平板型聚光器作为可见光通信中光学天线的设计与性能分析

尹鹏; 徐熙平; 姜肇国; 王加安; 张璐璐

doi:doi:10.3788/AOS201838.0406004

光学学报, 2018, 38 (4): 0406004, 网络出版: 2018-07-10

平板型聚光器作为可见光通信中光学天线的设计与性能分析下载： 750次

Design and Performance Analysis of Planar Concentrators as Optical Antennas in Visible Light Communication

论文大纲

尹鹏徐熙平 ^*姜肇国王加安张璐璐

作者单位

长春理工大学光电工程学院, 吉林长春 130022

光通信可见光通信平板型聚光器光学天线增益 optical communications visible light communications planar concentrator optical antenna gain

AI 词云图 AI一句话精读 AI短摘要

注：本部分内容由 AI 自动生成，请您知悉。

摘要

针对室内可见光通信中光学天线存在的视场小、接收面光能分布不均匀,以及低功率光源条件下接收功率低的问题,设计了作为可见光通信系统光学天线的平板型聚光器,推导出适用于平板型聚光系统的光学增益理论公式。在一个(5×5×3) m房间中对平板型聚光器作为光学天线的接收功率分布进行仿真,得到直射和非直射链路信道下视场角为50°的平板型聚光器接收房间内各位置的光功率比直接探测时分别提升了16.2411 dBm和16.4956 dBm。

Abstract

Optical antenna for indoor visible light communication has such problems as small field of view, non-uniformity of the irradiance distribution at the receiver, and low received power under the low power light source condition. We design a planar concentrator as an optical antenna and establish a gain theory. We establish a visible light communication system model based on planar concentrators in a 5 m×5 m×3 m room, which use a planar concentrator with a field of view of 50° as an optical antenna. The simulation results show that the received average powers after using the concentrator in the direct link channel and the non-direct link channel are increased by 16.2411 dBm and 16.4956 dBm compared with that under the direct detection.

1 引言

无线光通信具有可靠性强、无电磁干扰、无需频谱认证、性价比高等优点^[1-2]。室内可见光通信以白光发光二极管(LED)作为室内照明光源的同时,以光信号为载体,构建无线光网络^[3-4]。1999年,Pang等^[5]将音频信号编码调制到LED光源上用于通信。自2000年起, Komine等^[6]以白光LED作为光源,对室内条件下的通信信道进行研究,并通过数学分析与仿真,证明白光LED可同时作为照明和通信的光源。

室内可见光通信中的光学接收天线,也被称作光学聚光器或者光学前端,其作用是尽可能多地收集光能至探测器接收面,提高接收系统的光学增益。利用菲涅耳透镜可以满足聚光系统对光学天线尺寸及重量的要求。张逸伦等^[7]针对室内可见光通信系统的传统光学接收天线无法同时满足高增益和大视场的问题,提出一种二级级联式光学天线,光学仿真实验模拟计算的结果表明,该系统视场角为菲涅耳透镜单独接收时的4倍,探测器接收到的信号功率平均值较直接探测时增大了7 dBm。赵太飞等^[8]在半球透镜前添加菲涅耳透镜,使接收系统的光学增益提高了近1倍。徐宁等^[9]设计了弯月形复合菲涅耳透镜,光能利用率达到90%。李湘等^[10]设计了一种等齿距平面菲涅耳透镜,光学效率达到了92.1%,提高了系统接收端的光学增益。此外,王龙辉等^[11]利用干涉和衍射原理在全息材料上制成具有聚集光束和滤除环境光双重功能的全息反射镜,提出了一种新型光学接收天线的设计和制作方法,所得到的系统比传统光学接收天线体积更小,重量更轻,成本更低。但是,菲涅耳透镜视场较小,只在平行光入射时聚光效果较好。对于光通信系统中存在的遮挡导致无法通信等问题,Burton等^[12]提出了采用角度分集思想的多面体式光学接收器,该接收器由多个子天线构成,每个子接收器负责一个视场角及方向,系统实现了较高的信噪比(SNR),误码率(BER)为10^-6,但是天线结构较为复杂。针对传统光学天线的局限性,Zhang等^[13]设计了一种能够连续变焦的光学天线,该系统由一个直角反射棱镜和一组球面透镜组成,有效提高了通信系统接收信号的增益和信噪比。此后,该课题组针对多光谱通信的需求,设计了一种光栅型光谱波分复用可见光通信光学天线^[14],采用双柱面镜结合反射式光栅结构提高信噪比。呼树同等^[15]通过改变LED及光电探测器的空间分布,将天线布局分为圆形布局和格点布局两类,通过改变LED间距、发射端和接收端平面的高度差等条件,得到不同的信道传输矩阵。为了扩大接收端的视场角,王云等^[16]对作为可见光通信系统光学接收天线的复合抛物面聚光器(CPC)的性能做了研究与仿真,结果表明,60°视场角的CPC对于直射(LOS)和非直射(NLOS) 链路的接收功率分别提高了4.39 dBm和4.77 dBm。Cooper等^[17]改变了传统CPC入射孔的形状,通过分析发现四边形的入射孔聚光性能最好。

平板型聚光器因其能够提供较高的设计自由度,以及在获得高聚光比的同时能够得到较高的聚光效率,近年来受到相关设计人员的广泛关注,现阶段主要应用于太阳能光伏领域^[18-19]。针对上述光学天线中存在的问题,尤其是菲涅耳聚光器的聚光视场小以及单个聚光器接收功率不能满足通信要求等问题,本文提出将平板型聚光器作为可见光通信光学天线的设计方法。基于文献[ 20]对平板型聚光器的几何结构与光学性能进行改进设计与分析,推导出基于平板型聚光器的增益理论公式,对平板型聚光器进行仿真设计与聚光性能分析,详细讨论视场角对平板型聚光器聚光性能的影响。为了验证平板型聚光器设计的合理性,采用平板型聚光器为光学前端对室内可见光通信系统进行信道仿真与分析。

