專利名稱：面陣光電傳感器輸出信號的移動跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光無線通信領(lǐng)域，特別涉及光接收機面陣光電傳感器輸出信號的一種移動跟 蹤方法。
背景技術(shù)：
光通信系統(tǒng)的接收機主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器和信號處理電路組成。光學(xué)系統(tǒng)收集、 過濾空間的光信號，使其匯聚在光電探測器上；光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出到信 號處理電路；信號處理電路進(jìn)行相應(yīng)的放大、濾波、檢測、解調(diào)、解碼等最終形成接收數(shù)據(jù)。 在這樣的光通信系統(tǒng)中光接收機通常用的是單元光電探測器，信號輸出只有一路。
采用面陣/線陣光電傳感器的光接收或探測裝置， 一般應(yīng)用于圖像采集系統(tǒng)，如數(shù)碼照相 機、數(shù)碼攝像機、光電掃描儀等；采用多元光電傳感器的光接收機， 一般應(yīng)用于光電定位、 測量、跟蹤設(shè)備，如激光準(zhǔn)直儀和導(dǎo)引系統(tǒng)的四象限光電探測器等。面陣光電傳感器是由大 量像元組成的傳感器，每一個像元除了包含一個光電轉(zhuǎn)換器外，還有它的外圍電路，如同CMOS 圖像傳感器和CCD圖像傳感器那樣，其像元的排列一般為矩形。面陣傳感器的輸出方式一般 是取樣輸出，輸出的是離散模擬信號。多元光電傳感器是由多個獨立的光電轉(zhuǎn)換器單元組成 的傳感器，單元數(shù)量一般不會太多，光電轉(zhuǎn)換器的排列根據(jù)應(yīng)用也呈不同形狀。多元光電傳 感器的輸出方式一般是連續(xù)的并行模擬信號。
在本專利中并不特意區(qū)分面陣與多元傳感器，最小組成單位都稱為像元。
光無線通信最常見的技術(shù)是用于便攜設(shè)備近距數(shù)據(jù)交換的IrDA (國際紅外數(shù)據(jù)協(xié)會)點 對點紅外通信標(biāo)準(zhǔn)，所用的光接收器件是單元光電轉(zhuǎn)換器，接收和發(fā)射視場比較大。在這種 情況下，通信過程中終端之間的有限度地相對移動不會造成通信中斷。發(fā)射光源只要在接收 機的視場內(nèi)，光電轉(zhuǎn)換器都可以獲取并輸出信號。
但是，當(dāng)使用面陣/多元光電傳感器作為光接收機的探測器時，為了滿足高速通信的要求， 只選擇響應(yīng)了通信光信號的像元輸出，當(dāng)收發(fā)機之間存在移動時，響應(yīng)通信光源的像元位置 隨之而變，因此必須具有跟蹤輸出像元的能力，以保證通信不被中斷，否則實用性將受到比 較大的限制。在實際應(yīng)用中，室內(nèi)通信終端主要是便攜設(shè)備，如筆記本電腦、PDA (個人數(shù)字 助理)、手機等。在通信過程中它們的移動一般是限于室內(nèi)范圍的有限度的移動，或者在固定 位置上手持時存在的晃動。通信光源應(yīng)該始終處于光學(xué)系統(tǒng)的視場之內(nèi)。
