室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中成像接收機的設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于無線光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于半球形透鏡的室內(nèi)可見光通 信系統(tǒng)中成像接收機設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] LED燈具有使用壽命長、節(jié)能、發(fā)光效率高等諸多優(yōu)點，被廣泛地用于室內(nèi)照明，未 來會逐步取代傳統(tǒng)的熒光燈和白熾燈等，成為主流的室內(nèi)照明器件。近來研宄表明，LED器 件在照明的同時，也可以進行高速的數(shù)字通信，且基于LED的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)具有成 本低、傳輸速率高、保密性好等優(yōu)點，因此，被認為是一種重要的室內(nèi)無線通信技術(shù)。室內(nèi)可 見光通信與現(xiàn)有的無線電通信相比，具有綠色環(huán)保，沒有電磁輻射，頻譜資源豐富等優(yōu)勢， 此外，室內(nèi)可見光通信特別適合應(yīng)用在一些無線電設(shè)備禁止使用的場合，如飛機、醫(yī)院等。
[0003] 在光無線通信系統(tǒng)中，接收機可以分為非成像和成像兩種接收機，成像接收機由 光學成像器件和光電管陣列構(gòu)成，是一種實現(xiàn)角度分集的有效手段，與非成像接收機相比， 具有很大的性能優(yōu)勢。在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，常常采用基于半球形透鏡的成像接收機， 這類接收機可以實現(xiàn)較大的視角和分集增益。接收機的視角是指接收機能夠檢測到的光線 的最大的入射角度，視角在一定程度上可以影響通信系統(tǒng)的碼間干擾、可達速率、背景噪聲 等因素，是通信系統(tǒng)的重要參數(shù)。實際應(yīng)用中，光無線通信系統(tǒng)常常需要采用具有一定視角 的接收機來提高通信系統(tǒng)的性能。
[0004] 目前，成像接收機主要有三種實現(xiàn)方案，第一種方案由多個方向性非成像接收機 組合在一起實現(xiàn)，這種方案可以實現(xiàn)分集增益，從而提高傳輸速率，但接收機結(jié)構(gòu)比較復(fù) 雜，體積比較大。第二種方案是基于標準相機技術(shù)，這種成像接收機具有較小的接收視角， 接收機需對準光器件發(fā)送陣列才能實現(xiàn)比較好的接收性能，但在室內(nèi)環(huán)境中，LED通常散布 在整個房間來提供均勻的照明，因此，這種接收機不適合應(yīng)用在室內(nèi)可見光通信中。第三種 方案由半球形透鏡和位于其下方的光電管陣列組成，這種接收機可以實現(xiàn)成本低，可以提 供較大的接收視角，非常適合應(yīng)用在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，已經(jīng)引起了學術(shù)界廣泛的研 宄興趣。但是，由于半球形透鏡成像過程的復(fù)雜性，尚無系統(tǒng)有效的方法實現(xiàn)基于半球形透 鏡成像接收機的設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中成像接收機設(shè)計 的方法，采用在可見光通信系統(tǒng)中，通過計算光電管陣列接收面的尺寸，實現(xiàn)設(shè)計具有目標 視角的成像接收機。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] 本發(fā)明室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中成像接收機的設(shè)計方法，該方法包括以下步驟：
[0008] 步驟一：根據(jù)實際工作要求選擇半徑為R，折射率為η的半球形透鏡，將所述的半 球形透鏡的凸面朝下，光電管陣列所處的接收平面位于半球形透鏡的下方，接收平面與半 球形透鏡的平面平行，并設(shè)定接收平面與半球形透鏡平面的距離為d。
