室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于无线光通信技术领域，具体涉及一种基于半球形透镜的室内可见光通 信系统中成像接收机设计方法。
【背景技术】
[0002] LED灯具有使用寿命长、节能、发光效率高等诸多优点，被广泛地用于室内照明，未 来会逐步取代传统的荧光灯和白炽灯等，成为主流的室内照明器件。近来研宄表明，LED器 件在照明的同时，也可以进行高速的数字通信，且基于LED的室内可见光通信系统具有成 本低、传输速率高、保密性好等优点，因此，被认为是一种重要的室内无线通信技术。室内可 见光通信与现有的无线电通信相比，具有绿色环保，没有电磁辐射，频谱资源丰富等优势， 此外，室内可见光通信特别适合应用在一些无线电设备禁止使用的场合，如飞机、医院等。
[0003] 在光无线通信系统中，接收机可以分为非成像和成像两种接收机，成像接收机由 光学成像器件和光电管阵列构成，是一种实现角度分集的有效手段，与非成像接收机相比， 具有很大的性能优势。在室内可见光通信系统中，常常采用基于半球形透镜的成像接收机， 这类接收机可以实现较大的视角和分集增益。接收机的视角是指接收机能够检测到的光线 的最大的入射角度，视角在一定程度上可以影响通信系统的码间干扰、可达速率、背景噪声 等因素，是通信系统的重要参数。实际应用中，光无线通信系统常常需要采用具有一定视角 的接收机来提高通信系统的性能。
[0004] 目前，成像接收机主要有三种实现方案，第一种方案由多个方向性非成像接收机 组合在一起实现，这种方案可以实现分集增益，从而提高传输速率，但接收机结构比较复 杂，体积比较大。第二种方案是基于标准相机技术，这种成像接收机具有较小的接收视角， 接收机需对准光器件发送阵列才能实现比较好的接收性能，但在室内环境中，LED通常散布 在整个房间来提供均匀的照明，因此，这种接收机不适合应用在室内可见光通信中。第三种 方案由半球形透镜和位于其下方的光电管阵列组成，这种接收机可以实现成本低，可以提 供较大的接收视角，非常适合应用在室内可见光通信系统中，已经引起了学术界广泛的研 宄兴趣。但是，由于半球形透镜成像过程的复杂性，尚无系统有效的方法实现基于半球形透 镜成像接收机的设计。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种室内可见光通信系统中成像接收机设计 的方法，采用在可见光通信系统中，通过计算光电管阵列接收面的尺寸，实现设计具有目标 视角的成像接收机。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] 本发明室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法，该方法包括以下步骤：
[0008] 步骤一：根据实际工作要求选择半径为R，折射率为η的半球形透镜，将所述的半 球形透镜的凸面朝下，光电管阵列所处的接收平面位于半球形透镜的下方，接收平面与半 球形透镜的平面平行，并设定接收平面与半球形透镜平面的距离为d。
[0009] 步骤二：将需要设计的成像接收机的视角大小表示为Φ，根据！KR、η和d，计算 得到光电管阵列的尺寸，具体为：
[0010] 步骤2. 1):假设一条光线到达透镜平面的a点，a点的横坐标表示为Xa，光线的 入射角度等于目标视角大小Φ，光线经过折射后进入透镜，其折射角度表示为α，则α = arsin(sin Φ /n)，光线在透镜中传输到达凸面的b点，b点的横坐标表示为xb，xb可由下式 计算：
[0011]
【主权项】
1. 一种室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法，其特征在于，该方法包括以下 步骤： 步骤一：根据实际工作要求选择半径为R，折射率为n的半球形透镜，将所述的半球形 透镜的凸面朝下，光电管阵列所处的接收平面位于半球形透镜的下方，接收平面与半球形 透镜的平面平行，并设定接收平面与半球形透镜平面的距离为d; 步骤二：将需要设计的成像接收机的视角大小表示为步，根据iKR、n和d，计算得到 光电管阵列的尺寸，具体为： 步骤2.1):假设一条光线到达透镜平面的a点，a点的横坐标表示为xa，光线的入 射角度等于目标视角大小步，光线经过折射后进入透镜，其折射角度表示为a，则a= arsin(sin$ /n)，光线在透镜中传输到达凸面的b点，b点的横坐标表示为xb，xb可由下式 计算：
根据全反射定理，当
时，光线可以折射出透镜，到达接收面的c 点，C点的横坐标表示为X。，X。计算为：
其中r为中间变量，可以表示为：
将式（l)X!^表达式代入式（2)，获得X。与xa的关系，记为X，f(xa)，将f(xa)关于xa 求导，并令其等于零，对上述求导方程式化简获得化简后的结果记为gl 0〇= 〇,其中gl 0〇 可以表示为：
令义。=f(xa)的极值点表示为Xi，则Xi的取值为方程gi(xa) = 0的根，由于gi(0) < 0
上单调递增，因此，给定计算精度A，Xl的值 可由二分法确定，具体步骤如下： a、 令 0i=R/(ncosa)，0 2= 〇 ; b、 令
>计算gi(x)，如果gi(xD> 0,则执行c，如果gi(xD< 0,则执行d， 如果gi(xD= 0,则执行e; C、令|3 x i，如果I|321 <A，贝Ij执行e，反之，执行b; d、 令|3 2=xi，如果| |321 <A，贝1」执行e，反之，执行b; e、 输出Xi的值； 步骤2.2):将-Xl的值带入式（2)中，计算f(_Xl)的值，当光电管阵列为正方形时，边 长计算为： L= 2f(-Xj) (5) 当光电管为圆形时，直径计算为： D= 2f(-Xl) (6)； 步骤三：将步骤二计算获得的光电管阵列置于所述半球形透镜的正下方接收平面上， 封装构成成像接收机。
2.根据权利要求1所述的室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法，其特征在 于，所述的光电管接收阵列为边长L的正方形或者直径D的圆形。
【专利摘要】本发明公开了一种室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法，设计的目标是采用半球形透镜和光电管阵列，通过计算正方形光电管阵列的边长，实现具有目标视角的成像接收机。由于成像过程的复杂性，成像接收机的设计方法不同于一般的非成像接收机。发明针对半球形透镜的成像特点，确定成像光斑在接收面的位置，从而计算出实现目标视角所需的光电管阵列接收面大小，完成成像接收机的设计。
【IPC分类】G02B6-42, H04B10-67
【公开号】CN104579496
【申请号】CN201510037339
【发明人】王家恒, 李宝龙, 梁霄, 沈弘
【申请人】东南大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月23日