分布，且相同频率相同强度的入射光经过散射器件的不同部位所发射出散射光的光强角分布也不同；所述探测器为具有相同频谱响应的至少m×n个光探测像素元所组成的阵列式探测芯片，阵列式探测芯片上至少有m个信号接收区域，其中任一信号接收区域内至少有n个光探测像素元，所述光探测像素元对入射到像素元感光面上的信号光有响应；所述第二准直器件位置在所述散射器件和探测器之间，第二准直器件令沿着从散射器件到探测器连线方向传输的光通过，而将沿其它方向传输的光滤除，并且使光信号发送阵列内不同信号发送区域所发射的信号光在经过散射器件之后，分别投射在探测器不同信号接收区域内的光探测像素元；所述信号处理单元对不同信号接收区域内的像素元所探测到的数据分别进行分析处理，最终通过信号处理单元进行数据分析处理，通过求解矩阵方程或线性方程组的方法解码得到光信号发射端所发出的信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于散射效应的多输入多输出光通信系统，其特征在于：所述第一准直器件包括前置入射光学组件、第一凸透镜、第一小孔光阑和第二凸透镜，各信号发送区域内的光源所发出的光射向所述前置入射光学组件后出射的其中一束光平行于第一凸透镜和第二凸透镜的主光轴，所述第一小孔光阑间隙设置于第一凸透镜和第二凸透镜之间的共同焦点处。

3.根据权利要求1所述的一种基于散射效应的多输入多输出光通信系统，其特征在于：所述光信号接收端还包括设置于所述散射器件之前或之后的光波长转换部件，所述光波长转换部件包括波长转换层，所述波长转换层中包含至少一种波长转换光学材料，所述波长转换光学材料的部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范围，波长转换光学材料的发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内；所述波长转换光学材料为具有吸收一种波长的光，并发射其它不同波长光的特性的材料，或这些材料的组合。

4.根据权利要求1所述的一种基于散射效应的多输入多输出光通信系统，其特征在于：所述第二准直器件包括第三凸透镜、第二小孔光阑和第四凸透镜，所述第二小孔光阑间隙设置于第三凸透镜和第四凸透镜之间的共同焦点处，所述第三凸透镜和第四凸透镜的主光轴重合。

5.根据权利要求1所述的一种基于散射效应的多输入多输出光通信系统，其特征在于：所述散射器件包括透明基底及分布在透明基底表面或者内部的散射粒子，散射粒子的大小、形状或分布在散射器件中为不均匀设置。

6.根据权利要求5所述的一种基于散射效应的多输入多输出光通信系统，其特征在于：所述散射器件中的散射粒子为银粒子，所述散射器件的制备方法如下：

S1：将体积为50 m1浓度为1.0×10^-2 mol•L^-1的AgNO₃按照1：9的比例与水混合，将混合液搅拌并加热至沸腾；然后注入l0 ml百分比浓度为l%柠檬酸钠溶液，持续搅拌并加热，使其保持沸腾状态40分钟，得到银胶体，冷却至室温备用；

S2：对基底进行清洗并干燥，将干燥后的基底浸入1% PDDA溶液浸泡30分钟后再次进行清洗并干燥，得到表面覆盖有PDDA的基底；

S3：将表面覆盖有PDDA的基底浸入银胶体中浸泡1小时，然后取出清洗并干燥。

7.根据权利要求1所述的一种基于散射效应的多输入多输出光通信系统，其特征在于：所述光信号发射端的每个信号发送区域包括n个发射频谱相同的光源，每个光源分别贴有透射波谱互不相同的滤波膜。

8.根据权利要求1所述的一种基于散射效应的多输入多输出光通信系统，其特征在于：当所述光源需要作照明用途时，采用可见光波段白光光源，而当所述光源不需要作照明用途时，采用中红外波段光源。

9.如上所述任一项权利要求所述光通信系统的通讯信号发送与解码方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：假设某t时刻通过光强调制器对m个信号发送区域内的n个光源进行调制发出信号S’ ₁ , S’ ₂ ,…S’ _m×n ，其中m、n为整数，发射的信号以光的强度大小进行区分；

步骤2：假设其中第k个信号发送区域内n个光源所发射的经光强调制器调制的信号为S’ ₁ , S’ ₂ ,…S’ _n ，其中k是1至m之间整数；

步骤3：探测器接收光信号发射端所发出光，其中第k个信号发送区域所发的信号光经过信号传输空间，随后在光信号接收端依次经所述第一准直器件、散射器件、光波长转换部件、第二准直器件或依次经所述第一准直器件、散射器件、第二准直器件，最终照射在该信号发送区域所对应的信号接收区域中的光探测像素元上，设t时刻步骤2中信号发送区域所对应的信号接收区域中的至少n个光探测像素元所接收到的光强分别为I ₁ , I ₂ ,…I _n ,…；

步骤4：将步骤3中该信号发送区域所对应的信号接收区域中的各光探测像素元所接收到的光强分别去除噪声后代入到矩阵方程的增广矩阵的各行单元中，并将该信号发送区域内各个光源单独点亮条件下被上述各光探测像素元所探测到的值与该被点亮光源的发射强度分别去除噪声后的两者的比值分别代入到矩阵方程的系数矩阵各行的各单元中，由于该系数矩阵各单元数据通过实验预先测得，因此解此矩阵方程即得到信号S ₁ , S ₂ ,…S _n ；

步骤5：取S ₁ , S ₂ ,…S _n 这n个值的平均值作为判决门限，将S ₁ , S ₂ ,…S _n 与判决门限进行比较，大于该值设为“1”，小于该值设为“0”，即可在光信号接收端得到t时刻光信号发射端其中某个信号发送区域内n个光源传输的实际信号S’ ₁ , S’ ₂ ,…S’ _n ；

步骤6：分别将步骤1中各个信号发送区域所对应的各个信号接收区域内光探测像素元所测数据代入各矩阵方程中，并分别重复步骤2-5，即可通过求解m个矩阵方程在光信号接收端接收到信号S’ ₁ , S’ ₂ ,…S’ _m×n ；

步骤7：通过光强调制器在不同时刻调制出不同的信号，即可在光信号接收端接收到光信号发射端不同时刻所发出的信号。

10.根据权利要求9所述的通讯信号发送与解码方法，其特征在于：在所述步骤4中矩阵方程可通过凸优化算法、Tikhonov正则化算法、L1范数正则化算法、遗传算法、交叉方向乘子法、模拟退火算法中的其中一种进行求解。

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