一种基于干涉效应的光通信系统及其信号发送与解码方法与流程

本发明涉及一种基于干涉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

光通信就是将所要传达的信息通过调制的方式加载到光波上，以光为信息载体的这样一种通信方式。近年来，可见光通信(vlc)技术迅速发展，成为一种新型无线通信方式。可见光通信技术在中、短距离安全保密通信、高精度准确定位、交通运输通信和室内导航等领域具有很大潜力，尤其是可以替代射频(rf)解决“最后1m”的问题。和无线电波相比，可见光通信有很多优势：(1)信息量在以摩尔法则发展，无线电频谱很多频段已被占用，可见光通信技术利用的是高于3thz且尚属于空白频谱的可见光频谱，不受使用许可证限制；(2)可见光不能穿透建筑墙，相互邻近封闭单元中可见光通信信号不会相互干扰，安全性高，保密性好；(3)可见光收发器件设备简单，价格低廉；(4)可见光波长属于亚微米级，在准确方向定位上具有明显优势；(5)可见光通信技术能够替代无线电通信技术在某些电磁干扰敏感的特定场合(如飞机、医院、核电站或者石油钻探等)中的应用。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)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。

因此，将mimo技术应用于光通信具有巨大的应用前景，但也存在一些问题。比如：(1)传统mimo可见光通信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mimo可见光通信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)还有些可见光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，我们提高了一种新型的基于干涉效应的光通信系统及其信号解码方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种多输入多输出的光通信系统及其信号复原方法，可在实现照明功能的同时实现大容量信号的传输，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：

一种基于干涉效应的光通信系统，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相互连接的光强调制器和光信号发送阵列，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，分别在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色散器件、准直器件、光信号接收器，以及与光信号接收器连接的信号处理单元，所述色散器件可令光信号发送阵列发出的信号光之间发生干涉效应，且相同频率、相同强度的信号光入射到色散器件的不同部位后出射的相干光的光强互不相同，所述光信号接收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，其中的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，所述准直器件位置在所述色散器件和光信号接收器之间，它可以令从色散器件透射出的相干光通过的同时，滤除掉传输方向各异的散射光以及其它部分噪声，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色散器件之后，分别投射在光信号接收器所对应信号接收区域内不同的光探测像素元，所述信号处理单元对各像素元所探测到的数据进行分析处理，从而在光信号接收端通过数据分析处理，解码光信号发射端所发出的信号。

优选地，在所述光信号接收端的色散器件前还设置有一光学组件，所述光学组件用于使得不同光源所发出的光射到色散器件的不同部位。

优选地，所述光学组件包括第一凸透镜、第一小孔光阑和第二凸透镜，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色散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。

优选地，所述波长转换光学材料为上转换发光材料、下转换发光材料及一切具有吸收一种波长的光，发射另一种波长的光的特性的材料，或这些材料的组合。

优选地，所述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。

优选地，所述色散器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层透明涂层，所述透明涂层中包含有一组尺寸或形状不均匀分布的气泡；或所述色散器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层纳米粒子涂层，所述纳米粒子涂层由一组纳米至微米尺度的透明粒子构成，且各透明粒子的尺寸或形状的分布不均匀；或所述色散器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面粗糙不平整，所述粗糙不平整的表面由一组大小不同的纳米或微米尺度的台阶或者凹坑构成，且大小不同的台阶或者凹坑的分布不均匀。

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。

如上任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，发射的信号以光的强度大小进行区分；

步骤2：假设其中某个信号发送区域内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；

步骤3：光信号接收器接收光信号发射端所发出光经过信号传输空间，最终在光信号接收端依次经所述光学组件(可省略)、色散器件、光波长转换部件(可省略)、准直器件、光信号接收器，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,…in,…；

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,…sn；

步骤5：取s1,s2,…sn这n个值的平均值作为判决门限，将s1,s2,…sn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干涉光强信号，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为本发明光通信系统的结构原理示意图；

图2为本发明加入光学组件和光波长转换部件时光通信系统的结构原理示意图；

图3为信号发送区域发出的光经过色散器件不同部位示意图；

图4为本发明mimo光通信系统的具体实施例中光信号发送器所采用的各个白光led所发出光分别通过不同滤波膜后的光谱；

图中各标号含义如下：

1为光信号发送阵列，2为光信号发送阵列中第一个信号发送区域，3为光信号发送阵列中第二个信号发送区域，4为光信号发送阵列中第三个信号发送区域，5为光信号发送阵列中第m个信号发送区域，6为信号传输空间，7为色散器件，8为第三凸透镜，9为第二小孔光阑，10为第四凸透镜，11为光信号接收器，12为阵列式探测芯片上第一个信号接收区域，13为阵列式探测芯片上第二个信号接收区域，14为阵列式探测芯片上第三个信号接收区域，15为阵列式探测芯片上第p个信号接收区域，16为光强调制器，17为光源，18为从光信号发送阵列的信号发送区域内发出的信号光，19为光信号发射端，20为光信号接收端，21为准直器件，22为光信号发送阵列中某个信号发送区域，23为第一凸透镜，24为第一小孔光阑，25为第二凸透镜，26为光波长转换部件，27为光学组件。

