CN111490820A - 一种光学接收装置及其优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线技术领域，具体为一种光学接收装置及其优化设计方法。本发明提供的光学接收装置为杯状旋转曲面体；包括内、外曲面和底面，具有三个结构参数：旋转角β，装置的整体高度L’，底部厚度H；本发明对这三个结构参数进行优化处理，优化方法包括Taguchi正交实验法和ANOVA数据分析法。本发明设计的光学接收装置，光学视场角可达100°；光学增益高达11.29，光学接收端的光学接收功率可达6.7496dBm以上，且光斑能量分布均匀。优化方法极大地简化了设计过程，能有效获取光学接收装置的最优化结构参数组合。本发明光学接收装置绿色环保、安装方便、成本低，能够满足室内可见光通信系统的通信需求。

Description

一种光学接收装置及其优化设计方法
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种光学接收装置及其优化设计方法。
背景技术
发光二极管(LED)相比于传统照明方式具有低功耗、高亮度与长寿命等优势，目前已被广 泛应用于信息显示、视觉传输、照明等多种领域。与此同时，因为LED具备有高开关频率和高 响应灵敏度的特点，其被应用于一种新兴的通信技术，即可见光通信(VLC)。
在可见光通信系统中，对于光接收机而言，光学接收装置的设计是可见光通信系统的一个 重要部分。设计好的光学接收装置可以有效提高光接收功率、光学增益和信噪比。然而目前关 于光学接收装置地研究较少。为了提高可见光通信系统光学接收端的光学增益、光接收功率和 信噪比，同时提供较大的视场角，国内外业界提出了各种光学接收装置的设计思路，但是光学 接收装置的设计与优化过程总会存在很多的局限性。
参考文献
[1]Y.C.Chen,S.S.Wen,Y.X.Wu,Y.Y.Ren,W.P.Guan,Y.L.Zhou,“Long-rangevisible light communication system based on LEDcollimating lens,”OpticsCommunications,377(2016):83–88(2016).
[2]C.F.Lin,C.C.Wu,P.H.Yang and T.Y.Kuo,“Application of TaguchiMethodin Light-Emitting Diode Back light Design for Wide ColorGamut Displays,”Journal of Display Technology,5:323-330(2009)。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种光学接收装置及其优化 方法。
本发明提供的光学接收装置，为杯状旋转曲面体，参见图1所示；包括内、外曲面和底面， 记装置外曲面(旋转曲面)的轴截面的曲线为AC、BD，该截面曲线满足复合抛物面聚光器截 面曲线的基本特性；AB为装置上口(光线入射口)宽度，CD为下口(光线出射口)宽度，记装置 中心轴线到上口(A或B)的距离为a，装置中心轴线到底部边缘(C或D)的距离为b，记内、 外曲面在杯状上端部处的切线夹角为β，亦称旋转角，装置的整体高度为L’，底部厚度为H； 记AC和BD所围成复合抛物面聚光器的半视场角为θmax；
所述装置高度L’是经过截短处理后的高度，其大小与截短比k有关。这里，所谓“截短 处理”：是指装置外曲面的轴截面曲线AC、BD，绕中心轴线旋转得到旋转对称体，对该旋转 对称体的上部进行截断，得到本发明装置的本体。所述截短比是指本发明装置高度L’与旋转 对称体的高度之比。
进一步地，所述光学接收装置的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
进一步地，所述旋转角度β的大小在4°-8°之间；所述高度L’的大小在12mm-16mm之间；所述底部壁厚H的大小在3mm-8mm之间。
本发明提供的光学接收装置的优化设计方法，是选择三个结构参数：旋转角β，装置高 度L’(等价于截断比k)，底部厚度H，进行优化处理，使装置满足特定需求，达到最佳性能。
本发明提供的光学接收装置的优化设计方法，采用Taguchi正交实验法[1]和ANOVA数据 分析法[2]，具体步骤如下：
(1)选取光学接收装置的光学增益、光学接收功率与信噪比作为Taguchi正交实验的品 质特性；
(2)选取光学接收装置的旋转角度β、底部壁厚H与截断比k作为Taguchi正交实验的 影响因子并设置控制水平，所述控制水平是指影响因子的大小，根据具体的变化规律选取合适 的数值；
(3)计算不同影响因子参数组合下的Taguchi正交实验信噪比(S/N)值，并分别得到不 同控制水平下光学增益、光学接收功率与信噪比的S/N值；
(4)采用ANOVA数据分析法分别计算旋转角度β、底部壁厚H与截断比k对于光学接收 装置性能影响的贡献度；
(5)根据步骤(4)中所得不同影响因子的贡献度，确定光学接收装置的最优化结构参数 组合，并做进一步地验证。
其中，所述S/N值在Taguchi正交实验中的计算，采用望大公式：
Figure BDA0002403578480000021
其中，yi表示第i个品质特性，n为试验次数。
其中，所述影响因子的贡献度采用下式表示：
Figure BDA0002403578480000022
其中，SST＝SSd+SSe，SSd表示方差和，SSe表示错误的方差和。在仿真优化过程中，SSe接近于0，因为仿真的错误率极低，具有可重复性。