涉及面陣/多元傳感器輸出的跟蹤技術(shù)有幾種類型。 一種是視頻信號壓縮/解壓縮標(biāo)準(zhǔn)中 使用的運動估計技術(shù)。其目的是為了提取視頻信號幀與幀之間的相關(guān)信息，確定參考幀，以 實現(xiàn)高效壓縮。這種估計完全基于圖像信息，將圖像劃分為宏塊，追蹤宏塊的移動，這與硬 件方面相關(guān)的圖像傳感器的輸出方式?jīng)]有特別關(guān)系，屬于視頻處理技術(shù)，無法滿足選擇性輸 出的跟蹤。另外一種是基于四象限探測器的定位/跟蹤技術(shù)，這種技術(shù)根據(jù)光斑投射在光電探 測器四個象限上的位置不同導(dǎo)致的輸出幅度不同，計算光斑相對中心位置的偏移，從而進(jìn)行 調(diào)整，使光斑投射到四象限探測器的中心。但這種技術(shù)依賴于探測器的規(guī)格，不存在選擇性。 還有一種是數(shù)碼相機的防抖動技術(shù)。在按下快門的時刻，抖動會造成像在傳感器上的移動， 從而引起輸出圖像模糊。抗抖動的方法之一是附加一個加速度傳感器檢測快門按下時相機的 位移，根據(jù)加速度信號調(diào)整光軸使圖像傳感器上的像保持相對不動。這種技術(shù)適應(yīng)于單次、 慢速、小范圍的移動處理。
上述三種技術(shù)針對不同的應(yīng)用都非常成熟有效，但均無法直接用于實現(xiàn)高速可見光通信 的面陣光電接收機上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在以面陣傳感器為探測器的光接收機中，實現(xiàn)選擇性地輸出，并在收發(fā) 機之間有相對移動的情況下跟蹤輸出。
本發(fā)明的主要特征是接收機采用面陣光電傳感器，面陣光電傳感器的部分像元響應(yīng)有用 的通信光信號，接收機選擇其中一些或全部像元作為輸出。同時，定義其中處于通信光光斑 邊緣的像元作為定位像元，當(dāng)接收機或者發(fā)射機移動時，通過對比定位像元輸出的信號幅度， 估計出通信光斑移動的方向和位置，將輸出選擇切換到新位置的像元上。
在光無線通信系統(tǒng)中，光源相對而言可看作是點光源，比如LED就是最常用的點發(fā)射光 源，無論是什么波段，通過光學(xué)系統(tǒng)成像于面陣傳感器上后，直射光都顯示為比較規(guī)則的光 斑。當(dāng)面陣傳感器的分辨率比較高時，光斑往往會覆蓋幾十個甚至幾百個像元。這些像元中 的光電轉(zhuǎn)換器都會對照射的光信號做出反應(yīng)。接收機通過識別它們的位置，選擇其中部分像 元或者全部像元的響應(yīng)作為輸出。當(dāng)發(fā)射光源以及光接收機都不移動，也不需考慮光信道中 其它物體的影響時，這種輸出位置不會改變。但是，只要收發(fā)機任何一方有移動，甚至只是 抖動，就會造成通信光源成像光斑的位移，由此導(dǎo)致響應(yīng)通信光的像元改變。如果此時不能 快速切換輸出，就會發(fā)生通信中斷。
為了保證整個通信過程能夠動態(tài)適應(yīng)收發(fā)機之間的相對運動，需要實時監(jiān)控通信光斑的 位置變化并及時調(diào)整輸出通道，即需要動態(tài)選擇輸出像元。本發(fā)明對光斑位置監(jiān)控的方法是 選擇處于光斑邊緣4個不同方向上的像元作為定位像元，通過實時對比定位像元的輸出大小 的變化，估計移動的方向和移動量，并根據(jù)估計結(jié)果，隨時切換輸出像元，即讓輸出像元的 選擇跟蹤光斑中心位置的移動。
當(dāng)光發(fā)射機采用LED陣列作光源時，它在光接收機面陣傳感器上的成像有兩種情形。一 是當(dāng)它距離光接收機較遠(yuǎn)時，陣列LED在面陣傳感器上的成像由于分辨率的關(guān)系，成為一個 光斑，比如是矩形光斑；另外一種情形是當(dāng)它距離光接收機較近，且陣列的平面與光接收機 的光軸之間角度接近垂直時，LED陣列的每一個LED單元在面陣傳感器上能夠單獨成像。那 么對第一種情形，定位像元可以在整個光斑的邊緣覆蓋像元上選取，而對第二種情形，定位 像元可以在任一單元LED光斑的邊緣選取。


圖1是基于面陣光電傳感器的光通信系統(tǒng)示意圖。發(fā)送端一個LED光源(也可以是LED 陣列)通過攝影光學(xué)系統(tǒng)在面陣傳感器上成像，所覆蓋的象元對LED光信號響應(yīng)，轉(zhuǎn)換為電 信號被選擇輸出。
