室内可见光通信系统光源LED布局优化与性能分析

在室内可见光通信系统(VLC)中,为解决传统光源布局方式中因照度分布不均匀而存在通信盲区的问题,提出考虑墙面反射的光源LED优化方案。以照度均方差作为评价标准分析LED布局,通过积分推导出接收面照度和功率的表达式,构建了矩形布局优化模型函数F(l,x,y)和圆形布局优化模型函数F(r,x,y),并根据优化函数研究了照度均方差与房间尺寸、最佳布局与视场角的关系。仿真结果表明:LED矩形布局光源的位置存在最优点l=1.6m,视场角为ψFOV=80°,照度均匀性由传统布局的80.5%提升到84.3%;圆形布局光源的位置存在最优半径r=2m,视场角为ψFOV=80°,当LED位于最优点半径时,圆形布局的照度均匀性随着光源LED数量的增加由85.2%增加到89.2%。     

室内VLC系统光源布局设计

在可见光通信系统中,光源具有照明和通信的双重作用,由于房间的大小以及室内环境各不相同,难免会存在光照射不到或者光线比较微弱的地方,这些地方很有可能成为通信的盲区,这将会大大影响通信的质量,为了解决阴影效应,需合理对光源进行布局设计,以4 m4 m3 m房间为模型,采用四个LED列阵作为室内光源,将单个的LED光源看做朗伯光源,服从朗伯辐射模型,通过公式计算结合软件仿真分析对比得出了采用99大小的LED列阵,列阵距离屋顶边缘0.4 m,LED光源间的间距为0.03 m时,在满足国际室内照明标准的前提下,在距离屋顶2.25 m的4 m4 m接收平面上光照度分布最均匀,其均匀度达到90.4%。该光源列阵布局模型可推广到任意尺寸房间,为室内办公照明中光源的布局提供了一种可行的方案。     

人工智能技术的光通信系统光源布局研究

为提升光通信系统光源布局后的光照覆盖范围以及光照均匀度,研究人工智能技术的光通信系统的光源布局方法。以室内可见光通信系统通信原理为基础,根据LED光照度的分布,构建单颗LED灯珠的光照度环形光源布局,将补偿阵列增加至环形阵列的四个角中,实现角补偿阵列环形光源布局;并采用基于遗传模拟退火算法,对角补偿阵列环形光源布局中适应度函数寻优,提升算法的全局搜索能力和进化能力,以此实现最优功率调节因子的获取,完成光源布局的全局优化。实验结果表明:该方法可增加光照覆盖范围,提升光照均匀度,并有效保证光通信系统的稳定性,实现最佳的光源布局效果。     

基于LED光源的新型准直透镜的设计

利用复合抛物面与自由曲面相结合的方法,设计出一款体积小、能效高的LED光源准直配光透镜。将LED光源发出的光线分两部分分别进行配光设计。光源发出的一部分发散角为0o~20o的光线经过球冠折射收缩发散角后再利用自由曲面准直;光源发出的另一部分发散角为20o~80o的光线经过复合抛物面折射收缩发散角后再经自由曲面准直。结果显示,LED光线经此复合型准直透镜后光束发散角小于4o,光能利用率达90%,可满足目前对光源远距离准直需求。     

点对点可见光通信系统的光源优化布局研究

点对点可见光通信系统能够支持低能耗、高速率、大容量的数据交互业务。实际应用过程中,光源的选择与布局是关键研究技术之一。为进一步提高系统的通信性能,研究LED构成不同排列方式的阵列光源布局,提出了一种环形-角补偿的阵列光源布局。结果表明,这种光源布局方式能够有效增强接收端的光照度、接收功率及信噪比,并且提升接收端的信号质量,从而有益于点对点高速可见光通信系统的实现与推广。     

紫外-可见光谱水质检测系统的多束LED光纤耦合研究

针对紫外-可见光谱水质检测系统单个LED光源输出功率低、光束质量差的问题,提出了一种多束紫外LED光源与光纤合束耦合的结构设计方案.运用ZEMAX光学分析软件开展了仿真设计研究,针对紫外LED光源与光纤耦合发散角较大的问题,设计了非球面准直透镜,准直后发散角为0.403 mrad;针对光束尺寸与光纤的匹配问题,进行了消色差双分离聚焦耦合透镜的设计.实验结果表明,合束LED光束汇聚的弥散斑的RMS尺寸为186.412 μm,GEO点尺寸为290.071 μm,光束中95％以上的能量集中在300μm以内,实现了多束LED光源与光纤的高效耦合.     

