为进一步提高动态目标室内可见光定位追踪系统性能, 提出了一种基于随机森林(RF)算法的室内可见光指纹定位方法。利用发光二极管(LED)的光强信号作为特征构建指纹数据库, 应用指纹库中的数据训练决策树, 引入RF算法进行初始定位, 再通过卡尔曼滤波对初始位置估计进行优化, 从而获得更准确的定位轨迹。仿真结果表明: 在5 m×5 m×3 m的室内场景下, 通过所提定位方法能获得大部分采样点误差分布在4 cm之内的定位效果; 此外, 通过与不同室内可见光定位算法的性能进行对比, 验证了所提算法的技术优势。

为了满足水下高速激光通信的需求和提高系统的误码性能, 设计一种基于二进制开关键控(OOK)调制的水下高速激光通信系统, 采用滑窗平均滤波方法对接收数据进行去噪处理, 根据固定值阈值和自适应阈值方式求取联合阀值后进行门限判决。系统测试结果表明: 联合阈值判决方式的误码性能优于固定阈值判决和自适应阈值判决方式; 系统在洁净水、水中含少量悬浮杂质2种水质通信时的误码率分别为0、10-2左右。

针对可见光通信(VLC)链路的数据传输安全性不高的问题。在正交频分复用(OFDM)VLC系统中, 提出一种比特级、符号级和相位联合加密的三级物理层加密方案。首先, 引入Logistic映射的混沌序列加密方法降低加密数据的相关性, 提高加密数据的安全性和系统的传输性能; 然后, 提出基于S替换表的星座映射, 根据不同的S替换表生成对应的星座映射关系, 使得原始二进制比特数据和加密后生成的数字调制信号之间始终保持格雷映射的特性, 保证格雷增益。仿真结果表明: 相比现有的方案, 提出的物理层加密方案不仅具有更高的安全性, 还降低了OFDM VLC系统发送数据的峰均功率比, 缓解了发光二极管(LED)发射端产生的非线性失真, 提升了系统的误码率性能。

为了解决水下环境中物联网感知终端的能源供给难题, 利用氮化镓量子阱二极管的多功能光电特性, 采用兼容的制造工艺, 在同一块氮化镓芯片上集成能源、照明、通信和感知等器件, 在器件之间实现互联, 制备出氮化镓能源通信感知一体化芯片, 并对该芯片进行了可见光无线传能和通信实验。实验结果表明: 该芯片能够吸收外界的光脉冲信号并产生稳定的信号输出, 且信号发射速率能够达到1 Mb/s, 具有中继通信的潜力; 在水下环境中该芯片也能实现能源的采集与信号通信。

针对可见光通信(VLC)技术存在数据传输速率低、收发端同步困难等问题, 提出一种以彩色发光二极管(LED)阵列为发射端、手机摄像头为接收端的光学相机通信(OCC)系统。首先, 设计了一种特殊的帧结构来解决系统收发端同步问题, 并通过建立图像处理算法提取出彩色LED各通道灰度统计特性以区分LED颜色; 然后, 引入反向传播神经网络分类器提高颜色识别准确率; 最后, 以m伪随机序列作为测试数据进行系统通信误码率的测量, 研究发射端LED阵列刷新率、相机偏转角、传输距离、LED颜色数对误码率的影响。实验结果表明: 所设计的帧结构可以确保信息传输的稳定性; 当使用8种颜色进行信息传输时, 该系统可以在20~30 cm内实现误码率为10-6量级、通信速率为4.824 kb/s的实时通信。

为了应对新一代通信技术频谱危机, 根据量子阱二极管发光谱和探测谱存在重叠区的物理现象, 提出一种基于氮化镓集成光电子芯片的单通道全双工可见光通信系统。采用具有相同量子阱结构的一对蓝光、绿光氮化镓量子阱二极管器件, 分别作为光发射器和光接收器, 器件集成TiO2/SiO2分布式布喇格反射镜(DBR), 将入射光和发射光隔离, 实现单通道全双工光通信。测试结果表明, 该可见光通信系统通过集成氮化镓光电子芯片, 节约了信道空间, 对面向未来6G的可见光通信技术的发展具有重要意义。

为了提高可见光通信系统性能, 将可见光通信技术与其它通信技术异构融合, 能使各类技术取长补短, 增强通信系统容量, 提高资源利用率。介绍了可见光通信分别与电力线通信(PLC)、WiFi、以太网、长期演进(LTE)网络、第五代/第六代移动通信技术(5G/6G)融合的方法及发展现状, 对可见光通信异构融合系统的未来发展做了展望。