2 平板型聚光器的几何结构与光学性能

2.1 主聚光器的设计

根据室内LED光源的出光分布设计主聚光器的上表面面型。设主聚光器上表面的曲率半径为ρ,在此假设平行光线从主聚光器上方垂直入射,则此时ρ=∞,即主聚光器上表面为平面,如图1(a)所示。将主聚光器的侧面设计为抛物面,则该抛物面与y-z平面的交线为抛物线,设该抛物线为^[20]

\begin{matrix} y = a z^{2}, (1) \end{matrix}

式中:a为抛物线系数。由抛物线性质可知,光线将会聚于空间坐标[0,1/(4a),0]处,如图1(b)所示。

将主聚光器修剪为双抛物面结构,两个抛物面之间的距离设定为1/2a,主聚光器的宽度修剪为D,从焦平面到主聚光器上表面的距离为主聚光器的高度h,为防止光线从焦平面漏出且进入波导板传播时满足全反射条件,通过计算得到主聚光器高度h的取值范围^[21]为

\begin{matrix} \frac{3}{4 a} < h < (2 \sqrt[]{\frac{n_{1} + \sqrt[]{n_{1}^{2} - 1}}{n_{1} - \sqrt[]{n_{1}^{2} - 1}}} - 1) / (4 a), (2) \end{matrix}

式中:n₁为波导板材料的折射率。最后将主聚光器的下表面修剪为球面(半径为R),球心坐标位于空间坐标[0,1/(4a),0]处,球面半径最大值为

\begin{matrix} R_{\max} = \sqrt[]{h^{2} - \frac{h + \sqrt[]{\frac{4 h}{a} + \frac{1}{a^{2}}}}{2 a} + \frac{17}{16 a^{2}}} 。 (3) \end{matrix}

所得主聚光器的结构如图1(c)所示。需要说明的是,为便于计算,采用的主聚光器上表面为平面面型,由于在室内可见光通信中,平行光垂直入射的情况并不符合实际场景,故在后期的仿真设计中需要调整主聚光器上表面的曲率半径ρ值以改变光学天线视场角。

图 1. 主聚光器结构。(a)侧视图; (b)俯视图; (c)三维图

Fig. 1. (a) Side view, (b) top view, and (c) three-dimensional view of the master collector structure

下载图片查看所有图片

2.2 波导板的设计

为了使光线无偏折地进入波导板中传播,需要在波导板上表面设计光线耦合结构,如图2所示。该结构为半球型突起结构,球心位于空间坐标[0,1/(4a),0]处,半径为r。由于该结构只起到耦合光线的作用,且光线理论上会聚于球心处,因此半径r的取值通常很小。

图 2. 波导板结构示意图

Fig. 2. Schematic diagram of the lightguide structure

下载图片查看所有图片

2.3 光学增益

对于平板型聚光系统而言,接收天线的几何聚光比为主聚光器阵列长度l_c与波导板厚度w的比值,即

\begin{matrix} C_{geo} = l_{c} / w 。 (4) \end{matrix}

当光源为朗伯分布时,设接收器的面积为S_d,在接收器表面所接收的光亮度为L_o,未加聚光系统时接收器所能接收到的光通量为

\begin{matrix} Φ_{d} = \int L_{o} S_{d} \cos θ_{d} dΩ = 2 π L_{o} S_{d} \overset{\frac{π}{2}}{\int_{0}} \cos θ_{d} \sin θ_{d} d θ_{d} = π L_{o} S_{d}, (5) \end{matrix}

式中:Ω为立体角;θ_d为接收角。将接收器添加平板型聚光系统后,设主聚光器阵列上表面的面积为S_i,入射到主聚光器阵列上表面的光亮度为L_i,对于一个最大接收角(即视场角)为θ_max的平板型聚光器,此时入射到主聚光器阵列上表面的光通量为

\begin{matrix} \begin{matrix} Φ_{i} = & \int L_{i} S_{i} \cos θ_{d} dΩ = 2 π L_{i} S_{i} \overset{\frac{π}{2}}{\int_{0}} \cos θ_{d} \sin θ_{d} d θ_{d} = π L_{i} S_{i}, (6) \end{matrix} \end{matrix}

经聚光器收集到达接收器表面的光通量为

\begin{matrix} Φ_{o} = η_{opt} Φ_{i} = π L_{i} S_{i} η_{opt}, (7) \end{matrix}

式中:η_opt为平板型聚光系统的聚光效率。聚光效率定义为进入探测器的能量与接收全部可见光能量的比值。对于平板型聚光系统,光学增益定义为添加聚光器后接收器接收的光通量Φ_o与未添加聚光器时所接收的光通量Φ_d之比^[22],即

\begin{matrix} g (θ_{c}) = \frac{Φ_{o}}{Φ_{d}} = \frac{π L_{i} S_{i} η_{opt}}{π L_{o} S_{d}} = η_{opt} \frac{L_{i} S_{i}}{L_{o} S_{d}} = η_{opt} C_{ge o} \frac{L_{i}}{L_{o}} 。 (8) \end{matrix}

