一種室外可見光通信接收端自然背景光濾波方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于可見光無線通信技術、光學濾波技術、移動車輛間LED車燈可見光通 信技術領域，具體涉及一種室外可見光通信接收端自然背景光濾波方法。
【背景技術】
[0002] 可見光通信技術（Visible Light Communication，VLC)是指利用可見光波段的光 作為信息載體，不使用光纖等有線信道的傳輸介質，而在空氣中直接傳輸光信號的通信方 式。LED車燈具有高效率低能耗，壽命長，環(huán)保，高亮度耐高溫，體積小，穩(wěn)定性能好等特點， 除此之外LED車燈具有較快的光電轉換效率，于是可以對光進行人眼無法感測的閃爍脈沖 光強度調制，實現(xiàn)了 LED車燈在傳統(tǒng)照明的功能上同時進行了通信的目的?？梢姽鉄o線通 信是一種新興的無線光通信方式，具有極大的研究價值和廣泛的應用前景。
[0003] 文獻"A Dual-Receiving Visible-Light Communication System for Intelligent Transportation System" 中介紹了 智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS)中的交通燈與汽車之間的通信方式和車與車之間的通信方 式，提出了一種分集接收的裝置。文中使用的是LED交通燈進行可見光通信，LED交通燈分 別是由單一的LED紅燈、黃燈、綠燈組成。因此，在同一時間內只接收一種顏色光，所以接 收端的濾波器只需通過一種顏色的光；該文獻是針對交通燈進行的，而本發(fā)明是針對白光 LED，不屬于同一領域。
[0004] 文獻 "Outdoor Visible Light Communication For Inter-Vehicle Communication Using Controller Area Network"將可見光通信應用到了車輛的控制器局 域網絡（Controller Area Network, CAN)中，其主要研究了車與車之間的通信。文中的接 收系統(tǒng)在接收器外層增加了一層光罩來減少背景光對接收器的干擾，并沒有對背景光譜進 行分析濾波。
[0005] 專利"可調諧薄膜濾波器"（申請?zhí)枮?00620040819. 1)中，所濾波長調諧范圍在 I. 4um到I. 6um段，并不適用可見光波段。
[0006] 專利"光學濾波器"（申請?zhí)枮?00880020360. 0)中，適用于具有排列的多個傳感 器像素的圖像傳感器。該濾波器主要抑制光學照射方向的光線，便于剝離濾波后多個陣列 傳感器的光照；與本發(fā)明針對的技術主題不同。
[0007] 專利"光學低通濾器"（申請?zhí)枮?00920136004. 7)專利用于日間拍攝時的顏色失 真，抑制了摩爾紋虛假信號的產生；與本發(fā)明針對的技術主題完全不同。
[0008] 本發(fā)明適用于汽車LED前照燈之間的可見光通信。汽車LED前照燈發(fā)射的光譜范 圍是412nm到775nm，在這個波段間信號光和太陽光光譜范圍有較多的重疊。因此，設計一 款新型光學濾波器，盡可能多的讓LED載波光信號通過，同時濾除更多太陽背景光，提高接 收端信噪比。

【發(fā)明內容】

[0009] 為了解決室外可見光通信信號光和太陽光光譜范圍有較多的重疊，造成接收端信 噪比下降、信號和噪聲難于分離的問題，本發(fā)明在仔細了分析太陽光譜和汽車LED前照燈 光譜之間的相似與非相似區(qū)域，以及兩者之間的帶寬關系的基礎上，提出了設置在接收端 前端的一種室外可見光通信接收端自然背景光濾波方法，本發(fā)明提出的濾波方法中設計的 光學濾波器能夠濾除非相似區(qū)域的太陽背景光，濾出相似區(qū)域的信號光，并盡可能多的保 留信號光帶寬，提高了信噪比。采用的技術方案為：
[0010] -種室外可見光通信接收端自然背景光的濾波方法，包括以下步驟：
[0011] 步驟1，分析白光LED的光譜特征和太陽光的光譜特征，依據(jù)所述白光LED光譜特 征和所述太陽光光譜特征的對比結果選取濾光片；
[0012] 步驟2,設計步驟1中所述濾光片的結構；所述濾光片包括若干層薄膜；
[0013] 步驟3,依據(jù)光線射入濾光片的入射角與濾光片通帶之間的關系，設計入射光角度 選擇器；
[0014] 步驟4,設計光學濾波器進行噪聲濾除；所述光學濾波器包括步驟3中所述的入射 光角度選擇器、步驟2中所述的濾光片、聚焦透鏡和光電探測器；所述入射光角度選擇器設 置在所述濾光片的入射面，所述聚焦透鏡設置在所述濾光片的出射面，所述光電探測器設 置在所述聚焦透鏡的后方焦點處。
[0015] 作為優(yōu)選，所述步驟1中所述的濾光片為誘導透射濾光片。
[0016] 作為優(yōu)選，所述步驟2中所述的若干層薄膜包括：入射層、基底層、金屬層、減反射 膜堆、匹配膜層；所述金屬層、所述減反射膜堆、所述匹配膜層均位于所述入射層和所述基 底層之間、并且所述金屬層位于所述入射層和所述基底層之間的中心位置，所述金屬層的 兩側由內而外均依次設有所述匹配膜層和所述減反射膜堆，所述金屬層兩側的匹配膜層以 所述金屬層為對稱中心呈對稱分布，所述金屬層兩側的減反射膜堆以所述金屬層為對稱中 心呈對稱分布。