具体实施方式

本发明利用易于获得的光源17组成光信号发送阵列进行多路信号的并行传输，并利用色散器件及阵列式探测芯片(ccd、cmos等)结合解矩阵方程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，一种基于干涉效应的光通信系统，包括：光信号发射端19和光信号接收端20。光信号发射端19包括光强调制器16以及与之相连的光信号发送阵列1。光信号发送阵列1采用m×n个光源17，m、n为大于1的整数，m、n的取值范围可以成千上万，本技术方案中不对m、n的个数做具体限定，其中每n个具有光谱差异的光源17分布在一个信号发送区域22内，该信号发送区域22可以是任一信号发送区域，比如信号发送区域2或信号发送区域3或信号发送区域4或…信号发送区域5，所述光信号发送阵列1共有m个信号发送区域，每个信号发送区域内的各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完全相同。m×n个光源分别传输m×n路信号，每个光源传输其中一路信号。光强调制器16将所需要传输的信号调制至各光源所发射的光载波上，生成光调制信号。该信号经过“信号传输空间”6传输，最终光信号接收端20所接收。因为光信号发射端与光信号接收端之间一般距离较远，因此从光信号发射端19射向光信号接收端20的光可近似看作平行光。信号传输空间6在本实施例中为空气，也可以是水或者其他可以传输光的介质。光信号接收端20包括色散器件7、准直器件21、光信号接收器11以及与所述光信号接收器11连接的信号处理单元(图中未示出)。色散器件7可令光信号发送阵列1发出的信号光之间发生干涉效应，且相同频率、相同强度的信号光入射到色散器件7的不同部位后出射的相干光的光强互不相同。光信号接收器11在本实施例中采用硅基的电荷耦合元件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，本技术方案中不对像素元区域的个数做具体限定，像素元区域12、像素元区域13、像素元区域14…像素元区域15，其中的任一信号接收区域内至少有n个光探测像素元，在本实施例中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，准直器件21位置处于所述色散器件和光信号接收器之间，准直器件用于滤除传输方向各异的散射光以及部分背景光，并使得色散器件的不同部位透射出的相干光通过光学准直器件21后投射到ccd感光面对应信号接收区域内不同的光探测像素元。所述信号处理单元利用本发明基于干涉效应的光通信系统的信道传输矩阵，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，可以复原出发送信号。

如图2所示，在所述色散器件7前还可设置一光学组件27，所述光学组件27用于使得不同信号发送区域所发出的光射到色散器件的不同部位。在本技术方案中，所述光学组件20优选器件结构包括第一凸透镜23、第一小孔光阑25、第二凸透镜24，所述第一小孔光阑25间隙设置于第一凸透镜23和第二凸透镜24之间的共同焦点处。所述光学组件还可为其它结构，在本技术方案中不对该光学组件的具体结构做限定，只要能够使得不同信号发送区域所发出的光射到色散器件的不同部位即可。

如图2所示，本发明还可在所述色散器件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光信号接收器11的探测范围，发射光谱全部在所述光信号接收器11的探测范围内。为了保证光信号接收器11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19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20的探测范围。光信号接收端20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阵列式探测芯片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20的探测范围。所述波长转换材料为上转换发光材料、下转换发光材料及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。

如图1和2所示，所述准直器件20的优选结构包括第三凸透镜8、第二小孔光阑9和第四凸透镜10，所述第二小孔光阑9间隙设置于第三凸透镜8和第四凸透镜10之间的共同焦点处。该光学准直器件可以滤除传输方向各异的散射光，并使得色散器件的不同部位透射出的相干光通过准直器件后入射到其后ccd对应区域内各个光探测像素元。

本发明所使用的色散器件7可采用现有或将有的结构，只要不同频率相同强度的入射光经过色散器件的相同部位后出射的相干光具有不同的光强，且相同频率相同强度的入射光经过色散器件的不同部位后出射的相干光的光强也不同，从而可使其后的阵列式探测芯片ccd中的各像素元探测到不同的光强，这样就可通过将阵列式探测芯片ccd的某一信号接收区域(12或13或14或…15)内的各像素元所测数据代入到矩阵方程的增广矩阵中，并通过事先测得的该矩阵方程的系数矩阵(又称信道传输矩阵)数据，经求解矩阵方程从而复原出某一信号发送区域(2或3或4或…5)所发射的信号，然后通过将ccd不同区域(12，13，14，…15)内像素元的数据分别代入到不同的矩阵方程，通过求解这一系列矩阵方程，就可以在光信号接收端20得到整个光信号发射端19所发射的信号。