圖2是本發(fā)明實現(xiàn)跟蹤光斑移動的方案。當(dāng)通信光源投射的光斑移動時，從4個定位像 元的輸出變化對比估計移動位置，切換輸出到新的像元。像元坐標(biāo)(義,力在X方向用字母表 示，Y方向用數(shù)字表示。
圖3示意定位像元與輸出像元的設(shè)置與選擇方案。像元坐標(biāo)(a/)用X、 Y方向的數(shù)字 表示，X代表橫向坐標(biāo)。
圖4是跟蹤光斑移動切換數(shù)據(jù)信號輸出的流程。
具體實施例方式
基于面陣光電傳感器的光接收機，其基本組成如圖1所示，這是一種簡化的例子。在光 發(fā)送端，發(fā)送的數(shù)據(jù)流經(jīng)過調(diào)制器(1-1)調(diào)制成脈沖信號通過發(fā)光二極管LED (1-2)發(fā)送 出去。在光通信中應(yīng)用的調(diào)制方法， 一般是脈沖幅度調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制等。 光學(xué)系統(tǒng)(1-3)將視場內(nèi)的光匯聚在面陣光電傳感器(1-4)上，其中通信光源(1-2)成像 在面陣傳感器上的l-5位置形成一個光斑。光斑并非就是實際顯示情況，實際中不會有分明 的邊緣，在周邊由于存在光源的散射很可能邊緣比較模糊。面陣光電傳感器主要有排成陣列 的光電轉(zhuǎn)換器及其外圍電路組成，光電轉(zhuǎn)換器將作用在傳感器上光信號轉(zhuǎn)換為電信號。面陣 光電傳感器的輸出由行地址選擇電路(1-6)及輸出電路(1-8)控制。在接收機的主控制器/ 信號處理器(1-7)的控制下，可以選擇面陣傳感器上的任一行或任一個像元的信號輸出。在 圖1中情形，應(yīng)該選擇光斑(1-5)覆蓋下的像元之一或者幾個作為輸出。輸出的模擬信號， 經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(1-9)后，送到DSP (數(shù)字信號處理器)(1-7)進(jìn)行后續(xù)處理，得到接收數(shù) 據(jù)。
上述方案，當(dāng)收發(fā)機之間的位置固定不動時，忽略空間傳輸信道的影響，通信光源的成 像光斑(1-5)也不會變動，因此固定輸出像元就可以保證通信的正常進(jìn)行。但是，當(dāng)接收機 有任何移動時，光斑(1-5)的位置就隨之變化，只要變化導(dǎo)致輸出像元超出光斑覆蓋范圍， 通信就發(fā)生中斷。
為了解決這個問題，本發(fā)明采用了一種實時定位方法，能夠估計光斑的移動方向和位置 并實施切換。實施方案之一如圖2所示。這里忽略了系統(tǒng)的其它組成部分，包括通信光源(假 設(shè)是LED)、成像光學(xué)系統(tǒng)等。圖2中的2-l是面陣光電傳感器，2-2表示通信光源的成像光 斑，2-4是行地址選擇器，2-5是輸出移位寄存器，2-6是多輸出的多路選擇器，2-7和2-9 是信號放大器，2-8和2-10是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，2-ll是數(shù)字信號處理器。
在圖2所示方案中，針對接收面陣傳感器輸出信號的移位寄存器的工作方式，系統(tǒng)有兩 種工作模式 一種是串行輸出模式， 一種是選擇輸出模式。
串行輸出模式是常規(guī)圖像傳感器的輸出方式，對應(yīng)視頻信號的行、場掃描順序，行地址 選擇器每次選擇一行像元，將其響應(yīng)信號同時輸出到移位寄存器(2-5)中，然后在位時鐘的 觸發(fā)下，逐位通過連接線B1串行輸出到DSP。在行時鐘的觸發(fā)下，通過順序改變行地址，便 可以得到一幀信號。
