本發(fā)明涉及可見(jiàn)光通信應(yīng)用領(lǐng)域的接收天線技術(shù)，具體涉及以填充式復(fù)合拋物面聚光器為基本單元的角度分集型光學(xué)接收天線。用于以白光LED為光源的室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的大角度光信號(hào)接收，可在保證接收增益的同時(shí)提高接收視場(chǎng)角。
背景技術(shù)：
：可見(jiàn)光通信(VisibleLightCommunication，VLC)是以白光發(fā)光二極管(LED)為光源的一種新型無(wú)線光通信技術(shù)，它不占用頻譜帶寬，無(wú)電磁干擾，兼具照明和通信功能，因而是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ耐ㄐ欧绞?。系統(tǒng)的光學(xué)接收天線放在接收器前會(huì)聚盡可能多的光能量到探測(cè)器接收面上，也稱為光學(xué)聚光器或光學(xué)接收機(jī)前端。由于室內(nèi)VLC系統(tǒng)光源的LED發(fā)射角較大，為此要求接收光學(xué)天線有較大的視場(chǎng)，視場(chǎng)角較小時(shí)在室內(nèi)的一些位置垂直向上接收會(huì)出現(xiàn)通信盲區(qū)。傳統(tǒng)光學(xué)天線大多增益大就會(huì)視場(chǎng)小，而視場(chǎng)角大時(shí)難保聚焦效果好，因此難以適用于VLC系統(tǒng)。復(fù)合拋物面聚光器(CompoundParabolicConcentrator，CPC)是根據(jù)邊緣光線原理設(shè)計(jì)的非成像聚光器，它由兩條對(duì)稱的拋物線繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)而成，凡是入射角度小于CPC視場(chǎng)角的光線都能夠被反射到底部接收端，具有較大的視場(chǎng)以及小角度下增益較高的特點(diǎn)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提供一種角度分集型填充式復(fù)合拋物面聚光器的光學(xué)接收天線,可用于以白光LED為光源的室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的大角度光信號(hào)接收，可在保證接收增益的同時(shí)提高接收視場(chǎng)角。同時(shí)，將梯度折射率漸變透鏡切削成CPC的形狀，然后填充入CPC結(jié)構(gòu)中，形成組合式光學(xué)天線結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同視場(chǎng)要求更換CPC的填充透鏡，達(dá)到不同接收效果。一種填充式復(fù)合拋物面聚光器的光學(xué)接收天線，包括主體結(jié)構(gòu)、至少四個(gè)復(fù)合拋物面聚光器以及接收器；所述復(fù)合拋物面聚光器嵌入主體結(jié)構(gòu)表面，其入射口朝外，出射口下端設(shè)置一個(gè)接收器，用于探測(cè)復(fù)合拋物面聚光器接收到的信號(hào)；所述復(fù)合拋物面聚光器的內(nèi)部填充有折射率漸變的透鏡；折射率從中心向外逐漸變??；折射率漸變的方向?yàn)榍驅(qū)ΨQ分布，透鏡的對(duì)稱軸即為復(fù)合拋物面聚光器的中心軸。較佳的，所述主體結(jié)構(gòu)為半球形殼體結(jié)構(gòu)。