基于復(fù)眼結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)可見光接收系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于復(fù)眼結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)可見光接收系統(tǒng)，涉及可見光通信領(lǐng)域的接收技術(shù)。本系統(tǒng)包括依次連通的自適應(yīng)復(fù)眼子系統(tǒng)（10）、自適應(yīng)變焦子系統(tǒng)（20）、光電探測器（30）和電路子系統(tǒng)（40）；所述的自適應(yīng)復(fù)眼子系統(tǒng)（10）包括基底（11）、復(fù)眼透鏡陣列（12）、傳輸光纖（13）和控制器（14；）在基底（11）上設(shè)置有復(fù)眼透鏡陣列（12），復(fù)眼透鏡陣列（12）、傳輸光纖（13）和控制器（14）依次連接；所述的自適應(yīng)變焦子系統(tǒng)（20）包括套管（21）和透鏡組（22）；套管（21）包裹透鏡組（22）。本發(fā)明適用于室內(nèi)、室外可見光通信場所，該接收系統(tǒng)可檢測微弱光信號，靈敏度較高，抗干擾能力較強。
【專利說明】
基于復(fù)眼結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)可見光接收系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及可見光通信領(lǐng)域的接收技術(shù)，尤其涉及一種基于復(fù)眼結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)可 見光接收系統(tǒng);具體涉及一種曲面復(fù)眼結(jié)構(gòu)和變焦光學(xué)結(jié)構(gòu)，以及兩者協(xié)同工作的光學(xué)接 收系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)眼是一種非常小巧而精密的光學(xué)結(jié)構(gòu)，不同于現(xiàn)在常用的單孔徑光學(xué)系統(tǒng)。生 物復(fù)眼由很多小眼組成，緊密排列在一起。每一個小眼由角膜、晶椎、感桿束和感光細胞構(gòu) 成一個獨立的光學(xué)系統(tǒng)。每個小眼對視場范圍內(nèi)的特點區(qū)域成像，所有小眼的圖像拼接為 一幅大視場的圖像。這種復(fù)眼結(jié)構(gòu)使其有較大的視野且靈敏度較高。人工復(fù)眼光學(xué)系統(tǒng)就 是受昆蟲復(fù)眼啟發(fā)制作而成的具有高效率、大視場、體積小和分辨率高等特點的光學(xué)系統(tǒng)； 常用的復(fù)眼結(jié)構(gòu)分為重疊型和并列型。復(fù)眼結(jié)構(gòu)及其光學(xué)系統(tǒng)在圖像處理、高速攝像、機器 人視覺及定位方面都有著廣泛的應(yīng)用。
[0003] 隨著可見光通信技術(shù)的發(fā)展，人們對接收機提出了類似無線通信中天線所具備的 小型化、大視場和高增益等要求。在傳統(tǒng)可見光通信接收系統(tǒng)中，用作光信息采集的透鏡多 為單孔徑結(jié)構(gòu)，其接收視角較小，效率低，而且系統(tǒng)的抗干擾能力差。對于多孔徑接收結(jié)構(gòu)， 國內(nèi)有幾篇重疊型復(fù)眼結(jié)構(gòu)的專利，包括180度大視場自由曲面復(fù)眼系統(tǒng)和中國科學(xué)院申 請的一種復(fù)眼透鏡等，05年美國伊利諾大學(xué)研究了球形重疊型復(fù)眼光學(xué)性能，但重疊型復(fù) 眼的光學(xué)結(jié)構(gòu)會比較復(fù)雜及成本較高。雖然并列型復(fù)眼結(jié)構(gòu)已有較成熟的研究，但對于多 種不同實際場景下的可見光接收系統(tǒng)無法得到較理想的接收效果。
[0004] 經(jīng)中國科學(xué)院武漢科技查新咨詢檢索中心查新(查新完成日期:2016年6月27日）
[0005] 查新點：
[0006] 1、自適應(yīng)半球形復(fù)眼結(jié)構(gòu)。通過控制系統(tǒng)根據(jù)實際應(yīng)用場景自適應(yīng)選擇導(dǎo)通光纖 的圈數(shù)，即視場角大小，能減少噪聲干擾影響。
[0007] 2、自適應(yīng)調(diào)節(jié)視場角與焦距相結(jié)合的方法。利用焦距調(diào)節(jié)將經(jīng)過視場角自適應(yīng)調(diào) 節(jié)之后的可見光信號能更集中、穩(wěn)定投射在探測面上，從而能適應(yīng)各種不同的應(yīng)用場景。
[0008] 查新結(jié)論，其主要創(chuàng)新點是：