所述方差SST由S/N值的方差和给出：
Figure BDA0002403578480000031
其中，n是实验数，ηi是每个影响因子第i次实验的S/N值，ηn为S/N值的平均值。
经过优化设计，本发明装置的结构参数为：旋转角度β的大小在4°-8°之间；底部壁厚H的大小在3mm-8mm之间；高度L’的大小在12mm-16mm之间。
进一步地，本发明装置的更优结构参数为：旋转角度β的大小在5°-7°之间；底部壁厚H的大小在4mm-6mm之间；高度L’的大小在13mm-15mm之间(截断比的大小在0.6-0.8之间)。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明根据传统可见光通信光学接收天线的局限性，设计了一种光学接收装置，光 学视场角可达100°；光学增益高达11.29，光学接收端的光学接收功率可达6.7496dBm以上， 大大提高了可见光通信光学接收端的性能；
(2)本发明对所设计的光学接收装置，提出了一种基于Taguchi正交实验法和ANOVA数 据分析法的光学结构优化方法。极大地简化了设计与优化过程，能有效获取光学接收装置的最 优化结构参数组合；
(3)本发明设计的光学接收装置，采用单级结构，装置材料为PMMA,绿色环保、安装方 便、成本低,且具有良好的光学性能，能够有效满足室内可见光通信系统的通信需求。
附图说明
图1为本发明的光学接收装置结构图示。其中，AB为单元上口(光线入射口)宽度，CD为 下口(光线出射口)宽度，L单元高度，AC、BD弧为单元外曲面(旋转曲面)的轴截面的曲线； θmax表示曲线AC和BD所围成复合抛物面聚光器的半视场角；a为单元中心轴线到单元上口 的距离，b为单元中心轴线到单元底部边缘的距离。
图2为本发明实施例中的光学接收装置接收光线的示意图。
图3-图5为本发明实施例中的Taguchi正交实验的结果示意图。
图3为不同控制水平下光学增益的S/N值。
图4为不同控制水平下光学接收功率的S/N值。
图5为不同控制水平下信噪比的S/N值。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种光学接收装置，包括三个基本设计参数：旋转角度β；装置高度L’；底部壁厚H。所述旋转角度β的外围曲线AC满足复合抛物面聚光器截面曲线的基本特性；所述装置高度L’是经过截断处理后的高度，其大小与截断比有关。
所述曲线AC的焦距可以通过下式来进行计算：
f＝b(1+sinθmax)
其中，b表示光学接收装置的底部半径。
所述光学接收装置在进行截断处理前的高度(G)可以用下式来进行计算：
Figure BDA0002403578480000041
所述截断比采用下式来表示：
Figure BDA0002403578480000042
进一步地，所述光学接收装置的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
如图2所示，光学接收装置通过反射与折射相结合的方式汇聚光线。进一步地，设置光学 接收装置的底部半径为4mm,曲线AC的焦距为6mm。
本发明的优化设计方法，包括Taguchi正交实验法和ANOVA数据分析法。具体步骤为：
(1)选取光学接收装置的光学增益、光学接收功率与信噪比作为Taguchi正交实验的品 质特性；
(2)选取光学接收装置的旋转角度β、底部壁厚H与截断比作为Taguchi正交实验的影 响因子并设置控制水平；
(3)计算不同控制因子参数组合下的Taguchi正交实验信噪比(S/N)值，并分别得到不 同控制水平下光学增益、光学接收功率与信噪比的S/N值；
(4)选取ANOVA数据分析法分别计算旋转角度β、底部壁厚H与截断比对于光学接收装 置性能影响的贡献率；
(5)根据步骤(4)中所得不同影响因子的贡献率，确定光学接收装置的最优化结构参数 组合，并做进一步地验证。
所述S/N值在Taguchi正交实验中的计算，采用望大公式：
Figure BDA0002403578480000043
其中，yi表示第i个品质特性，n为试验次数。
所述影响因子的贡献度采用下式表示：
Figure BDA0002403578480000044
其中，SST＝SSd+SSe，SSd表示方差和，SSe表示错误的方差和。在仿真优化过程中，SSe接近为0，因为仿真的错误率极低，具有可重复性。
所述方差SST由S/N值的方差和给出：
Figure BDA0002403578480000051
其中，n是实验数，ηi是每个影响因子第i次实验的S/N值，ηn为S/N值的平均值。
如图3～5所示，设置旋转角度β为A，底部壁厚H为B，截断比为C。通过选取旋转角度β的控制水平分别为5°、6°和7°；底部壁厚H的控制水平分别为4mm、5mm和6mm；截断比 的控制水平分别为0.6、0.7和0.8。如图3所示得到优化光学增益的最佳参数组合为A1-B1-C3；如图4所示得到优化光学接收功率的最佳参数组合为A2-B1-C3；如图5所示得到优化信噪比的最佳参数组合为A1-B2-C2。
进一步地，为了平衡对各品质特性的优化作用，计算各影响因子分别对于品质效应的贡献 率，得到该光学接收天线的最优化结构参数组合为A1-B1-C3。