較佳的，復(fù)合拋物面聚光器在主體結(jié)構(gòu)上分布的方式滿足：所有復(fù)合拋物面聚光器形成的視場(chǎng)角為2π球面度，即水平方向360°，垂直方向180°；復(fù)合拋物面聚光器在主體結(jié)構(gòu)上分布的方式為：其中一個(gè)復(fù)合拋物面聚光器設(shè)置在球形主體結(jié)構(gòu)的頂端，其余復(fù)合拋物面聚光器環(huán)繞頂端的復(fù)合拋物面聚光器設(shè)置，且復(fù)合拋物面聚光器在主體結(jié)構(gòu)上相對(duì)于主體結(jié)構(gòu)的中心軸對(duì)稱分布。較佳的，環(huán)繞在頂端外圍的復(fù)合拋物面聚光器至少為1圈。較佳的，所述透鏡的焦點(diǎn)與復(fù)合拋物面聚光器的焦點(diǎn)重合。較佳的，所述透鏡的上表面和下表面均為凸面、平面或者凹面。較佳的，所述透鏡的上表面和下表面為平面。較佳的，透鏡的材料為PMMA的聚甲基丙烯酸甲酯。較佳的，透鏡的折射率在半徑為r處的分布為：k＝0.1，n0＝1.4935為透鏡中心處的折射率。較佳的，每個(gè)復(fù)合拋物面聚光器為截短型，且截取比范圍為0.4到0.6。與傳統(tǒng)的CPC光學(xué)接收天線相比，本發(fā)明的天線的優(yōu)勢(shì)在于：1、作為接收單元的CPC屬于非成像器件，設(shè)計(jì)時(shí)不用考慮像差、色差等因素的影響，具有較大的整體視場(chǎng)和每個(gè)接收單元的小視場(chǎng)具有高增益的特點(diǎn)，凡是入射角小于其單元視場(chǎng)角的光線最終都能被探測(cè)器所接收，因此適合用在發(fā)射角度較大的LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中用于收集光能；角度分集型復(fù)合CPC光學(xué)天線可以達(dá)到的整體視場(chǎng)角大，水平方向最高可達(dá)到360°，垂直方向最高可達(dá)到180°。能夠有效防止通信中盲區(qū)的出現(xiàn)，且每個(gè)CPC單元在半球中對(duì)稱排列，放在房間中的任意位置都不會(huì)影響接收效果；采用角度分集接收技術(shù)，在保持光學(xué)天線大視場(chǎng)的同時(shí)，不犧牲系統(tǒng)的光能量接收增益。2、由于漸變折射率透鏡的光線匯聚功能，可以有效減少光斑大小，提高探測(cè)器的單位面積上的接收能量，提高光學(xué)接收天線的接收靈敏度；可以根據(jù)不同應(yīng)用要求，選擇不同材料與變化規(guī)律的漸變折射率透鏡填充同一規(guī)格的CPC，靈活多變；在接收相同視場(chǎng)角下的光信號(hào)時(shí)，天線體積更小，靈巧方便，更適合在室內(nèi)光接收時(shí)使用，且具備組成微型陣列的可能性。附圖說(shuō)明圖1角度分集型CPC復(fù)合接收天線布局和經(jīng)線接收視場(chǎng)覆蓋示意圖；圖2為單個(gè)CPC的剖面結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖3角度分集CPC接收天線俯視圖；圖4角度分集型CPC復(fù)合接收天線空間分集接收示意圖；圖5填充式CPC光學(xué)天線的內(nèi)部填充透鏡折射率變化的剖面示意圖，其中，曲線線條是等折射率線；圖6-(a)、6-(b)、6-(c)填充式CPC光學(xué)天線內(nèi)部填充透鏡形狀的剖面示意圖(斜線表示透鏡填充區(qū)域)，圖6-(a)透鏡表面是球面，高于CPC入射口面，最外層半徑為透鏡球心到CPC入射口邊緣的距離；圖6-(b)透鏡表面是平面，與CPC入射口面平行；圖6-(c)透鏡表面是球面，低于CPC入射口面，最外層半徑為透鏡球心到CPC入射口表面的垂直距離；圖7為CPC填充入圖6中三種不同透鏡形狀時(shí)，接收天線隨入射光角度變化的能量接收效率；圖8球梯度折射率透鏡中心相對(duì)CPC位置的示意圖；圖9填充式CPC與單獨(dú)CPC的在不同入射光角度下的傳輸效率比較；圖10為CPC角度分集APD接收信號(hào)求和電路原理框圖；圖11為CPC角度分集APD接收信號(hào)判別處理電路原理框圖。