为提高室内可见光通信系统传输性能, 提出一种基于广义空间调制技术(GSM)的无载波幅度相位(CAP)-数字脉冲间隔调制(DPIM)混合方案。该方案基于空-时域联合思想, 在信号域内将CAP信号加载到DPIM时隙脉冲上构建混合调制信号, 在光空域内通过GSM技术同时激活多根天线进行信息传输。推导了可见光高斯信道下GSM-CAP-DPIM混合系统的误帧率理论表达式, 仿真验证了解析式的准确性, 探究了不同空时域参数选择对系统误帧性能的影响。实验结果表明: 频谱效率相同时, GSM-CAP-DPIM混合系统的可靠性优于传统混合调制系统。

针对传统室内定位算法精度较低的问题, 提出一种基于Elman神经网络的室内定位算法。使用Elman神经网络进行指纹库插值扩充, 完备指纹库, 两者结合减少定位误差, 并对该算法模型进行了实验验证。实验结果表明: 在0.8 m×0.8 m×0.8 m环境中, 所提算法的平均定位误差为4.6 cm, 满足室内定位对于精度的要求。

传统的静态朗伯和非朗伯光波束配置难以较好地解决发射器站址受限问题。针对单一发射器的应用场景, 提出了一种基于扇区化光波束切换的信道站址受限可见光通信覆盖方法。该方法采用商业可用的倾斜非朗伯光波束, 根据接收器在不同位置反馈的状态信息, 动态地确定能提供最佳覆盖信噪比的候选光波束, 构建定向传输链路。仿真结果表明: 在典型室内环境下, 与传统静态朗伯光波束配置相比, 该方法通过增加2个或3个候选扇区波束切换选项, 接收器可分别获得4.48 dB、5.94 dB的平均信噪比增益。

为进一步提高室内可见光三维定位的精度, 提出了一种基于最小三角形算法的室内可见光三维定位方法。该方法采用视距链路模型, 由定位终端接收携带发光二极管位置信息的光强信号, 利用最小三角形算法和接收信号强度指示方法来计算接收机在室内的三维位置信息, 再引入加权质心算法降低光路受遮挡所造成的影响。仿真结果表明: 在室内5 m×5 m×3 m的定位区域内, 提出的定位方法平均定位误差约为4.35 cm, 平均高度误差约为1.65 cm, 定位精度优于传统的室内可见光三维定位方法。

针对传统铌酸锂电光调制器体积大、带宽小等技术问题, 提出了一种基于薄膜铌酸锂调制器芯片的新型电光调制器的设计方法, 给出了薄膜铌酸锂电光调制器高频传输仿真模型, 详细介绍了薄膜铌酸锂电光调制器的高频信号馈入设计、过渡薄膜基板高频阻抗匹配设计, 并测试了40 GHz小尺寸薄膜铌酸锂电光调制器的核心指标。测试结果表明: 设计的薄膜铌酸锂电光调制器插入损耗、半波电压、3 dB带宽、产品尺寸分别为4.1 dB、3.9 V、40 GHz、30 mm×10 mm×5 mm, 比传统铌酸锂电光调制器性能优越。

为了研制面向卫星激光通信的小型化抗辐照掺铒光纤放大器(EDFA), 介绍了掺铒光纤(EDF)在辐照环境下的失效机理, 研究了不同掺铒浓度EDF的辐照性能, 对比了不同材料复合屏蔽结构的抗幅照性能, 最终实现了一种尺寸为60 mm×60 mm×15 mm、输出功率超过23 dBm和在20 krad(SI)辐照剂量下输出功率波动幅度低于0.1 dB的高性能小型化抗辐照EDFA。

概率整形技术通过改变发送信源的概率分布, 可进一步提高可见光通信系统的信道容量。提出一种新的概率整形算法, 首先引入正交频分复用调制建立可见光通信模型, 然后通过理论推导出星座点误符号率, 并根据不同星座点的理论误符号率来生成发送端信源的概率分布。仿真结果表明: 该算法生成的信源不仅能更好地适应当前信道状况, 还避免了多次发送训练求取接收端误符号率的过程; 与现有的概率整形算法相比, 所提算法可以获得更高的信息传输速率。

为了解决光通信领域中光纤产品在研发-生产阶段存在试验周期长、研发成本高和产品品质不稳定等问题, 基于六西格玛质量管理方法, 建立发明问题解决理论(TRIZ)-实验设计(DOE)-过程能力Cpk模型应用于抗弯曲光纤G.657.B3的研制, 通过这一模型有利于开展高效的试验设计与试验成本控制, 确定了G.657.B3光纤折射率剖面参数的最佳组合, 并应用于批量化生产。实验结果表明: 在1550 nm、1625 nm波长处, 弯曲半径为5 mm且绕1圈时, 光纤的宏弯典型损耗均值分别是0.063 dB、0.165 dB, 光纤的宏弯性能优良。