[0009] 步驟二：將需要設(shè)計的成像接收機的視角大小表示為Φ，根據(jù)！KR、η和d，計算 得到光電管陣列的尺寸，具體為：
[0010] 步驟2. 1):假設(shè)一條光線到達透鏡平面的a點，a點的橫坐標表示為Xa，光線的 入射角度等于目標視角大小Φ，光線經(jīng)過折射后進入透鏡，其折射角度表示為α，則α = arsin(sin Φ /n)，光線在透鏡中傳輸?shù)竭_凸面的b點，b點的橫坐標表示為xb，xb可由下式 計算：
[0011]
【主權(quán)項】
1. 一種室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中成像接收機的設(shè)計方法，其特征在于，該方法包括以下 步驟： 步驟一：根據(jù)實際工作要求選擇半徑為R，折射率為n的半球形透鏡，將所述的半球形 透鏡的凸面朝下，光電管陣列所處的接收平面位于半球形透鏡的下方，接收平面與半球形 透鏡的平面平行，并設(shè)定接收平面與半球形透鏡平面的距離為d; 步驟二：將需要設(shè)計的成像接收機的視角大小表示為步，根據(jù)iKR、n和d，計算得到 光電管陣列的尺寸，具體為： 步驟2.1):假設(shè)一條光線到達透鏡平面的a點，a點的橫坐標表示為xa，光線的入 射角度等于目標視角大小步，光線經(jīng)過折射后進入透鏡，其折射角度表示為a，則a= arsin(sin$ /n)，光線在透鏡中傳輸?shù)竭_凸面的b點，b點的橫坐標表示為xb，xb可由下式 計算：
根據(jù)全反射定理，當
時，光線可以折射出透鏡，到達接收面的c 點，C點的橫坐標表示為X。，X。計算為：
其中r為中間變量，可以表示為：
將式（l)X!^表達式代入式（2)，獲得X。與xa的關(guān)系，記為X，f(xa)，將f(xa)關(guān)于xa 求導(dǎo)，并令其等于零，對上述求導(dǎo)方程式化簡獲得化簡后的結(jié)果記為gl 0〇= 〇,其中g(shù)l 0〇 可以表示為：
令義。=f(xa)的極值點表示為Xi，則Xi的取值為方程gi(xa) = 0的根，由于gi(0) < 0
上單調(diào)遞增，因此，給定計算精度A，Xl的值 可由二分法確定，具體步驟如下： a、 令 0i=R/(ncosa)，0 2= 〇 ; b、 令
>計算gi(x)，如果gi(xD> 0,則執(zhí)行c，如果gi(xD< 0,則執(zhí)行d， 如果gi(xD= 0,則執(zhí)行e; C、令|3 x i，如果I|321 <A，貝Ij執(zhí)行e，反之，執(zhí)行b; d、 令|3 2=xi，如果| |321 <A，貝1」執(zhí)行e，反之，執(zhí)行b; e、 輸出Xi的值； 步驟2.2):將-Xl的值帶入式（2)中，計算f(_Xl)的值，當光電管陣列為正方形時，邊 長計算為： L= 2f(-Xj) (5) 當光電管為圓形時，直徑計算為： D= 2f(-Xl) (6)； 步驟三：將步驟二計算獲得的光電管陣列置于所述半球形透鏡的正下方接收平面上， 封裝構(gòu)成成像接收機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中成像接收機的設(shè)計方法，其特征在 于，所述的光電管接收陣列為邊長L的正方形或者直徑D的圓形。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中成像接收機的設(shè)計方法，設(shè)計的目標是采用半球形透鏡和光電管陣列，通過計算正方形光電管陣列的邊長，實現(xiàn)具有目標視角的成像接收機。由于成像過程的復(fù)雜性，成像接收機的設(shè)計方法不同于一般的非成像接收機。發(fā)明針對半球形透鏡的成像特點，確定成像光斑在接收面的位置，從而計算出實現(xiàn)目標視角所需的光電管陣列接收面大小，完成成像接收機的設(shè)計。
【IPC分類】G02B6-42, H04B10-67
【公開號】CN104579496
【申請?zhí)枴緾N201510037339
【發(fā)明人】王家恒, 李寶龍, 梁霄, 沈弘
【申請人】東南大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月23日