1-復(fù)合拋物面聚光器(CPC)，2-主體結(jié)構(gòu)。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明是針對(duì)室內(nèi)白光LED可見(jiàn)光高速通信的寬視場(chǎng)接收而設(shè)計(jì)的。室內(nèi)白光LED通信因?yàn)橐骖櫹到y(tǒng)的照明功能，又受限于單個(gè)LED燈的功率，因此需要多組LED的多燈源布局。不同光源布局下，房間內(nèi)各位置處接收信號(hào)角度的要求就不同，因此需要較大的接收天線視場(chǎng)角。鑒于以上需求分析，本發(fā)明提供了一種角度分集型填充式復(fù)合拋物面聚光器CPC的光學(xué)接收天線，采用復(fù)合拋物面聚光器CPC作為室內(nèi)白光LED通信接收的基本單元，由于CPC屬于非成像聚光器，凡是入射角小于其最大視場(chǎng)角的光線，經(jīng)過(guò)反射都能夠達(dá)到接收端。如圖1所示，包括主體結(jié)構(gòu)2、至少四個(gè)復(fù)合拋物面聚光器CPC1以及接收器；復(fù)合拋物面聚光器1設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)2表面，其入射口朝外，出射口下端設(shè)置一個(gè)接收器，用于接收復(fù)合拋物面聚光器CPC1接收的信號(hào)。其中，主體結(jié)構(gòu)2為半球形殼體結(jié)構(gòu)。如圖2所示，CPC1是由兩條對(duì)稱的拋物線AC與BD繞中心軸旋轉(zhuǎn)得到的，a,b分別為CPC1的入射口半徑和出射口半徑，AD與BC的半夾角θmax為CPC1的接收半視場(chǎng)角。當(dāng)入射光線的入射角度小于或者等于θmax時(shí)，光線能夠直接到達(dá)或者經(jīng)過(guò)反射到達(dá)CPC1的下端開(kāi)口并被位于下開(kāi)口處的光電接收器所接收；當(dāng)光線入射角度大于θmax時(shí)，光線經(jīng)過(guò)多次反射最終從CPC1的入射口射出不能被利用。CPC1的幾何聚光比即視場(chǎng)角越大，聚光比越小。與大多數(shù)非成像光學(xué)接收器一樣，CPC1的聚光比和增益隨視場(chǎng)角的增大而變小。因此采用單個(gè)CPC1接收難以滿足系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)角與增益的雙重需求。角度分集型CPC1接收天線將多個(gè)CPC1按一定分布固定在一個(gè)半球構(gòu)架上作為室內(nèi)VLC系統(tǒng)的光能接收前端，由多個(gè)CPC1對(duì)光信號(hào)進(jìn)行分角度分集接收，能夠擴(kuò)大接收視場(chǎng)，有效解決單一CPC1保證增益就會(huì)視場(chǎng)不足的問(wèn)題。如圖1，O為接收半球構(gòu)架的球心，同時(shí)也是系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)，O1～O3分別是相應(yīng)的CPC1入射面的圓心位置。對(duì)于包含垂直軸的接收面即yoz平面，如要達(dá)到180°視場(chǎng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，每個(gè)CPC1的視場(chǎng)角設(shè)計(jì)為FOV1＝180/n1，這里n1為yoz剖面上的CPC1個(gè)數(shù)。為了使天線視場(chǎng)的下邊限與水平面平行，在側(cè)面放置的每一個(gè)CPC1相對(duì)于xoy平面都要有半視場(chǎng)角的傾斜。