選擇輸出模式是實施通信時的工作方式。在這種方式下，除了有行地址選擇器(2-4)夕卜， 還有列地址選擇器(圖2中沒有畫出，應(yīng)該在標(biāo)示列坐標(biāo)的字母處，與行地址選擇器的功能 相同)，像元可以被單獨選擇，可同時選擇一個或者多個。這兩個地址選擇器，不同于一般的 地址譯碼器，它們每次可以選擇多條地址線。在行、列地址選擇線的交叉點上，就是被選中 的輸出像元。像元一旦被選中，它的響應(yīng)信號就被按列輸出到對應(yīng)的移位寄存器(2-5)位上。 為了不使同一列上的像元重疊輸出到移位寄存器(2-5)中，應(yīng)該保證每次所選的多個像元處 于不同列上(但可以處于同一行上)。
現(xiàn)在假定系統(tǒng)工作在通信模式。圖2中的2-2是最初通信光源的成像光斑，DSP選定像 元(< , W)(圖中表記為0的像元)作為通信信號的輸出(為簡化說明這里假設(shè)只選擇了一個， 實際中可以選擇多個以增強信號輸出)，當(dāng)行地址選擇器(2-4)輸出第13行的觸發(fā)信號后， 該像元信號輸出到移位寄存器(2-5)的對應(yīng)位中。移位寄存器(2-5)的每一位均連接到多 路選擇器(2-6)上。多路選擇器(2-6)的選擇功能類似一個交換機，根據(jù)選定的數(shù)據(jù)輸出 像元坐標(biāo)，可以將移位寄存器的任意一位連接到特定的輸出通道上。多路選擇器(2-6)在圖 中共有5路輸出通道，中間的一個通道是數(shù)據(jù)信號通道，其輸出經(jīng)過放大器(2-7)放大調(diào)理 后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2-8)變成數(shù)字信號送到DSP中處理；另外4路是多功能輸出通道，可 作為定位信號的輸出通道，也可作為數(shù)據(jù)信號的輸出通道。如果光斑(2-2)不存在移動，那 么多路選擇器(2-6)的數(shù)據(jù)輸出通道就一直連接在移位寄存器的第9位上(面陣傳感器的列 標(biāo)記向下一直對應(yīng)到2-5， 2-6上)，其輸出通過2-8轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，DSP做進(jìn)一步的處
理，解出接收數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)收發(fā)機之間發(fā)生相對移動時，對應(yīng)的光斑也發(fā)生移動。假設(shè)從 原來的2-2位置，沿圖中箭頭方向移動到了2-3的位置。那么，原先選定的數(shù)據(jù)輸出像元(ft/J)
將不再被光斑覆蓋，輸出中就不再是有用的數(shù)據(jù)信號為主，而是背景光干擾信號為主。
為了能夠適應(yīng)接收機移動/抖動的影響，必須能夠?qū)崟r切換像元輸出，使多路選擇器(2-6) 的數(shù)據(jù)輸出通道始終連接在響應(yīng)了通信光信號的像元輸出上。對此，本實施方案設(shè)定了 4個 定位像元來估計通信光斑的移動。這4個像元的初始位置以光斑(2-2)的中心位置為參考點， 沿4個不同的方向上(上、下、左、右)在光斑的邊緣選定，如圖中標(biāo)示的像元l (t,7力、 2 (島W)、 3 O,/7)、 4 (p, 9人并且和像元O相互之間都不在同一列。按照選定的像元位置 所在的列，多路選擇器(2-6)將輸出通道分別連接到對應(yīng)的像元輸出上。對應(yīng)的規(guī)則為定 位輸出通道1、 2、 3、 4 (與2-10的通道標(biāo)號一致)始終按照上、下、左、右順序?qū)?yīng)定位 像元。