由于平板型聚光系统的尺寸相对于室内的高度很小,因此L_o≈L_i,将 (4) 式代入 (8) 式并整理得

\begin{matrix} g (θ_{c}) = η_{opt} l_{c} / w 。 (9) \end{matrix}

3 平板型聚光器的仿真设计与聚光性能分析

3.1 平板型聚光器在40°视场角时的仿真分析

将室内可见光通信场景设定为(5×5×3) m,其中高度为3 m。依据白光照明标准,普通办公照明要求照度范围为200~1000 lx,采用4组白光LED阵列均匀对称分布在房间中,如图3所示。每组阵列有60×60个LED单元,单个LED发光功率为20 mW,发射半功率角为60°,中心发光强度为0.73 cd。设LED阵列与房顶边缘的最短距离为l_m,LED阵列中各LED灯珠之间的距离为i,在这种布局模式下,光照度分布如图4所示,接收平面照度分布的均匀度为(照度均值与照度最大值的比值)89.6%。光学天线法线与所能接收光线夹角最大值为半视场角,在实际应用中,扩大视场可使光学接收天线接收更多入射光从而增加聚光效率,但是视场角过大又会增加噪声,因此确定合适的视场角对于设计光学接收天线具有重要的意义。之前的研究表明,室内可见光通信光学接收天线的视场角需要设计在40°~60°之间^[15],为了适应室内可见光通信中LED的光强分布,需要调整主聚光器上表面的二次曲面系数以及曲率半径数值。为了将光线导入主聚光器后折射为平行光,本文将主聚光器上表面二次曲面系数设置为-1,即抛物透射面。调整后的具体参数如表1所示,对主聚光器的光线追迹如图5所示,LED光源的相关参数如表2 所示。为了使仿真实验更具一般性,调整平板型聚光器的位置空间坐标为(1500 mm,1500 mm,850 mm)。图5(c)和图5(d)分别为有无平板型聚光器作为光学前端时接收面的光能分布情况,在有聚光器时接收端接收到的光线数量为1457条,接收端接收面的光斑呈均匀分布;没有聚光器时接收端接收到的光线数量为396条,但是由于光源出光分布以及位置的变化,接收面的光斑分布均匀性较差;根据两种情况下接收光线的数量,计算出平板型聚光器的实际增益为3.68。通过比较发现,在调整主聚光器上表面曲率半径后,平板型聚光器在光源为朗伯分布模式时聚光性能有所提高,这说明上表面为曲面面型的平板型聚光器适合作为室内可见光通信的光学天线。

图 3. 室内光源布局模型

Fig. 3. Layout model of indoor light source

下载图片查看所有图片

图 4. 接收平面光照度分布

Fig. 4. Illumination distribution on receiving plane

下载图片查看所有图片

图 5. 平板型聚光器在40°视场角时仿真示意图。 (a)主聚光器光线追迹示意图;(b) 平板型聚光器结构图; (c) 采用聚光器时接收端的光斑分布; (d)未采用聚光器时接收端的光斑分布

Fig. 5. Simulation diagrams of the planar concentrator with a field of view of 40°. Schematic diagrams of (a) ray-tracing of the collector and (b) the planar concentrator structure; irradiance distributions of the receiver (c) with and (d) without the planar concentrator

下载图片查看所有图片

表 1. 视场角为40°时平板型聚光器的关键设计参数

Table 1. Key design parameters of planar concentrator with a field of view of 40°

Radius curvature of the collectorρ /mm	Parabolic coefficienta	Collector widthD /mm	Collector heighth /mm	Lightguide lengthl_m /mm	Lightguide thicknessw /mm	Field of viewθ_max /(°)	Collector material
-34	0.021	5	42	600	2	40	PMMA

查看所有表

表 2. LED光源相关设计参数

Table 2. Design parameters of the LED light source

Ray distribution	LED sizeS_s /mm²	LED powerP_s /W	Color temperatureT /K	Simulation rays amount
Lambertian	1	1	4500	100000

查看所有表

3.2 通信可靠性研究

在3.1节中,讨论了室内LED照明分布的均匀性,还需对通信的可靠性进行研究。本文采用接收平面上BER均值评价通信系统可靠性,当第n个点光源作用时接收平面的接收功率P_n为^[23]

\begin{matrix} P_{n} = g_{LOS} (0) P_{s}, (10) \end{matrix}

式中:g_LOS(0)为信道的直流增益;P_s为光源功率。单个LED光源出光分布服从朗伯辐射模型,则g_LOS(0)为^[26]

\begin{matrix} g_{LOS} (0) = \{\begin{matrix} \frac{(m + 1) S_{d}}{2 π d_{n}^{2}} co s^{m} θ_{s} g_{s} (θ_{c}) g (θ_{c}) \cos θ_{c}, & 0 \leq θ_{c} \leq θ_{\max} \\ 0, & θ > θ_{\max} \end{matrix}, (11) \end{matrix}

式中:d_n为光源与探测器之间的直线距离;θ_s为光源发射角度;θ_c为光线入射角度;m为模式阶数;g_s(θ_c)为光滤波器的增益;g(θ_c)为聚光器的增益。则m和g(θ_c)可分别表示为

\begin{matrix} \begin{matrix} m = \frac{- \ln 2}{\ln (\cos θ_{\frac{1}{2}})}, (12) \\ g (θ_{c}) = \{\begin{matrix} n_{1}^{2} / (si n^{2} θ_{\max}), & 0 \leq θ_{c} \leq θ_{\max} \\ 0, & θ_{c} > θ_{\max} \end{matrix}, (13) \end{matrix} \end{matrix}

式中:θ_1/2为发射功率的半角。则接收端探测器收到LED阵列传输的总光源功率为

\begin{matrix} P_{d} = \overset{N}{\sum_{n = 1}} P_{s} g_{LOS} (0), (14) \end{matrix}

式中:N为LED数量。系统信噪比为^[24-25]

\begin{matrix} R_{SN} = (γ P_{d})^{2} / σ^{2}, (15) \end{matrix}

式中:γ为PD转换效率;σ²为接收端接收到的总系统噪声,σ²= $\begin{matrix} σ_{1}^{2} \end{matrix}$ + $\begin{matrix} σ_{2}^{2} \end{matrix}$ , $\begin{matrix} σ_{1}^{2} \end{matrix}$ 为系统散粒噪声, $\begin{matrix} σ_{2}^{2} \end{matrix}$ 为放大器噪声。 $\begin{matrix} σ_{1}^{2} \end{matrix}$ 可表示为

\begin{matrix} σ_{1}^{2} = 2 qγ (P_{d} + P_{b}) B_{b}, (16) \end{matrix}

式中:q为电子电量;P_b为周围环境背景光产生的噪声功率;B_b为噪声带宽。B_b可表示为

\begin{matrix} B_{b} = I_{1} R_{b}, (17) \end{matrix}

式中:R_b为系统的数据传输速率^[24];I₁为光电二级管的噪声带宽因子。 $\begin{matrix} σ_{2}^{2} \end{matrix}$ 可表示为

\begin{matrix} σ_{2}^{2} = I_{a}^{2} B_{a}, (18) \end{matrix}

式中:I_a为放大器的噪声密度;B_a为放大器带宽。系统BER为

\begin{matrix} R_{BE} = Q (x) \sqrt[]{R_{SN}}, (19) \end{matrix}

式中:Q(x)可表示为

\begin{matrix} Q (x) = \overset{\infty}{\int_{x}} \frac{\exp (- y^{2} / 2)}{\sqrt[]{2 π}} dy, (20) \end{matrix}