這里為計(jì)算方便，選擇單元CPC1的半視場(chǎng)角為30°，全視場(chǎng)60°，于是n1＝3，半球面的半徑為60mm，在yoz平面放置3個(gè)CPC1，第一CPC1的入射面圓心O1為球面的頂點(diǎn)，第二CPC1和第三CPC1相對(duì)于xoy面各有30°的傾斜，根據(jù)球面半徑與傾斜角可以分別計(jì)算出第二CPC1和第三CPC1的入射面圓心位置O2和O3的坐標(biāo)。如圖3所示，接收天線共由7個(gè)CPC1組成，其中，中心處1個(gè)，周圍均勻?qū)ΨQ分布6個(gè)。為了實(shí)現(xiàn)xoy平面360°的視場(chǎng)，xoy平面的CPC1個(gè)數(shù)為360°÷60°＝6個(gè)(包括第二CPC1和第三CPC1)，每個(gè)CPC1的光軸相對(duì)xoy面都有30°的傾斜。因此本設(shè)計(jì)共采用7個(gè)半視場(chǎng)角為30°的CPC1組成分集接收型光學(xué)天線，每個(gè)CPC1的出射口都放置一個(gè)探測(cè)器對(duì)光能進(jìn)行接收，各個(gè)CPC1入射面圓心的坐標(biāo)位置和參數(shù)分別列于表1。表1圖4構(gòu)建了室內(nèi)VLC系統(tǒng)LED光源與接收天線的一種方位關(guān)系，如圖可見(jiàn)，在不同入射方向入射的光線均可被角度分集復(fù)合型光學(xué)接收天線的不同CPC1所接收。相比單一CPC1構(gòu)成的接收天線，這種多元組合布局可以擴(kuò)大視場(chǎng)，滿足多光源多路徑多角度入射的接收要求。如圖5所示，在每個(gè)CPC中集成入一個(gè)漸變折射率透鏡，其上表面與CPC入射口平齊，下表面與CPC出射口平齊，其折射率呈中心對(duì)稱分布，中心處最大，折射率向半徑方向逐漸變小。這樣可以對(duì)CPC出射光能進(jìn)一步會(huì)聚，以便于與小面積光電探測(cè)器相匹配。CPC的聚光比和增益隨視場(chǎng)角的增大而迅速變小，因此采用單獨(dú)一個(gè)CPC接收難以滿足系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)角與增益的雙重需求。而在CPC內(nèi)部填充入折射率梯度漸變透鏡后，光線根據(jù)透鏡中折射率的梯度分布，會(huì)向焦點(diǎn)處彎曲，許多本來(lái)會(huì)被CPC內(nèi)壁反射出去的光線，經(jīng)過(guò)漸變折射率透鏡后最終可以到達(dá)探測(cè)器接收端，擴(kuò)大了接收的視場(chǎng)角，同時(shí)，也保證了CPC自身的面積增益，有效解決單一CPC保證增益就會(huì)導(dǎo)致視場(chǎng)不足的問(wèn)題。接收天線的增益為G增益＝ηopt×Cg，ηopt為光線傳輸效率，Cg為CPC的幾何聚光比。內(nèi)部填充的透鏡形狀決定了該設(shè)計(jì)接收天線的接收效率與增益。對(duì)比圖6-(a)、(b)、(c)三種結(jié)構(gòu)，圖6-(a)是透鏡表面高出CPC的入射面，圖6-(b)是透鏡表面與CPC入射面齊平，圖6-(c)是透鏡表面低于CPC入射面的情況，圖6-(a)和圖6-(c)的表面是球面，圖6-(b)的表面是平面；所以，三種結(jié)構(gòu)的面積增益分別為：由此可以針對(duì)θmax從5°增大到85°的情況，分別求出以上三種結(jié)構(gòu)的面積增益，匯總到表2。