一种基于大功率LED照明灯的可见光通信系统

基于强度调制及直接检测(IM/DD)原理,利用18×1 W大功率白光LED照明灯,以开关键控和二进制非归零码(OOK-NRZ)调制方式实现了可见光通信(VLC)系统的室内单向下行通信.为优化LED光源的布局,对光链路视线(LOS)信道损耗进行了理论分析,对LED光源建模并进行光线追迹仿真.系统采用基于TCP/IP的VL...     

光束发散角对紫外LED散射通信接收能量的影响

为了更准确地研究紫外光的通信性能,针对紫外LED散射光通信中光能量传输特征,以及光束发散角对散射链路构成与接收光子能量有一定影响,采用多个LED组成阵列发射的方法,扩大光束与散射体的作用效应,分析了光束发散角对不同散射体作用时光子能量的变化关系,研究了紫外光散射通信脉冲调制方法与提高发射功率措施,提出了脉冲位置调制驱动阵列LED的解决方案,并进行了紫外LED散射通信系统室外传输测试。结果表明,在短距离通信中,大的散射角使得光对散射体的作用区域增大,散射效应明显,到达光接收端的光子数量增加;实际通信应用中,散射光通信具有较高的灵活性和实时性,可适当进行光学处理来优化光路结构。此结果为进一步增加传输距离和传输效果提供了正确的指导。     

光束发散角对紫外LED散射通信接收能量的影响

为了更准确地研究紫外光的通信性能,针对紫外LED散射光通信中光能量传输特征,以及光束发散角对散射链路构成与接收光子能量有一定影响,采用多个LED组成阵列发射的方法,扩大光束与散射体的作用效应,分析了光束发散角对不同散射体作用时光子能量的变化关系,研究了紫外光散射通信脉冲调制方法与提高发射功率措施,提出了脉冲位置调制驱动阵列LED的解决方案,并进行了紫外LED散射通信系统室外传输测试。结果表明,在短距离通信中,大的散射角使得光对散射体的作用区域增大,散射效应明显,到达光接收端的光子数量增加;实际通信应用中,散射光通信具有较高的灵活性和实时性,可适当进行光学处理来优化光路结构。此结果为进一步增加传输距离和传输效果提供了正确的指导。     

基于深度学习的室内可见光通信光源配置策略

为了在不同的室内环境下寻求最优的光源优化方案,提出了一种基于深度学习的室内可见光通信光源配置策略。分别引入室内障碍物、自然光和人员移动干扰,以室内信噪比均匀度为目标函数,使用花授粉算法(FPA)对不同的房间状态下的光源功率和半功率角进行优化;将得到的房间状态和光源配置作为训练集,使用卷积神经网络（CNN）进行训练,得到的计算模型可以在不同房间状态下对最优光源设置进行预测,实现光源配置的动态调整。仿真结果表明：该策略的光源参数合格率达88%,且预测结果在房间信号功率和光照强度上均满足要求。     

室内可见光通信中接收光功率均匀性优化方法

针对室内可见光通信接收光功率分布不均匀造成通信性能不均衡的问题,提出一种LED阵列独立均匀分布布局,并运用改进自适应遗传算法优化LED阵列间距离和LED半功率角。优化遗传算法中的选择算子,并重新设计算法中的交叉和变异操作,采用改进自适应遗传算法优化影响系统性能的LED半功率角和LED阵列间距离。仿真结果表明:接收平面的接收功率方差从未优化前的3.02dBm降低到1.16dBm,照明强度范围从优化前的374~862lx改善至417~765lx。相比现有的接收光功率的优化方法,该算法的性能与收敛速度均得到改善。     

基于改进粒子群算法的室内可见光通信系统灯源布局

针对传统室内可见光通信(VLC)系统中光源分布的不均匀性导致的通信盲区和通信质量不平稳等问题,提出一种位置和灯源参数联合优化的方法.该方法在不改变传统布局的总功率前提下进行发光二极管(LED)阵列的重新分配,其次遍历搜寻各LED阵列的最优位置,最后运用改进的粒子群优化(PS0)算法对各LED阵列中的参数进行优化.仿真结...     