则接收平面的BER均值 $\begin{matrix} {\bar{R}}_{BE} \end{matrix}$ (l_m,i)为

\begin{matrix} {\bar{R}}_{BE} (l_{m}, i) = S_{d} \underset{(x, y)}{\int \int} R_{BE} (x, y) dxdy 。 (21) \end{matrix}

图 6. 接收平面BER均值分布

Fig. 6. Distribution of BER average value on receiving plane

下载图片查看所有图片

图6为不同(l_m,i)取值时接收平面BER均值的分布情况。由图6可知,在满足照度的前提下,当(l_m,i)=(0.35,0.025)时,接收平面的BER均值最低,此时系统最可靠。

3.3 聚光器结构对聚光性能的影响

通过上述对实际通信条件的研究,得到的接收天线的体积、质量、接收聚光面积分别为126000 mm³,140.2 g, 3000 mm²。该接收天线的体积较小,结构较为简单,能够满足实际应用需要。聚焦光斑辐照度分布随着接收天线位置坐标的变化如图7所示。为了使仿真数据更具一般性,选取接收天线位置空间坐标(x,y,z)分别为(1.60 mm,0,0.85 mm)(1.60 mm,0.80 mm,0.85 mm)(1.60 mm,1.60 mm,0.85 mm)(1.60 mm,2.50 mm,0.85 mm)进行仿真实验。由于LED阵列分布的对称性,这4个位置坐标的数据能够较客观地反映实验结果的正确性。由图7可见,不同位置坐标下聚焦光斑的分布都较均匀,几乎不受位置坐标的影响,即随着入射光照方向的变化聚焦光斑的位置几乎没有漂移。

图 7. 聚焦光斑辐照度分布。图(a)、(b)、(c)、(d)接收天线位置空间坐标分别为(1.60 mm, 0, 0.85 mm)(1.60 mm, 0.80 mm, 0.85 mm)(1.60 mm, 1.60 mm, 0.85 mm)(1.60 mm, 2.50 mm, 0.85 mm)

Fig. 7. Irradiance distributions of concentrated spot with x=1.60 mm, z=0.85 mm, and (a) y=0, (b) y=0.80 mm, (c) y=1.60 mm, and (d) y=2.50 mm

下载图片查看所有图片

随着平板型聚光器长度的增加,主聚光器和半球耦合结构阵列数量也增多,部分波导板中的光线传播至波导板上表面半球耦合结构处,由于这部分表面面型为球面,光线在此处不再发生全反射,部分光线透射出波导板,发生漏光现象。由于接收到光线总量不变,但漏光后到达探测器的光线变少,因此聚光效率下降。光线耦合结构的尺寸直接影响波导板的漏光程度,利用光线追迹软件对3种聚光器进行仿真,并考虑菲涅耳损失和光学材料的吸收损失。3种聚光器的长度分别为400,500,600 mm,宽度和高度均为50,42 mm。图8为聚光效率随光线耦合结构尺寸变化曲线。可见,随着光线耦合结构尺寸的增加,漏光程度逐渐加深,聚光效率降低;在相同

图 8. 3种聚光器长度下聚光效率随光线耦合结构半径的变化曲线

Fig. 8. Optical efficiencies vary with the coupling structure radii with three concentrator lengths

下载图片查看所有图片

光线耦合结构尺寸下,聚光器长度越长,漏光现象越严重,聚光效率越低。需要注意的是,当光线耦合结构半径为零时,即波导板上表面为平面,从主聚光器出射的光线与波导板上下表面发生折射后从波导板下表面漏出,没有任何光线被导入波导板中。因此,在实际设计聚光器时,光线耦合结构的半径不能为零。

3.4 视场角对平板型聚光器聚光性能的影响

视场角θ_max是评价光学天线性能优劣的重要指标。在实际应用中,扩大视场角能够使光学天线接收更多的入射光,从而增加聚光系统的聚光效率。但是,根据以上分析可知,视场角对于平板型聚光器聚光性能影响较大。在不改变光源条件的基础上,将平板型聚光器的位置空间坐标设置为(1500 mm,1500 mm,850 mm),通过改变主聚光器上表面曲率半径的设计参数,分别模拟视场角为0°,10°,20°,30°,40°,50°时接收端所能够接收到的能量。具体的设计参数以及各视场角下的增益情况分别列于表3。根据表3绘制的实际增益随视场角的变化如图9所示。由图9可见,当视场角较小时,平板型聚光器的聚光效果较好,实际增益较大;随着视场角的增大,实际增益迅速下降,这是由于聚光器的位置、LED光源的布局,以及LED出光分布等因素导致一部分光线未能被主聚光器接收所致,而另一部分被主聚光器接收的光线由于入射角度的变化未能导入至波导板,则使聚光器的聚光效率大幅下降;当视场角较大时,实际增益下降幅度较平缓。

表 3. 不同视场角下的平板型聚光器参数与增益值

Table 3. Parameters and gain values of planar concentrator in different fields of view

Field of viewθ_max /(°)	Parabolic coefficientρ /mm	Collector heighth /mm	Lightguide lengthl_c /mm	Rays amount(with collector)	Rays amount(without collector)	Gain g(θ_c)
0	∞	42	600	39900	144	277
10	-52	42	600	2562	61	42
20	-46	42	600	3762	209	18
30	-39	42	600	2540	324	7.84
40	-34	42	600	1457	396	3.68
50	-30	42	600	761	435	1.75

查看所有表

图 9. 平板型聚光器作为光学天线在不同视场角下的增益

Fig. 9. Gain of the planar concentrators as optical antenna in different fields of view