[0009] 1、適應(yīng)半球形復(fù)眼結(jié)構(gòu)。通過控制系統(tǒng)根據(jù)實際應(yīng)用場景自適應(yīng)選擇導(dǎo)通光纖的 圈數(shù)即視場角大小，能減少噪聲干擾影響。
[0010] 2、自適應(yīng)調(diào)節(jié)視場角與焦距相結(jié)合的方法。利用焦距調(diào)節(jié)將經(jīng)過視場角自適應(yīng)調(diào) 節(jié)之后的可見光信號能更集中、穩(wěn)定投射在探測面上，從而能適應(yīng)各種不同的應(yīng)用場景。
[0011] 經(jīng)綜合對比分析可知，該查新項目的創(chuàng)新點在國內(nèi)相關(guān)文獻中尚未發(fā)現(xiàn)相同報 道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在缺點和不足，提供一種基于復(fù)眼結(jié)構(gòu)的自 適應(yīng)可見光接收系統(tǒng);具體地是提供一種大視場、高增益的基于復(fù)眼結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)可見光 接收系統(tǒng)，其可以根據(jù)實際應(yīng)用場景自適應(yīng)控制接收機的視場角及焦距。
[0013]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0014] -、基于復(fù)眼結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)可見光接收系統(tǒng)(簡稱系統(tǒng)）
[0015] 本系統(tǒng)包括依次連通的自適應(yīng)復(fù)眼子系統(tǒng)、自適應(yīng)變焦子系統(tǒng)、光電探測器和電 路子系統(tǒng)。
[0016] 二、基于復(fù)眼結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)可見光接收方法(簡稱方法）
[0017] 本方法包括下列步驟：
[0018] ①光信號進入微透鏡陣列，經(jīng)過與微透鏡耦合的光纖傳輸至控制器；
[0019] ②控制器根據(jù)接收光功率大小自適應(yīng)調(diào)節(jié)光圈孔徑大小，實現(xiàn)視場角自適應(yīng)調(diào) 節(jié)，并將信號傳入變焦子系統(tǒng)中；
[0020] ③變焦子系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)透鏡組之間的間距，自適應(yīng)調(diào)節(jié)焦距大小，使光斑穩(wěn)定投 射在光電探測器上；
[0021] ④光電探測器檢測可見光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，傳入電路子系統(tǒng)；
[0022] ⑤電路子系統(tǒng)完成電信號的放大、濾波及數(shù)字信號處理。
[0023] 本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果：
[0024] ①提供了一種應(yīng)對實時場景變化的可見光通信技術(shù)方案；
[0025] ②提供了一種應(yīng)對通信鏈路實時變化的可靠通信技術(shù)方案；
[0026] ③提供了一種緩解用戶移動或遮擋對性能影響的可靠通信技術(shù)方案；
[0027] ④適用于室內(nèi)、室外可見光通信場所，該接收系統(tǒng)可檢測微弱光信號，靈敏度較 高，抗干擾能力較強。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0029]圖2為微透鏡與光纖結(jié)合示意圖；
[0030]圖3為光圈葉片示意圖；
[0031 ]圖4為變焦光學(xué)子系統(tǒng)光線追跡示意圖；
[0032]圖5是本方法的工作流程圖。
[0033]圖中：
[0034] 10 -自適應(yīng)復(fù)眼子系統(tǒng)，
[0035] 11-基底，12-透鏡陣列，
[0036] 13 一光纖，14 一控制器；
[0037] 20-自適應(yīng)變焦光學(xué)子系統(tǒng)，
[0038] 21-套管，
[0039] 22-透鏡組，
[0040] 221-前固定組，222-第1變倍組，223-第2變倍組，
[0041 ] 224-補償組，225-后固定組；
[0042] 30-光電探測器；
[0043] 40-電路子系統(tǒng)。
[0044] 具體實施方法
[0045] 下面結(jié)合附圖詳細說明。
[0046] -、系統(tǒng)
[0047] 1、總體
[0048]如圖1，本系統(tǒng)包括依次連通的自適應(yīng)復(fù)眼子系統(tǒng)10、自適應(yīng)變焦子系統(tǒng)20、光電 探測器30和電路子系統(tǒng)40;
[0049] 2、功能塊
[0050] 1)自適應(yīng)復(fù)眼子系統(tǒng)10