非视线紫外光散射通信的信道特性

在单次散射条件下,研究了非视线紫外光散射通信系统的信道特性.分析了传输损耗与光源发散角、接收视场和收发仰角等系统几何参数之间的关系,结果表明传输损耗随收发仰角的增大而增大,增加接收视场可以降低损耗;针对两种不同情况讨论了损耗随光源发散角的变化关系,发现发散角对损耗的影响较小,可根据应用场合适当确定.研究了信道的多径传输现象及其对系统性能的影响,结果表明多径传输引起的脉冲展宽将导致码间干扰的产生,限制系统的通信速率,并定量讨论了NRZ码和RZ码两种情况下码间干扰的影响,发现相对于NRZ码,采用RZ码可以有效地减轻码间干扰,获得更高的通信速率.     

LED方形阵列光斑的发散特性研究

利用单个LED芯片的照度公式推导出LED方形阵列的照度公式、光斑半径和发散角公式,利用LED方形阵列的光斑半径和发散角公式研究了LED方形阵列光斑的半径和发散角随目标距离、随m值以及方形阵列的边长的变化关系.得出了这三种情况下光斑半径和发散角的变化规律.这些规律的获得为利用LED方形阵列来实现照明设计提供了定量的理论依据.     

一种在线式超低量程浊度高精度测量传感器研制

本文基于浊度90.散射检测原理,设计并制备了在线式超低量程浊度检测传感器.采用发散角为±4°、波长为850nm的高亮红外LED作为光源,以LED前端透镜结构替代原传感器所需光源准直结构,降低传感器复杂度、缩小体积并提高稳定性;采用灵敏度高、噪声低、体积小的硅光电倍增管作为光敏探测元件;配合所设计的后端微弱信号采集、处理...     

非视线光散射通信的大气传输模型

利用大气对光的散射作用可以实现非视线通信.在单次散射假定下,研究了非视线光散射通信系统的大气传输模型.利用该模型分析了光源发散角、接收视场和收发仰角等系统几何参数与接收散射光能量之间的关系;重点讨论了大气分子散射和气溶胶散射各自对接收散射光能量的贡献.结果表明当系统的收发仰角较大时,接收光能量主要来自大气分子散射;反之,气溶胶散射则成为接收光能量的主要部分.对于工作在日盲紫外光谱区的非视线通信系统,增加接收视场可以有效地增大系统的信噪比.发现在两种典型的收发仰角情况下,接收散射光能量随光源发散角的变化趋势是相反的,这说明光源发散角要根据实际的应用场合设计确定.     

用于LED光源准直的紧凑型光学系统设计

设计了一种光学系统,用于发光二极管(LED)光源准直,并通过TracePro软件仿真进行了验证。该系统采取了折射和反射式自由曲面的组合,使LED光源的发散角从70°减少到约4°,效率在约85%,系统的高度为7.65mm,口径为8.73mm。分析了折射和反射的最佳分界角区域是41°～45°,最佳分角比例因子是0.4～0.5。     

荧光粉发光层对白光LED平面光源发光特性的影响

以COB形式封装的白光LED平面光源为研究对象,系统研究了平面封装结构中荧光层对白光LED平面光源发光特性的影响.采用丝网印刷法制备了不同浓度与印刷层数的荧光层,并采用平面封装的LED蓝光光源作为激发光源,以类比法研究分析了不同发光层膜厚对白光平面光源平均照度、色坐标和光通量等参数的影响,系统地阐述了发光层对平面光源发光性能的决定因素及工艺优化条件.结果表明,当荧光粉浆料浓度为46％～53.6％,厚度为20～38 μm时,结合平面蓝光LED激发可以获得照度大、颜色纯正的白光LED光源,且白光LED平面光源具有较高的光通量值,表现出优良的光学特性.     

圆形LED阵列的光斑发散特性研究

为了获得圆形发光二极管(LED)阵列的光斑发散特性,利用单个LED芯片的照度公式推导出圆形LED阵列的照度公式、光斑半径和发散角公式.采用数值计算方法对圆形LED阵列光斑的发散角随m值、随阵列半径以及随目标距离的变化规律进行了理论分析,取得了这3种情况下光斑发散角的变化数据.结果表明,光斑发散角随m值的增加而减小,随阵列半径增加而减小,随目标距离的增加而增大.这一结果对利用圆形LED阵列来实现照明设计是有帮助的.     

圆形LED阵列的照度特性及其应用

利用单个LED芯片的照度公式推导出圆形LED阵列的照度公式和光斑的发散角公式,利用圆形LED阵列的照度公式和光斑的发散角公式研究了圆形LED阵列的照度峰值和光斑发散角随目标距离、结构参数以及芯片数的变化关系。得出了这三种情况下照度峰值和光斑发散角的变化规律。这些规律为利用圆形LED阵列来实现照明设计提供了定量的理论±据。