下载图片查看所有图片

4 采用平板型聚光系统为光学前端的室内可见光通信系统信道仿真与分析

为了验证平板型聚光器设计的合理性,在一个(5×5×3) m的空旷房间中,利用Matlab软件分别对采用视场角为10°,30°,50°,70°的平板型聚光器为光学天线的室内可见光通信系统进行建模与仿真。4组白光LED阵列均匀对称地分布在距离天花板0.5 m的位置,每组LED光源由60×60个LED组成,每个LED光功率为20 mW,每两个LED之间的距离为1 cm,LED中心的发光强度为0.73 cd,接收系统所放置的桌面距离地面0.85 m,墙壁反射率为0.7,聚光器光学材料折射率n₁=1.5。

在不考虑墙壁反射的情况下,设光学滤波器增益为1,探测器有效面积为1 cm²,响应度为0.53 A/W,接收器视场角为90°。分别模拟仿真不采用平板型聚光器、采用视场角为10°,30°,50°,70°的平板型聚光器作为光学天线的4种情况,得到的0.85 m水平任意位置的接收功率分布如图10及表4所示。需要说明的是,文中探测器有效面积1 cm²只作计算数值。

由图10和表4可见,使用视场角为10°的平板型聚光器作为光学天线时,4组LED下方的探测器接收功率增加,但是其他区域有较大的盲区存在;使用视场角为30°的平板型聚光器作为光学天线时,接收功率增加的区域面积变大,但仍然存在部分盲区;使用视场角为50°的平板型聚光器作为光学天线时,接收功率平均值为11.7274 dBm,较无聚光器时提升16.2411 dBm,且之前出现的盲区被覆盖,接收功率最小值出现在房间的边缘及角落。使用视场角为70°的平板型聚光器作为光学天线时,接收功率平均值为18.1684 dBm,较无聚光器时提升22.6821 dBm,但是接收功率最大值有所下降。

图 10. LOS信道下接收功率分布。 (a) 不使用聚光器;(b)、 (c)、 (d) 、(e)使用视场角分别为10°, 30°, 50°, 70°的平板型聚光器

Fig. 10. Distributions of received power in LOS (a) without concentrator and using a planar concentrator with the fields of view of (b) 10°, (c) 30°, (d) 50°, and (e) 70°

下载图片查看所有图片

表 4. LOS信道下不同视场角平板型聚光器的接收功率分布

Table 4. Distribution of received power in LOS using the planar concentrators with different fields of view

Type of optical antenna	Field of viewθ_max /(°)	Minimal received powerP_min /W	Maximal received powerP_max /W	Average received powerP_ave /W
Without collector		-9.9431	-3.1408	-4.5137
Planar concentrator	10	-∞	21.4318	0.3796
	30	-∞	23.1988	3.8864
	50	-10.0432	23.1956	11.7274
	70	16.0327	20.0046	18.1684

查看所有表

当考虑墙壁光线一次反射时,即NLOS信道下,反射光的直流增益为

\begin{matrix} g_{NLOS} (0) = \{\begin{matrix} \frac{(m + 1) S_{d}}{2 π d_{1}^{2} d_{2}^{2}} ρd S_{wall} co s^{m} θ_{S} \cos θ_{wall 1} \cos θ_{wall 2} g_{s} (θ_{c}) g (θ_{c}) \cos θ_{c}, & 0 \leq θ_{c} \leq θ_{\max} \\ 0, & θ_{c} > θ_{\max} \end{matrix}, (22) \end{matrix}

式中:d₁为光线到墙壁任意点的距离;d₂为该点到接收端的距离; dS_wall为墙面的微元面积;θ_wall1为光线相对于墙壁的入射角度;θ_wall2为光线经过墙壁反射后的出射角度。则考虑一次反射时的接收功率为

\begin{matrix} P_{r} = \int P_{s} d g_{NLOS} (0), (23) \end{matrix}

系统总接收功率为

\begin{matrix} P_{R} = \overset{N}{\sum_{n = 1}} [P_{s} g_{LOS} (0) + \int P_{s} d g_{NLOS} (0)] 。 (24) \end{matrix}

根据 (11)式、(13)式、(24)式,仿真得到NLOS下0.85 m水平任意位置的接收功率分布,如图11及表5所示。

图 11. NLOS信道下接收功率分布。 (a) 不使用聚光器;(b)、 (c)、 (d) 、(e)使用视场角分别为10°, 30°, 50°, 70°的平板型聚光器

Fig. 11. Distribution of received power in NLOS. (a) Without concentrator; (b) using a planar concentrator of the field of 10° view; (c) using a planar concentrator of the field of 30° view; (d) using a planar concentrator of the field of 50° view; (e) using a planar concentrator of the field of 70° view

下载图片查看所有图片

表 5. NLOS信道下不同视场角下平板型聚光器的接收功率分布

Table 5. Distribution of received power of the planar concentrators in different fields of view in NLOS

Type of optical antenna	Field of viewθ_max /(°)	Minimal received powerP_min /W	Maximal received powerP_max /W	Average received powerP_ave /W
Without collector		-9.7876	-3.2394	-4.1547
Planar concentrator	10	-∞	21.9105	0.8863
	30	-∞	23.9054	4.3167
	50	-9.9481	24.0064	12.3409
	70	16.0547	20.1794	18.9534

查看所有表

由图11和表5可见,采用平板型聚光器作为光学天线后,NLOS信道下系统的接收功率普遍比LOS信道下有所提升。对于视场角为50°的平板型聚光器,接收功率的平均值较无聚光器时提升16.4956 dBm,较LOS信道下提高0.6135 dBm。对于视场角为70°的平板型聚光器,接收功率的平均值较无聚光器时提升23.1081 dBm,较LOS信道下提高0.785 dBm。可见,墙壁的反射光线对于接收功率的分布有较大影响。因此,平板型聚光器作为可见光通信中的光学天线的整体性能适用于室内可见光通信。

5 结论

平板型聚光器常用于太阳光接收系统,本文通过调整主聚光器上表面面型参数设计出可作为室内可见光通信光学天线的平板型聚光器,利用光线追迹软件TracePro模拟了主聚光器上表面不同曲率半径下的平板型聚光器在不同视场角下的聚光性能,分析了视场角对平板型聚光器聚光性能的影响,并推导出适用于平板型聚光系统的光学增益理论公式。为了验证平板型聚光器设计的合理性,在一个(5×5×3) m的空旷房间中,利用Matlab软件分别对视场角为10°,30°,50°,70°的平板型聚光器作为光学天线的室内可见光通信系统进行了建模与仿真,分别得到了LOS和NLOS信道下视场角为50°的平板型聚光器接收房间内各位置的光功率较直接探测时分别提升了16.2411 dBm和16.4956 dBm。仿真结果表明:视场角为50°时的平板型聚光器作为可见光通信中的光学天线的整体性能适用于室内可见光通信;视场角较小的平板型聚光器更适用于点对点的环境。