[0051] 自適應(yīng)復(fù)眼子系統(tǒng)10包括基底11、復(fù)眼透鏡陣列12、傳輸光纖13和控制器14;在基 底11上設(shè)置有復(fù)眼透鏡陣列12,復(fù)眼透鏡陣列12、傳輸光纖13和控制器14依次連接。
[0052] (1)基底 11
[0053] 基底是一種半球形的塑料支架，其上設(shè)置有呈同心圓陣列的小孔，用于安裝透鏡。 [0054] (2)復(fù)眼透鏡陣列12
[0055]復(fù)眼透鏡陣列12是一種由若干透鏡組成的安裝在基底11上的陣列。
[0056] (3)傳輸光纖13
[0057]傳輸光纖13是一種通用件。
[0058] (4)控制器 14
[0059] 控制器14是一種自適應(yīng)控制器，由呈同心圓孔陣列的圓盤及圓盤表面上的塑膠光 圈葉片組成，采用ALTERA公司生產(chǎn)的數(shù)字信號控制芯片EP4CE15F23C8,通過電機控制光圈 葉片開關(guān)，達到調(diào)節(jié)光圈孔徑的目的。
[0060] 所述控制器14根據(jù)所設(shè)置的多個光信號功率閾值，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)光圈孔徑大??； 當光照較強時，適當減小光圈接收孔徑(減小接收視場角），能保證通信需求的同時減少了 外界噪聲的干擾;當光照較弱時，適當增大光圈接收孔徑(增大接收視場角），盡可能增加接 收光功率以滿足通信需求;從而能夠大大減少噪聲干擾及提高接收效率;光信號經(jīng)過控制 器后，進入自適應(yīng)變焦子系統(tǒng)20。
[0061 ]本控制器14的技術(shù)方案可參考:光圈孔徑調(diào)節(jié)機構(gòu)（申請日2003-01-28,申請?zhí)?03102213.8,公開號 1437062)
[0062] 2)自適應(yīng)變焦子系統(tǒng)20
[0063]自適應(yīng)變焦子系統(tǒng)20包括套管21和透鏡組22;套管包裹透鏡組以防光線外漏；
[0064] (1)套管 21
[0065] 套管21是一個通用件。
[0066] (2)透鏡組 22
[0067] 透鏡組22是一種自適應(yīng)變焦的光學(xué)組件，由依次連通的前固定組221、第1變倍組 222、第2變倍組223、補償組224和后固定組225組成，利用其之間距離的變化來調(diào)節(jié)焦距。 [0068] 所述自適應(yīng)變焦子系統(tǒng)20由三組透鏡組成，前后一組透鏡固定，中間包含變倍組 和補償組透鏡可以在電機的控制下在軌道上自由移動，從而能自適應(yīng)地控制焦距的大??； 光信號經(jīng)過自適應(yīng)變焦子系統(tǒng)20后進入光電探測器30。
[0069]本自適應(yīng)變焦子系統(tǒng)20的技術(shù)方案可參考:一種自適應(yīng)變焦系統(tǒng)及方法（申請日 2014-11-27，申請?zhí)?01410699083 · 8，公開號 104330882A)。
[0070] 3)光電探測器30
[0071] 光電探測器30采用日本濱松公司生成的S6968型PIN光電二極管。
[0072] 所述光電探測器檢測到光信號并轉(zhuǎn)換成電信號后，再由電路子系統(tǒng)40經(jīng)過放大濾 波電路，最后信號在控制芯片中實現(xiàn)數(shù)字信號的處理。
[0073] 4)電路子系統(tǒng)40
[0074]電路子系統(tǒng)40包括信號放大電路、濾波電路及數(shù)字信號處理部分，數(shù)字信號處理 部分采用上述的數(shù)字信號控制芯片實現(xiàn)信號的處理。
[0075] 3、工作機理：
[0076] 可見光信號進入安裝在基底11上的復(fù)眼透鏡陣列12，陣列中的每個微透鏡連接傳 輸光纖13并將光信號傳入控制器14,控制器14根據(jù)所設(shè)多個光功率閾值自適應(yīng)調(diào)節(jié)光圈葉 片的孔徑即視場角大小;套管21中的光學(xué)透鏡組22能根據(jù)實際場景自適應(yīng)調(diào)節(jié)焦距大小， 光電探測器30將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，最后在電路子系統(tǒng)40中進行處理。
[0077] 1、圖2為本發(fā)明微透鏡與光纖結(jié)合不意圖，D為微透鏡口徑，n〇、nL、m、n2分別為空 氣、透鏡、纖芯和包層的折射率;透鏡前后的曲率半徑分別為rjPr2;根據(jù)光纖數(shù)值孔徑、透 鏡口徑等參數(shù)，結(jié)合SNELL定律可得出透鏡的焦距和曲率半徑，從而確定微透鏡形狀。
[0078] 由下式可得透鏡中光線的最大入射角0Q.max所滿足的關(guān)系式：
[0079]
[0080]
[0081]經(jīng)過計算可得到微透鏡焦距f和曲率半徑η之間的關(guān)系，當透鏡材料選定時，焦距 和曲率半徑呈線性關(guān)系。