下面列举几种优选方案：

第一种方案：

所述色散器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层透明涂层，所述透明涂层中包含有一组尺寸或形状不均匀分布的气泡。

采用该色散器件时，入射光穿过气泡涂层中大小不等的各个气泡及其不同部位时会发生不同程度的干涉，由于气泡大小形状各异，出射光之间的相位差各不相同，干涉光强也不同。由于干涉效应，当入射光通过气泡涂层后，最终探测阵列芯片中不同的像素元将采集到大小不等的光强。

该色散器件可采用成熟工艺制备得到，例如，其中一种方法是：将氦气、氖气、氩气、氪气或是氙气等惰性气体连续注入到聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)及其衍生物或者聚苯乙烯(ps)或者聚碳酸酯(pc)等聚合物熔体中，并通过超声波将惰性气体气泡进行细化，待聚合物熔体中气泡含量和分布趋近于稳定后，将其涂覆在透明基底表面上，然后降温使聚合物熔体凝固为聚合物涂层，这样，就会在聚合物涂层中产生分布不均，大小不一的气泡。第二种方法是：在一定温度下，将pmma、ps或pc等聚合物溶解到有机溶剂中(例如四氢呋喃、丙酮、甲苯等)，得到pmma、ps或pc等聚合物的溶液，然后将其旋涂在透明基底上，并缓慢降温至室温，在降温的过程中，溶剂的挥发导致在所形成的聚合物涂层中产生形状各异的气孔。

第二种方案：

所述色散器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层纳米粒子涂层，所述纳米粒子涂层由一组纳米至微米尺度的透明粒子构成，且透明粒子的尺寸或形状的分布不均匀。

采用该色散器件时，入射光穿过纳米粒子涂层中大小不等的各个纳米粒子及其不同部位时会发生不同程度的干涉，由于纳米粒子大小形状各异，出射光之间的相位差各不相同，干涉光强也不同，如图3所示。由于干涉效应，当入射光通过纳米粒子涂层后，最终探测阵列芯片ccd中不同的像素元将采集到大小不等的光强。

该色散器件可采用成熟工艺制备得到，例如，纳米粒子涂层中的透明粒子采用二氧化硅(sio2)，通过正硅酸乙酯水解缩合方法制成包含不同大小的纳米至微米尺度的二氧化硅粒子的混合悬浊液，具体方法如下：在常温下将一定量的乙醇、水和氨水加入到反应瓶中；十分钟后，在搅拌下加入一定体积的正硅酸乙酯(teos)并继续搅拌，加入后立即可看到乳液变为乳白色；反应3-24小时后，就可以得到具有相同大小的二氧化硅纳米粒子的悬浊液，离心分离备用。通过调整该方法中的各组分比例和温度就可以分别得到大小不一的二氧化硅纳米粒子的悬浊液。将这些悬浊液混合后就可以得到不同大小的二氧化硅纳米粒子的混合悬浊液。得到含有不同大小纳米粒子的混合悬浊液后，即可通过静电自组装方法使所述混合悬浊液中的纳米粒子沉积于基底表面，形成纳米粒子涂层。静电自组装的方法需要在基底表面制作聚电解质层，其作用是使得上述纳米粒子可以通过浸涂而沉积在基底之上。基底采用透明材料，例如二氧化硅(sio2)、pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)等，但如果使用pmma等聚合物材料作基底，需要做亲水处理，即用包含亲水基团的偶联剂处理pmma的表面。pmma可用旋涂的方法制成。所述聚电解质可采用聚苯乙烯磺酸钠(pss)和聚二烯丙基二甲基氯化铵(pdda)。

聚电解质层的具体制作方法如下：将基底进行化学清洗，并用蒸馏水洗涤和惰性气体吹干；将该基底浸入特定浓度的聚二烯丙基二甲基氯化铵水溶液中2至10分钟，基底表面沉积一层聚二烯丙基二甲基氯化铵涂层，再用蒸馏水洗去物理吸附的杂质并用惰性气体吹干；然后再浸入特定浓度的聚苯乙烯磺酸钠2至10分钟，用以在上述涂层上再沉积一层聚苯乙烯磺酸钠；重复上述过程直至得到约5至20层的上述两种聚电解质的双层，并使最后一层为聚二烯丙基二甲基氯化铵。上述聚电解质层制作好后将具有聚电解质层的基底放入制备好的含有不同大小纳米粒子的混合悬浊液中2至10分钟，不同大小的纳米粒子通过与聚电解质相互作用而沉积在基底表面，经蒸馏水洗涤和惰性气体吹干后可制备得到具有一层二氧化硅纳米粒子涂层的基底薄片。重复上述过程利用静电自组装的方法使聚电解质分子与二氧化硅纳米粒子交替沉积，即可制备多层纳米粒子涂层。