圖2情形即多路選擇器(2-6)的4個定位輸出通道1、 2、 3、 4分別對應(yīng)像元1、 2、 3、 4所在列。當(dāng)光斑(2-2)不動時，這4個像元的輸出不發(fā)生變化，輸出值的差別也不大。 而當(dāng)光斑移動時，處于一邊的像元首先移出光斑覆蓋范圍，而另外一邊的像元會向光斑中間 靠近，不會一下全部移出。在放大的圖3中顯示了這個過程。圖3中3-1表示面陣傳感器的 一部分，像元坐標(biāo)在橫向和縱向都用數(shù)字表示。通信光源光斑的初始位置是3-2，當(dāng)接收機識別出來這個位置后，選擇像元0 ( 5^6) 作為數(shù)據(jù)輸出像元，選擇像元1 (站")、2 (W ")、 3 (忍7幻、4 (兆")作為定位像 元，3-6顯示了此時對應(yīng)的行地址觸發(fā)位置，3-9顯示了此時對應(yīng)的列輸出位置，即多路選擇 器(2-6)輸出通道的選擇位置。當(dāng)光斑沿圖中箭頭方向從3-2移到3-3時(大約移動了一個 像元尺度)，選定的5個像元中像元4移出了光斑覆蓋范圍、像元2部分移出了光斑覆蓋范圍、 數(shù)據(jù)輸出像元0 (35, 76)向邊緣靠近。對比4個定位像元輸出變化，就可以定量估計光斑的 移動位置，其參考方向是選定的4個定位像元確定的坐標(biāo)，如圖中虛線(3-10)所示。此時， 數(shù)據(jù)像元并仍舊在光斑覆蓋之下，能夠正常輸出數(shù)據(jù)信號。但是，為了在連續(xù)移動的情況下 不會被突然移出，數(shù)據(jù)像元應(yīng)該在移出之前根據(jù)所判斷的移動方向和量切換到最佳輸出位置。 根據(jù)圖3中所示，即像元0 上。這個切換能夠保證連續(xù)切換，在數(shù)據(jù)脈沖間隙內(nèi)多
路轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出通道從圖3中的35列切換到34列即可。這個過程也可以采取分集切換 的方式，只需要在多路轉(zhuǎn)換器中增加一個數(shù)據(jù)通道。在切換的過程中，這兩個通道同時工作， 并將輸出合并。等到像元0 (J^/。完全移出后，這個通道就成為切換的備用通道，等待下 一個新確定像元的位置。
除了實時調(diào)整數(shù)據(jù)像元外，定位像元跟隨光斑的移動也做相應(yīng)調(diào)整，以保證能夠動態(tài)監(jiān) 控光斑的移動。如圖3中情形，新的定位像元將分別選擇為N ")、 S (范W)、 W (觀7《)、 E( 7,/5)。同時，多路轉(zhuǎn)換器也及時將定位輸出通道切換到對應(yīng)新定位像元的位置上，圖3 情形即， 么M、 S0、 J7列上。如3-7所示輸出選擇關(guān)系，3-8是新的行地址觸發(fā)位置，其中
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包括了數(shù)據(jù)輸出通道(對應(yīng)34列)。此時，如果光斑繼續(xù)移動，新的定位像元建立的參考座 標(biāo)就可以繼續(xù)擔(dān)當(dāng)移動位置的判定。如此反復(fù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)的光斑跟蹤、輸出切換，保 證了通信的連續(xù)性。
圖4是上述流程的總結(jié)，并且包含了光斑是否靠近視場邊緣的判斷。當(dāng)光斑靠近面陣傳
感器的邊緣時，就是通信光源靠近了光接收機的視場邊緣。如果是手持式通信設(shè)備，比如手 機，那么發(fā)出這樣的告警信號，會提醒操作者注意調(diào)整位置，保持通信正常進(jìn)行，或者如果 通信系統(tǒng)支持光源切換的話，控制接收機尋找并準(zhǔn)備切換到另外的通信光源上，只要兩個光 源同時處于接收機視場之內(nèi)，就可以實現(xiàn)無縫的轉(zhuǎn)移。