[0082] 2、圖3為光圈葉片示意圖，由同心圓孔陣列的圓盤及圓盤表面上的塑膠光圈葉片 組成，采用ALTERA公司生產(chǎn)的數(shù)字信號控制芯片EP4CE15F23C8,根據(jù)檢測到的光功率大小， 通過電機控制光圈葉片開關(guān)，達到調(diào)節(jié)光圈孔徑的目的。
[0083] 3、圖4為本發(fā)明變焦光學(xué)系統(tǒng)光線追跡圖，包括前固定組221、后固定組225,第1變 倍組222和第2變倍組223距離相對固定，通過前后移動可以改變系統(tǒng)的焦距;補償組224通 過前后移動來補償像面的位移，來保證當變倍組移動時探測面的穩(wěn)定性，使光斑穩(wěn)定投射 在光電探測器上。
[0084]二、方法
[0085] 如圖5,其工作流程是：
[0086]①光信號進入微透鏡陣列，經(jīng)過與微透鏡耦合的光纖傳輸至控制器-501;
[0087]②控制器根據(jù)接收光功率大小自適應(yīng)調(diào)節(jié)光圈孔徑大小，實現(xiàn)視場角自適應(yīng)調(diào) 節(jié)，并將信號傳入變焦子系統(tǒng)中-502;
[0088] ③變焦子系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)透鏡組之間的間距，自適應(yīng)調(diào)節(jié)焦距大小，使光斑穩(wěn)定投 射在光電探測器上-503;
[0089]④光電探測器檢測可見光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，傳入電路子系統(tǒng)-504;
[0090]⑤電路子系統(tǒng)完成電信號的放大、濾波及數(shù)字信號處理-505。
【主權(quán)項】
1. 一種基于復(fù)眼結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)可見光接收系統(tǒng)，其特征在于： 包括依次連通的自適應(yīng)復(fù)眼子系統(tǒng)（10)、自適應(yīng)變焦子系統(tǒng)（20)、光電探測器(30)和 電路子系統(tǒng)(40)。2. 按權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)可見光接收系統(tǒng)，其特征在于： 所述的自適應(yīng)復(fù)眼子系統(tǒng)（10)包括基底（11)、復(fù)眼透鏡陣列（12)、傳輸光纖（13)和控 制器（14;)在基底（11)上設(shè)置有復(fù)眼透鏡陣列（12)，復(fù)眼透鏡陣列（12)、傳輸光纖（13)和控 制器(14)依次連接； 所述的控制器（14)是一種自適應(yīng)控制器，由呈同心圓孔陣列的圓盤及圓盤表面上的塑 膠光圈葉片組成，采用ALTERA公司生產(chǎn)的數(shù)字信號控制芯片EP4CE15F23C8,通過電機控制 光圈葉片開關(guān)，達到調(diào)節(jié)光圈孔徑的目的。3. 按權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)可見光接收系統(tǒng)，其特征在于： 所述的自適應(yīng)變焦子系統(tǒng)（20)包括套管（21)和透鏡組（22);套管（21)包裹透鏡組 (22)； 透鏡組（22)是一種自適應(yīng)變焦的光學(xué)組件，由依次連通的前固定組（221)、第1變倍組 (222)、第2變倍組(223)、補償組(224)和后固定組(225)組成。4. 基于權(quán)利要求1-3所述自適應(yīng)可見光接收系統(tǒng)的自適應(yīng)可見光接收方法，其特征在 于包括下列步驟： ① 光信號進入微透鏡陣列，經(jīng)過與微透鏡耦合的光纖傳輸至控制器(501); ② 控制器根據(jù)接收光功率大小自適應(yīng)調(diào)節(jié)光圈孔徑大小，實現(xiàn)視場角自適應(yīng)調(diào)節(jié)，并 將信號傳入變焦子系統(tǒng)中（502); ③ 變焦子系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)透鏡組之間的間距，自適應(yīng)調(diào)節(jié)焦距大小，使光斑穩(wěn)定投射在 光電探測器上(503); ④ 光電探測器檢測可見光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，傳入電路子系統(tǒng)(504); ⑤ 電路子系統(tǒng)完成電信號的放大、濾波及數(shù)字信號處理(505 )。
【文檔編號】H04B10/69GK106067841SQ201610604553
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年7月28日
【發(fā)明人】楊春勇, 呂云龍, 侯金, 陳少平
【申請人】中南民族大學(xué)