需要说明的是,仿真过程中为了突出表现不同参数下光学天线整体性能间的差异,选用的平板型聚光器尺寸较大,在实际应用中,可根据光通信应用的场景,减少主聚光器的数量,调整聚光系统的高度,得到切合实际条件的设计尺寸。此外,光线在平板型聚光器的接收面上均匀分布,均匀的能量不但不会影响探测器的性能,反而可以提高探测效率;对于高通信速率中光源功率较低时,可以通过增加聚光器的长度或宽度增大系统的接收面积,从而满足低功率光源下的通信需求。

参考文献

[1] 刘洋, 章国安. 可见光通信调制方式及其性能研究[J]. 激光与光电子学进展, 2014, 51(9): 090601.

刘洋, 章国安. 可见光通信调制方式及其性能研究[J]. 激光与光电子学进展, 2014, 51(9): 090601.

Liu Y, Zhang G A. Study on modulation scheme of visible light communications and its performance[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2014, 51(9): 090601.

[2] 陆庆峰, 季新生, 黄开枝, 等. 降低可见光通信不均匀限幅失真的功率分配方法[J]. 光学学报, 2014, 34(7): 0706004.

陆庆峰, 季新生, 黄开枝, 等. 降低可见光通信不均匀限幅失真的功率分配方法[J]. 光学学报, 2014, 34(7): 0706004.

Lu Q F, Ji X S, Huang K Z, et al. Power allocation method for reducing nonlinearity clipping distortion in asymmetrically clipped optical orthogonal frequency division multiplexing based visible light communication[J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(7): 0706004.

[3] 赵黎, 彭恺. 基于白光LED的室内VLC光源布局优化[J]. 光学学报, 2017, 37(7): 0706001.

赵黎, 彭恺. 基于白光LED的室内VLC光源布局优化[J]. 光学学报, 2017, 37(7): 0706001.

Zhao L, Peng K. Optimization of layout of lighting for indoor VLC based on white-LED[J]. Acta Optica Sinica, 2017, 37(7): 0706001.

[4] 李远兴, 梁文跃, 叶湖贵, 等. 基于COB LED的均匀光强分布可见光通信系统发射端的光学设计[J]. 光学学报, 2016, 36(10): 1022002.

李远兴, 梁文跃, 叶湖贵, 等. 基于COB LED的均匀光强分布可见光通信系统发射端的光学设计[J]. 光学学报, 2016, 36(10): 1022002.

Li Y X, Liang W Y, Ye H G, et al. COB LED based optical design of transmitting end with uniform luminous intensity distribution for visible light communication systems[J]. Acta Optica Sinica, 2016, 36(10): 1022002.

[5] Pang G, Ho K L, Kwan T, et al. Visible light communication for audio systems[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 1999, 45(4): 1112-1118.

Pang G, Ho K L, Kwan T, et al. Visible light communication for audio systems[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 1999, 45(4): 1112-1118.

[6] Komine T, Nakagawa M. Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2004, 50(1): 100-107.

Komine T, Nakagawa M. Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2004, 50(1): 100-107.

[7] 张逸伦, 蓝天, 高明光, 等. 二级级联式室内可见光通信光学接收天线设计[J]. 物理学报, 2015, 64(16): 164201.

张逸伦, 蓝天, 高明光, 等. 二级级联式室内可见光通信光学接收天线设计[J]. 物理学报, 2015, 64(16): 164201.

Zhang Y L, Lan T, Gao M G, et al. Design of two-cascade optical antenna for indoor visible light communication[J]. Acta Physica Sinica, 2015, 64(16): 164201.

[8] 赵太飞, 柯熙政, 梁薇, 等. 紫外光散射通信中一种二级光学接收系统设计[J]. 压电与声光, 2011, 33(2): 310-314.

赵太飞, 柯熙政, 梁薇, 等. 紫外光散射通信中一种二级光学接收系统设计[J]. 压电与声光, 2011, 33(2): 310-314.

Zhao T F, Ke X Z, Liang W, et al. Design of two levels optical receiver system for UV scattering communication[J]. Piezoeletrics and Acoustooptics, 2011, 33(2): 310-314.

[9] 徐宁, 徐丹彤, 杨庚, 等. 可见光通信中菲涅耳透镜仿真设计与优化[J]. 量子电子学报, 2012, 29(5): 629-636.

徐宁, 徐丹彤, 杨庚, 等. 可见光通信中菲涅耳透镜仿真设计与优化[J]. 量子电子学报, 2012, 29(5): 629-636.

Xu N, Xu D T, Yang G, et al. Simulating and optimizing of Fresnel lens in visible light communications[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2012, 29(5): 629-636.

[10] 李湘, 蓝天, 王云, 等. 室内可见光通信系统中菲涅尔透镜接收天线的设计研究[J]. 物理学报, 2015, 64(2): 024201.

李湘, 蓝天, 王云, 等. 室内可见光通信系统中菲涅尔透镜接收天线的设计研究[J]. 物理学报, 2015, 64(2): 024201.

Li X, Lan T, Wang Y, et al. Design and study of Fresnel lens for an antenna in indoor visible light communication system[J]. Acta Physica Sinica, 2015, 64(2): 024201.

[11] 王龙辉, 蓝天, 沈振民, 等. 基于全息反射镜的室内可见光通信光学接收天线[J]. 光子学报, 2015, 44(3): 0306004.

王龙辉, 蓝天, 沈振民, 等. 基于全息反射镜的室内可见光通信光学接收天线[J]. 光子学报, 2015, 44(3): 0306004.

Wang L H, Lan T, Shen Z M, et al. Optical receiving antenna for indoor visible light communication based on holographic mirror[J]. Acta Photonica Sinica, 2015, 44(3): 0306004.