上述發(fā)明實施方案針對的面陣傳感器無論是取樣輸出還是連續(xù)輸出，無論組成的像素多 和少，均不影響實現(xiàn)方法的實質(zhì)，所需改變的只是外圍電路。
上述發(fā)明實施方案中多路選擇器的輸出通道，包括數(shù)據(jù)輸出通道和定位輸出通道的數(shù)量 完全可以視應(yīng)用需求改變。
上述在通信應(yīng)用中的實施方案，其概念顯然還可以擴展到其他領(lǐng)域，如基于紅外或者雷 達(dá)成像的高速目標(biāo)跟蹤、定位測量系統(tǒng)等，也可以有不同的實現(xiàn)方法，但是所有基于面陣傳 感器選擇性輸出的移動跟蹤都不脫離本發(fā)明的基本概念及保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種光通信接收裝置，由成像光學(xué)系統(tǒng)、面陣光電傳感器和相應(yīng)的輸出控制和信號處理電路構(gòu)成。a)成像光學(xué)系統(tǒng)將視場內(nèi)的一個或多個通信光源成像在面陣光電傳感器上；b)面陣光電傳感器由多個像元組成，像元的核心是光電轉(zhuǎn)換器；c)輸出控制電路選擇、控制面陣光電轉(zhuǎn)換器中各像元的輸出；d)信號處理電路接收并處理光電傳感器的輸出信號。
2. 權(quán)利要求l中所述的輸出控制電路-a) 選擇通信光源在面陣傳感器上成像光斑中心覆蓋像元作為數(shù)據(jù)輸出像元，并將其 輸出連接到所述的信號處理電路。b) 選擇通信光源在面陣傳感器上成像光斑邊緣處不同方向上的4個或者更多像元作 為定位像元，并將它們的輸出分別連接到信號處理電路。
3. 權(quán)利要求1中所述的信號處理電路根據(jù)權(quán)利要求2中所述的定位像元的輸出估計通信 光源在面陣傳感器上成像光斑的移動，當(dāng)有移動發(fā)生時，輸出控制電路切換權(quán)利要求 2中所述的數(shù)據(jù)輸出像元到新的像元位置，同時切換所述的定位像元到新的像元位置。
4. 當(dāng)權(quán)利要求2中所述的數(shù)據(jù)輸出像元有多個、到信號處理電路的連接通道有多個時， 權(quán)利要求3中所述的數(shù)據(jù)輸出像元的切換是分集切換，分集源是同一個通信光源或者 是不同的通信光源。
5. 根據(jù)通信光源成像光斑覆蓋的像元位置坐標(biāo)，信號處理電路推定通信光源與接收機視 場邊緣的距離，當(dāng)判斷出發(fā)送光源已經(jīng)接近視場邊緣時，發(fā)出相應(yīng)信號，此時當(dāng)存在 可切換的其它通信光源時，實施權(quán)利要求4中所述的不同光源分集切換。
全文摘要
本發(fā)明提出一種面陣光電傳感器輸出信號的移動跟蹤方法。由成像光學(xué)系統(tǒng)和面陣光電傳感器組成的光接收機，存在輸出像元的選擇問題，并且當(dāng)收發(fā)機之間有相對移動時，響應(yīng)通信光的像元位置發(fā)生改變，此時需要跟蹤切換，避免通信中斷。本發(fā)明通過在選擇數(shù)據(jù)輸出像元的同時選擇跟蹤定位像元，監(jiān)控計算它們的輸出變化、實時估計通信光源成像光斑的移動，實現(xiàn)了移動情況下對數(shù)據(jù)輸出像元的跟蹤。
文檔編號H04B10/06GK101170359SQ20071017165
公開日2008年4月30日 申請日期2007年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月3日
發(fā)明者樊凌濤 申請人:華東理工大學(xué)