上述实施例仅为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制， 其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效 的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光学接收装置，其特征在于，为杯状旋转曲面体；包括内、外曲面和底面，记装置外曲面的轴截面的曲线为AC、BD，该截面曲线满足复合抛物面聚光器截面曲线的基本特性；杯状旋转曲面体的上口为光线入射口，下口为光线出射口，其结构参数为：外曲面在杯状上端部处的切线夹角β，亦称旋转角，装置的整体高度L’，底部厚度H。
2.根据权利要求1所述的光学接收装置，其特征在于，所述旋转角度β的大小在4°-8°之间；所述高度L’的大小在12mm-16mm之间；所述底部壁厚H的大小在3mm-8mm之间。
3.根据权利要求1所述的光学接收装置，其特征在于，所述光学接收装置的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
4.一种如权利要求1所述光学接收装置的优化设计方法，其特征在于，对三个结构参数：旋转角β，装置高度L’(等价于截短比k)，底部厚度H，进行优化处理，使装置满足特定需求，达到最佳性能；具体步骤如下：
(1)选取光学接收装置的光学增益、光学接收功率与信噪比作为Taguchi正交实验的品质特性；
(2)选取光学接收装置的旋转角度β、底部壁厚H与截短比k作为Taguchi正交实验的影响因子并设置控制水平；
(3)计算不同影响因子参数组合下的Taguchi正交实验信噪比(S/N)值，并分别得到不同控制水平下光学增益、光学接收功率与信噪比的S/N值；
(4)采用ANOVA数据分析法分别计算旋转角度β、底部壁厚H与截断比k对于光学接收装置性能影响的贡献度；
(5)根据步骤(4)中所得不同影响因子的贡献度，确定光学接收装置的最优化结构参数组合，并做进一步地验证。
5.根据权利要求4所述光学接收装置的优化设计方法，其特征在于，所述S/N值在Taguchi正交实验中的计算，采用望大公式：
Figure FDA0002403578470000011
其中，yi表示第i个品质特性，n为试验次数。
6.根据权利要求4所述光学接收装置的优化设计方法，其特征在于，所述影响因子的贡献度采用下式表示：
Figure FDA0002403578470000012
其中，SST＝SSd+SSe，SSd表示方差和，SSe表示错误的方差和，SSe接近于0，所述方差SST由S/N值的方差和给出：
Figure FDA0002403578470000021
其中，n是实验数，ηi是每个影响因子第i次实验的S/N值，ηn为S/N值的平均值。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106850062A (zh) * 2017-01-20 2017-06-13 北京理工大学 角度分集型填充式复合抛物面聚光器的光学接收天线
CN107894656A (zh) * 2017-11-16 2018-04-10 复旦大学 一种基于可见光通信的光学接收天线
CN108563013A (zh) * 2017-12-15 2018-09-21 清华大学深圳研究生院 一种复合抛物面接收天线设计方法以及复合抛物面接收天线
CN110048772A (zh) * 2019-05-11 2019-07-23 复旦大学 一种用于室内可见光通信的高增益光学接收天线
CN209930264U (zh) * 2019-05-11 2020-01-10 复旦大学 一种用于室内可见光通信的高增益光学接收天线

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106850062A (zh) * 2017-01-20 2017-06-13 北京理工大学 角度分集型填充式复合抛物面聚光器的光学接收天线
CN107894656A (zh) * 2017-11-16 2018-04-10 复旦大学 一种基于可见光通信的光学接收天线
CN108563013A (zh) * 2017-12-15 2018-09-21 清华大学深圳研究生院 一种复合抛物面接收天线设计方法以及复合抛物面接收天线
CN110048772A (zh) * 2019-05-11 2019-07-23 复旦大学 一种用于室内可见光通信的高增益光学接收天线
CN209930264U (zh) * 2019-05-11 2020-01-10 复旦大学 一种用于室内可见光通信的高增益光学接收天线

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XING PENG: "Design and Analysis of Optical Receiving Antenna for LED Visible Light Communication Based on Taguchi Method", 《IEEE ACCESS（VOLUME 7,2019）》 *
XING PENG: "Design and optimization of optical receiving antenna based on compound parabolic concentrator for indoor visible light communication", 《OPTICS COMMUNICATION》 *
吴楠等: "可见光通信中光学天线的研究", 《南京信息工程大学学报(自然科学版)》 *
彭星等: "基于室内可见光通信技术的新型两级光学接收天线设计与分析", 《物理学报》 *

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