[12] Burton A, Ghassemlooy Z, Rajbhandari S, et al. Design and analysis of an angular-segmented full-mobility visible light communications receiver[J]. Transactions on Emerging Telecommunications Technologies, 2014, 25: 591-599.

Burton A, Ghassemlooy Z, Rajbhandari S, et al. Design and analysis of an angular-segmented full-mobility visible light communications receiver[J]. Transactions on Emerging Telecommunications Technologies, 2014, 25: 591-599.

[13] Zhang X B, Tang Y, Cui L, et al. Continuous zoom antenna for mobile visible light communication[J]. Applied Optics, 2015, 54(32): 9606-9612.

Zhang X B, Tang Y, Cui L, et al. Continuous zoom antenna for mobile visible light communication[J]. Applied Optics, 2015, 54(32): 9606-9612.

[14] 张学彬, 唐义, 崔璐, 等. 光栅型光谱波分复用可见光通信光学天线[J]. 光学学报, 2016, 36(2): 0206003.

张学彬, 唐义, 崔璐, 等. 光栅型光谱波分复用可见光通信光学天线[J]. 光学学报, 2016, 36(2): 0206003.

Zhang X B, Tang Y, Cui L, et al. Grating optical antenna for spectral wavelength division multiplex visible light communication[J]. Acta Optica Sinica, 2016, 36(2): 0206003.

[15] 呼树同, 张建勇. 多输入多输出可见光通信的天线布局研究[J]. 光电子·激光, 2015, 26(10): 1908-1914.

呼树同, 张建勇. 多输入多输出可见光通信的天线布局研究[J]. 光电子·激光, 2015, 26(10): 1908-1914.

Hu S T, Zhang J Y. Research of antenna layouts in multiple-input multiple-output visible light communication[J]. Journal of Optoelectronics · Laser, 2015, 26(10): 1908-1914.

[16] 王云, 蓝天, 李湘, 等. 复合抛物面聚光器作为可见光通信光学天线的设计研究与性能分析[J]. 物理学报, 2015, 64(12): 124212.

王云, 蓝天, 李湘, 等. 复合抛物面聚光器作为可见光通信光学天线的设计研究与性能分析[J]. 物理学报, 2015, 64(12): 124212.

Wang Y, Lan T, Li X, et al. Design research and performance analysis of compound parabolic concentrators as optical antennas in visible light communication[J]. Acta Physica Sinica, 2015, 64(12): 124212.

[17] Cooper T, Dähler F, Ambrosetti G, et al. Performance of compound parabolic concentrators with polygonal apertures[J]. Solar Energy, 2013, 95(5): 308-318.

Cooper T, Dähler F, Ambrosetti G, et al. Performance of compound parabolic concentrators with polygonal apertures[J]. Solar Energy, 2013, 95(5): 308-318.

[18] Xie P, Lin H C, Liu Y, et al. Total internal reflection-based planar waveguide solar concentrator with symmetric air prisms as couplers[J]. Optics Express, 2014, 22(s6): A1389-A1398.

Xie P, Lin H C, Liu Y, et al. Total internal reflection-based planar waveguide solar concentrator with symmetric air prisms as couplers[J]. Optics Express, 2014, 22(s6): A1389-A1398.

[19] de Jong T M, Bastiaansen G W M. Diffractive flat panel solar concentrators of a novel design[J]. Optics Express, 2016, 24(14): A1138-A1147.

de Jong T M, Bastiaansen G W M. Diffractive flat panel solar concentrators of a novel design[J]. Optics Express, 2016, 24(14): A1138-A1147.

[20] 王骁, 曹秒, 安志勇, 等. 全内反射型太阳能聚光模块设计与研究[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(10): 1020001.

王骁, 曹秒, 安志勇, 等. 全内反射型太阳能聚光模块设计与研究[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(10): 1020001.

Wang X, Cao M, An Z Y, et al. Design and research of total-internal-reflection solar energy concentrating module[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(10): 1020001.

[21] Bouchard S, Thibault S. GRIN planar waveguide concentrator used with a single axis tracker[J]. Optics Express, 2014, 22(s2): A248-A258.

Bouchard S, Thibault S. GRIN planar waveguide concentrator used with a single axis tracker[J]. Optics Express, 2014, 22(s2): A248-A258.

[22] Liu Y X, Huang R, Madsen C K, et al. Two-axis tracking using translation stages for a lens-to-channel waveguide solar concentrator[J]. Optics Express, 2014, 22(s6): A1567-A1575.

Liu Y X, Huang R, Madsen C K, et al. Two-axis tracking using translation stages for a lens-to-channel waveguide solar concentrator[J]. Optics Express, 2014, 22(s6): A1567-A1575.

[23] Teng T C, Lai W C. Planar solar concentrator featuring alignment-free total-internal-reflection collectors and an innovative compound tracker[J]. Optics Express, 2014, 22(s7): A1818-A1834.

Teng T C, Lai W C. Planar solar concentrator featuring alignment-free total-internal-reflection collectors and an innovative compound tracker[J]. Optics Express, 2014, 22(s7): A1818-A1834.

[24] Languy F, Fleury K, Lenaerts C, et al. Flat Fresnel doublets made of PMMA and PC: combining low cost production and very high concentration ratio for CPV[J]. Optics Express, 2011, 19(s3): A280-A294.

Languy F, Fleury K, Lenaerts C, et al. Flat Fresnel doublets made of PMMA and PC: combining low cost production and very high concentration ratio for CPV[J]. Optics Express, 2011, 19(s3): A280-A294.

[25] 丁德强, 柯熙政, 李建勋. VLC系统的光源布局设计与仿真研究[J]. 光电工程, 2007, 34(1): 131-134.

丁德强, 柯熙政, 李建勋. VLC系统的光源布局设计与仿真研究[J]. 光电工程, 2007, 34(1): 131-134.

Ding D Q, Ke X Z, Li J X. Design and simulation on the layout of lighting for VLC system[J]. Optoeletronic Engineering, 2007, 34(1): 131-134.