[0017] 作為優(yōu)選，所述減反射膜堆包括：高折射率λ /4膜層H和低折射率λ /4膜層L ; 所述高折射率λ/4膜層H和低折射率λ/4膜層L交替設置組成2Ρ+1層膜、并且所述2Ρ+1 層膜的兩端均為高折射率λ /4膜層H ;
[0018] 其中，P為整數(shù)系數(shù)，λ為中心波長。
[0019] 作為優(yōu)選，所述濾光片的設計方法為：
[0020] 步驟2.1，在所述金屬層表面疊加一層折射率為~，相位厚度為δ的匹配膜層，所 述匹配膜層的光學厚度在λ/4和λ/2之間；其中，λ為中心波長；
[0021] 步驟2. 2,在所述匹配膜層上疊加減反射膜堆；
[0022] 步驟2. 3,在所述減反射膜堆上設置入射層和基底層。
[0023] 作為優(yōu)選，所述入射層和所述基底層均為玻璃，所述金屬層為銀，所述高折射率 λ /4膜層H為硫化鋅，所述匹配膜層和所述低折射率λ /4膜層L均為冰晶石。
[0024] 作為優(yōu)選，所述金屬層的厚度為26. 80nm，所述匹配膜層的厚度為低折射率λ/4 膜層厚度的m倍。
[0025] 作為優(yōu)選，所述λ = 491. 9nm，所述P = 2,所述m = 1. 67。
[0026] 作為優(yōu)選，所述步驟3中所述的入射光角度選擇器的光接收角為0° < Θ <1〇°。
[0027] 本發(fā)明的有益效果：
[0028] (1)本發(fā)明針對室外LED光通信系統(tǒng)的接收端設計了一款新型結構的光學濾波 器，能有效的將背景光濾除，此外還提出了入射光的最佳入射角Θ為0° < Θ <1〇°，減 小了濾光片通帶形狀隨Θ角變化的形變程度，保障了通信的質量。
[0029] (2)設計的光學濾波器濾除了大量的太陽光背景噪聲，能使整個系統(tǒng)的通信質量 得到了較大的提高，經公式計算和仿真實驗分析，背景光功率與原來相比降低了 26%左右， 信噪比（SNR)提高了 42. 5%左右。
【附圖說明】
[0030] 圖1為可見光通信接收端的系統(tǒng)框圖；
[0031] 圖2為太陽光譜和白光LED光譜圖；
[0032] 圖3為誘導投射濾光片的基本膜系結構示意圖；
[0033] 圖4為銀（Ag)層厚度為26. 8nm時的濾光片通帶形狀圖；
[0034] 圖5為白光LED光譜，太陽光光譜和濾光膜通帶對比圖；
[0035] 圖6為濾光片通帶形狀隨Θ角度的變化圖；
[0036] 圖7為光學濾波器的整體結構俯視圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的描述。
[0038] 根據(jù)調查，目前車燈LED普遍是由藍光LED芯片加黃磷熒光粉的方式制成；本發(fā) 明中的白光LED就是指所述的車燈LED。如圖2中虛線是標準的白光LED光譜，實線是標 準的太陽光光譜?？梢园l(fā)現(xiàn)白光LED光譜在472nm到775nm波段與太陽光光譜相重疊，在 412nm到472nm波段且相對強度大于34%小于94. 67%的LED光譜區(qū)域與太陽光譜不相重 疊。因此在接收端設計一個光學薄膜濾波器，將LED載波光盡可能多的保留，與此同時把背 景太陽光盡可能多的濾除，以保證高質量的信噪比。
[0039] 如圖1所示，為可見光通信接收端的系統(tǒng)框圖，光通信接收系統(tǒng)包括光學濾波模 塊、光電探測器、數(shù)字信號放大電路、數(shù)字信號/模擬信號轉換器、模擬放大器和信號接收 模塊；所述光學濾波模塊、光電探測器、數(shù)字信號放大電路、數(shù)字信號/模擬信號轉換器、模 擬放大器和信號接收模塊依次相連接；光學濾波模塊接收大氣中的可見光并濾除噪聲，光 電探測器接收光學濾波模塊輸出的可見光信號并轉換為電信號1后輸出給數(shù)字信號放大 電路，數(shù)字信號放大電路將電信號1放大后輸出給數(shù)字信號/模擬信號轉換器進行D/A轉 換，模擬放大器將D/A轉換后的模擬電信號進行放大處理后送給信號接收模塊進行處理。 本發(fā)明主要針對光學濾波模塊進行具體的設計。
[0040] 具體的設計過程如下：
[0041] (1)分析白光LED的光譜特征和太陽光的光譜特征，依據(jù)白光LED光譜特征和太陽 光光譜特征的對比結果選取濾光片。
[0042] 如圖2所示，白光LED光譜的峰值位于459nm處，相對強度達到了 94. 67%，在 412nm到472波段且相對強度大于34. 00%小于94. 67%的LED光譜區(qū)域與太陽光譜不相重 疊，所以此區(qū)域的LED光譜必須濾出。同時分析LED光譜的整體形狀，為一個分裂的雙峰形 狀，主峰位于459111]1處，峰值透射率為94.67%，帶寬為2〇111]1，次峰位于568111]1處，峰值透射 率為66.40%，帶寬為8311111。
[0043] 結合上述分析，選擇誘導透射濾光片，此種濾光片有著很高的峰值透射率和寬廣 的截止區(qū)因此它不僅適用于不要求很窄的通帶，而且適用于要求很高的峰值透射率和很寬 的截止區(qū)的各種應用。金屬膜的吸收不僅決定于金屬膜本身的光學常數(shù)（折射率n，消光系