第三种方案：

所述色散器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面粗糙不平整，所述粗糙不平整的表面由一组大小不同的纳米或微米尺度的台阶或者凹坑构成，且台阶或者凹坑的分布不均匀。

采用该色散器件时，入射光穿过粗糙不平整表面中大小不等的各个台阶或者凹坑及其不同部位时会发生不同程度的干涉，由于台阶或者凹坑高度或深度各异，出射光之间的相位差各不相同，干涉光强也不同。由于干涉效应，当入射光通过纳米粒子涂层后，最终探测阵列芯片中不同的像素元将采集到大小不等的光强。

该色散器件可采用成熟工艺制备得到，例如，基底采用普通玻璃，通过对普通玻璃进行清洗、烘干，然后将其一个表面用氢氟酸和氟化铵的磨砂溶液进行侵蚀，当玻璃表面受到氢氟酸的作用后，玻璃中的主要成分如二氧化硅、氧化钙、氧化钠等氧化物则形成氟化物进入磨砂溶液中，磨砂溶液中的氟化铵又能促使氟硅酸钙砂的生成，由于氢氟酸对玻璃表面不同位置的腐蚀程度及反应形成砂砾的大小和分布具有随机性，使玻璃表面变成凹凸不平的粗糙面，之后再进行清洗、烘干即可。另一种方法是：对普通玻璃进行清洗、烘干，然后通过气泵或喷枪将石英砂或者金刚砂非常快速的喷射玻璃的一个表面，玻璃在遇到石英砂或者金刚砂的高速撞击后形成诸多大小不同的细微的凹凸表面，之后再进行清洗、烘干即可。

本发明所采用的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ccd的探测范围，而其发射光谱全部在所述阵列式探测芯片ccd的探测范围内。本发明所使用的波长转换材料，可以是上转换发光材料、下转换发光材料等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。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，即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设置于色散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，为了使得光经过色散器件后，不同频率的光在阵型式探测芯片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设置于色散器件之后，即位于色散器件与阵列式探测芯片之间。从色散器件透射出的各个相干光束经过一个光波长转换部件后，再通过一个光学准直器件分别射到其后阵列式探测芯片的像素元区域12、像素元区域13、像素元区域14…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-dicarboxylicacid)[xinhuizhouetal,amicroporousluminescenteuropiummetal–organicframeworkfornitroexplosivesensing,daltontrans.,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光信号接收器的波长探测范围，但没有光波长转换部件而通过选用合适的光源和光信号接收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，光信号发射端和光信号接收器可以采用现有的、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，确保有时不需要可见光进行照明时也能进行通讯。

因此，本实施例中，该通讯系统的通讯过程包括：光信号发送阵列1在光强调制器16的作用下，由各个信号发送区域(信号发送区域2、信号发送区域3、信号发送区域4、…信号发送区域5)发出光束18，这些光束18通过光学组件27后垂直投射至色散器件7表面各个部位，色散器件7可令入射光之间发生干涉效应，从色散器件7透射出的各个相干光束经过一个光波长转换部件26后，再通过一个光学准直器件21分别射到其后阵列式探测芯片11的信号接收区域12、信号接收区域13、信号接收区域14…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。

以上一种基于干涉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：光信号接收器接收光信号发射端所发出光，其中第k个信号发送区域的所发的光信号经过信号传输空间，然后在信号接收端依次经所述光学组件(可省略)、色散器件、光波长转换部件(可省略)、准直器件，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至少n个光探测像素元所接收到的光强分别为i1,i2,…in,…；

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和图2所示，信号发送区域2所发出的信号光最终射到阵列式探测芯片11的信号接收区域12，因此信号发送区域2对应信号接收区域12；信号发送区域3所发出的信号光最终射到阵列式探测芯片11的信号接收区域13，因此信号发送区域3对应信号接收区域13；信号发送区域4所发出的信号光最终射到阵列式探测芯片11的信号接收区域14，因此信号发送区域4对应信号接收区域14；以此类推，信号发送区域5所发出的信号光最终射到阵列式探测芯片11的信号接收区域15，因此信号发送区域5对应信号接收区域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光信号接收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,…sn；

为了详细说明，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,…ip,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,…sn。

为信道传输矩阵。

式中，信道传输矩阵h中的其中一个元素hij(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,…sn这n个值的平均值作为判决门限，将s1,s2,…sn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光源加贴不同的滤波膜或滤波罩即可；色散器件的结构简单、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，只需要采用9种光谱不相同的led光源，比如可以采用如附图4所示光谱曲线的9种led光源。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就可以同时解码得到该时刻信号发射端所发送的数据。

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。