[26] Zeng LB, O’Brien D, Le-Minh H, et al. Improvement of data rate by using equalization in an indoor visible light communication system[C]. 4 th IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications , 2008: 10052223.

Zeng LB, O’Brien D, Le-Minh H, et al. Improvement of data rate by using equalization in an indoor visible light communication system[C]. 4 th IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications , 2008: 10052223.

[27] Wang Z, Yu C, Zhong W D, et al. Performance of a novel LED lamp arrangement to reduce SNR fluctuation for multi-user visible light communication systems[J]. Optics Express, 2012, 20(4): 4564-4573.

Wang Z, Yu C, Zhong W D, et al. Performance of a novel LED lamp arrangement to reduce SNR fluctuation for multi-user visible light communication systems[J]. Optics Express, 2012, 20(4): 4564-4573.

[28] Kahn J M, Barry J R. Wireless Infrared Communications[J]. Proceedings of the IEEE, 1997, 85(2): 265-298.

Kahn J M, Barry J R. Wireless Infrared Communications[J]. Proceedings of the IEEE, 1997, 85(2): 265-298.

3.1 平板型聚光器在40°视场角时的仿真分析

3.2 通信可靠性研究

3.3 聚光器结构对聚光性能的影响

3.4 视场角对平板型聚光器聚光性能的影响

4 采用平板型聚光系统为光学前端的室内可见光通信系统信道仿真与分析

5 结论

尹鹏, 徐熙平, 姜肇国, 王加安, 张璐璐. 平板型聚光器作为可见光通信中光学天线的设计与性能分析[J]. 光学学报, 2018, 38(4): 0406004. Peng Yin, Xiping Xu, Zhaoguo Jiang, Jiaan Wang, Lulu Zhang. Design and Performance Analysis of Planar Concentrators as Optical Antennas in Visible Light Communication[J]. Acta Optica Sinica, 2018, 38(4): 0406004.

平板型聚光器作为可见光通信中光学天线的设计与性能分析 下载： 750次

1 引言

2 平板型聚光器的几何结构与光学性能

2.1 主聚光器的设计

图 1. 主聚光器结构。(a)侧视图; (b)俯视图; (c)三维图

Fig. 1. (a) Side view, (b) top view, and (c) three-dimensional view of the master collector structure

2.2 波导板的设计

图 2. 波导板结构示意图

Fig. 2. Schematic diagram of the lightguide structure

2.3 光学增益

3 平板型聚光器的仿真设计与聚光性能分析

3.1 平板型聚光器在40°视场角时的仿真分析

图 3. 室内光源布局模型

Fig. 3. Layout model of indoor light source

图 4. 接收平面光照度分布

Fig. 4. Illumination distribution on receiving plane

图 5. 平板型聚光器在40°视场角时仿真示意图。 (a)主聚光器光线追迹示意图;(b) 平板型聚光器结构图; (c) 采用聚光器时接收端的光斑分布; (d)未采用聚光器时接收端的光斑分布

Fig. 5. Simulation diagrams of the planar concentrator with a field of view of 40°. Schematic diagrams of (a) ray-tracing of the collector and (b) the planar concentrator structure; irradiance distributions of the receiver (c) with and (d) without the planar concentrator

表 1. 视场角为40°时平板型聚光器的关键设计参数

Table 1. Key design parameters of planar concentrator with a field of view of 40°

表 2. LED光源相关设计参数

Table 2. Design parameters of the LED light source

3.2 通信可靠性研究

图 6. 接收平面BER均值分布

Fig. 6. Distribution of BER average value on receiving plane

3.3 聚光器结构对聚光性能的影响

图 7. 聚焦光斑辐照度分布。 图(a)、(b)、(c)、(d)接收天线位置空间坐标分别为(1.60 mm, 0, 0.85 mm)(1.60 mm, 0.80 mm, 0.85 mm)(1.60 mm, 1.60 mm, 0.85 mm)(1.60 mm, 2.50 mm, 0.85 mm)

Fig. 7. Irradiance distributions of concentrated spot with x=1.60 mm, z=0.85 mm, and (a) y=0, (b) y=0.80 mm, (c) y=1.60 mm, and (d) y=2.50 mm

图 8. 3种聚光器长度下聚光效率随光线耦合结构半径的变化曲线

Fig. 8. Optical efficiencies vary with the coupling structure radii with three concentrator lengths

3.4 视场角对平板型聚光器聚光性能的影响

表 3. 不同视场角下的平板型聚光器参数与增益值

Table 3. Parameters and gain values of planar concentrator in different fields of view

图 9. 平板型聚光器作为光学天线在不同视场角下的增益

Fig. 9. Gain of the planar concentrators as optical antenna in different fields of view

4 采用平板型聚光系统为光学前端的室内可见光通信系统信道仿真与分析

图 10. LOS信道下接收功率分布。 (a) 不使用聚光器;(b)、 (c)、 (d) 、(e)使用视场角分别为10°, 30°, 50°, 70°的平板型聚光器

Fig. 10. Distributions of received power in LOS (a) without concentrator and using a planar concentrator with the fields of view of (b) 10°, (c) 30°, (d) 50°, and (e) 70°

表 4. LOS信道下不同视场角平板型聚光器的接收功率分布

Table 4. Distribution of received power in LOS using the planar concentrators with different fields of view

图 11. NLOS信道下接收功率分布。 (a) 不使用聚光器;(b)、 (c)、 (d) 、(e)使用视场角分别为10°, 30°, 50°, 70°的平板型聚光器

表 5. NLOS信道下不同视场角下平板型聚光器的接收功率分布

Table 5. Distribution of received power of the planar concentrators in different fields of view in NLOS

5 结论

Article Outline

相关论文

相关资讯

关于本站 Cookie 的使用提示

全站搜索

平板型聚光器作为可见光通信中光学天线的设计与性能分析下载： 750次

图 7. 聚焦光斑辐照度分布。图(a)、(b)、(c)、(d)接收天线位置空间坐标分别为(1.60 mm, 0, 0.85 mm)(1.60 mm, 0.80 mm, 0.85 mm)(1.60 mm, 1.60 mm, 0.85 mm)(1.60 mm, 2.50 mm, 0.85 mm)