表2三種結(jié)構(gòu)下面積增益隨θmax的變化θmaxCg1Cg2Cg3Cg2/Cg15°131.90131.65130.900.998110°33.4233.1632.410.992415°15.1914.9314.170.983020°8.818.557.780.969825°5.875.604.820.953230°4.294.003.220.933035°3.343.042.240.909640°2.742.421.610.883045°2.342.001.170.853650°2.071.700.860.821455°1.891.490.620.786860°1.781.330.440.750065°1.711.220.310.711370°1.691.130.200.671075°1.701.070.110.629480°1.761.030.050.586885°1.851.010.010.5436從表2可以看出，三種結(jié)構(gòu)的面積增益均隨θmax的增大而迅速減小，圖6-(c)結(jié)構(gòu)的面積增益明顯小于前兩種，所以優(yōu)選前面兩種結(jié)構(gòu)。CPC的θmax大于35°時(shí)，面積增益已經(jīng)下降了，所以在選擇CPC尺寸時(shí)盡量選擇θmax小于35°。通過(guò)表2中的Cg2/Cg1一項(xiàng)可以看出，此時(shí)圖6-(a)和圖6-(b)的面積增益基本一樣。這三種結(jié)構(gòu)的光學(xué)效率隨入射角度的變化而變化，由圖7具體顯示。(圖7數(shù)據(jù)是在CPC的θmax＝30°，焦距f＝3mm，出射口徑b＝1.92mm情況下模擬得出的結(jié)果)。通過(guò)圖7可知，在入射光線角度為0—45°范圍內(nèi)時(shí)，光信號(hào)的傳輸效率始終保持在91％以上，當(dāng)入射光線角度大于45°時(shí)，圖6-(a)和圖6-(c)結(jié)構(gòu)的光信號(hào)傳輸效率迅速減小，而圖6-(b)的結(jié)構(gòu)則還能保持較良好的傳輸效率。綜合考慮光線傳輸效率和面積增益，選擇圖6-(b)所示的入射面為平面的結(jié)構(gòu)。確定透鏡的折射率分布形式。梯度折射率根據(jù)其折射率漸變的方向分為球?qū)ΨQ分布，軸向分布和徑向分布。由于CPC是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且對(duì)光線的匯聚方向是沿徑向，所以設(shè)計(jì)考慮使用球?qū)ΨQ分布，使得球梯度折射率的中心就在CPC的軸上，整體天線結(jié)構(gòu)仍然為軸對(duì)稱。選擇制作透鏡的光學(xué)材料。材質(zhì)不同，梯度折射率透鏡對(duì)光線的折射力度也不同。選擇光學(xué)材料的標(biāo)準(zhǔn)是是高度透明性和折射率的可調(diào)性。與無(wú)機(jī)材料相比，高分子材料品種多樣，具有較寬的折射率范圍(nD＝1.3--1.7),并且在可見(jiàn)光區(qū),常見(jiàn)的光學(xué)塑料的透過(guò)率都可達(dá)到90％以上,能滿足光學(xué)設(shè)計(jì)的要求。因而本設(shè)計(jì)選擇使用高分子材料制作梯度折射率透鏡。根據(jù)現(xiàn)有的加工工藝，球梯度折射率透鏡的折射率分布函數(shù)一般為拋物線型，即n(r)＝n0(1-k1r2)；或Maxwell魚(yú)眼透鏡型，即或Luneburg透鏡型，即r為離球心的徑向距離，R為球的半徑，n0為球梯度折射率透鏡球心處的折射率，在實(shí)際加工中，若梯度折射率透鏡的折射率漸變加工深度不夠深，也可能出現(xiàn)的情況，即中間是一個(gè)折射率不變的小球，小球外層折射率才漸變，仍然關(guān)于球心對(duì)稱。設(shè)球梯度折射率透鏡的焦距為flens。將球梯度折射率透鏡如圖8放置，此時(shí)，透鏡的中心在CPC的軸上，離CPC焦點(diǎn)的長(zhǎng)度為透鏡本身的焦距，即透鏡的焦點(diǎn)與CPC焦點(diǎn)重合。CPC的焦距為fCPC＝b(1+sinθmax)，所以只要CPC的出口半徑b和最大聚光角θmax確定，其焦距fCPC就確定了。若以球梯度透鏡的球心O’為原點(diǎn)，此時(shí)設(shè)CPC的中心對(duì)稱軸為y軸，相當(dāng)于將之前的坐標(biāo)原點(diǎn)O(CPC的出射口面的圓心處)向上提高了doo'＝flens-fCPC的距離，則此時(shí)透鏡的邊緣拋物線為：拋物線A:拋物線B：將透鏡按照CPC的形狀進(jìn)行切削。將加工得到的球梯度折射率透鏡固定在CPC中，或者在透鏡的外層鍍上全反射膜，即可完成該天線的設(shè)計(jì)。例如，在尺寸為θmax＝30°，焦距fCPC＝3mm，出射口徑b＝1.92mm的CPC中，選擇材料為PMMA的聚甲基丙烯酸甲酯作為球梯度透鏡的材質(zhì)，n0＝1.4935，球梯度透鏡的折射率分布為：k＝0.1，此時(shí)球梯度透鏡的焦距為flens＝6.254mm，所以將原坐標(biāo)系提高doo'＝flens-fCPC＝3.254mm。在該尺寸下用Tracepro模擬仿真在不同角度下的入射光下，在CPC中填充入中心位置不同的球梯度透鏡(即球梯度透鏡的中心位置O’與CPC出射面的圓心O之間距離doo′不同)的傳輸效率，具體傳輸效率如表3所示。表3不同入射角下球梯度透鏡中心距CPC出口不同時(shí)的傳輸效率(％)通過(guò)表3可以看出，仿真結(jié)果為doo′仿＝3.5mm時(shí)，入射角在20--35°范圍內(nèi)的傳輸效率最高，整體效果最好，與理論值doo′基本一致。圖9是將一個(gè)球梯度中心距doo′仿＝3.5mm的填充式接收天線與不填充的CPC接收天線效果作比較，可以看出填充式CPC在視場(chǎng)范圍θmax內(nèi)，接收效率稍低于單個(gè)CPC，但仍有大于96％的接收效率；而在原視場(chǎng)范圍θmax外，接收效率明顯大于單個(gè)不填充的CPC。接收天線的增益為Cg為CPC的幾何聚光比，θmax＝30°時(shí)，η(φ)為不同入射角φ下光線的傳輸效率。因此，填充式CPC的增益是單獨(dú)CPC增益的1.4倍。對(duì)于低速率的VLC系統(tǒng)，碼間串?dāng)_的影響可以忽略不計(jì)，因此可以將角度分集接收的不同朝向的各路信號(hào)直接相加求和，相加后的信號(hào)功率增大，由此可獲得較高的信噪比。如圖10所示，多組LED光源多角度照明入射的信號(hào)光，經(jīng)過(guò)不同CPC1接收后經(jīng)光電探測(cè)器APD接收，多個(gè)APD輸出的電信號(hào)經(jīng)求和電路后，使信號(hào)得以增強(qiáng)。在通信速率較高時(shí)，對(duì)多組LED光源照明會(huì)產(chǎn)生同時(shí)調(diào)制的光信號(hào)經(jīng)多路徑入射的問(wèn)題，此時(shí)會(huì)發(fā)生光電信號(hào)碼元的前后串?dāng)_，尤其會(huì)發(fā)生在路徑距離差異大的信號(hào)之間。由于碼間串?dāng)_的影響信號(hào)不能直接相加，此時(shí)可用專門的比較電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行判別選擇。如圖11所示，由各個(gè)CPC1分集接收到的光信號(hào)分別由探測(cè)器檢測(cè)接收后分路同比例放大，然后傳輸?shù)脚袥Q電路進(jìn)行比較判斷，最終選擇信號(hào)最強(qiáng)的那一路作為最終的接收信號(hào)，從而獲得較高的信噪比和較低的誤碼率。綜上所述，該設(shè)計(jì)能有效擴(kuò)大單獨(dú)CPC的視場(chǎng)角，提高光學(xué)增益，以完成室內(nèi)可見(jiàn)光通信寬視場(chǎng)高增益接收的功能。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3