可见光通信技术

可见光通信技术（精选11篇）

可见光通信技术 第1篇

一、室内LED可见光通信原理简介

室内LED可见光通信的基本原理是利用灯光的“明”和“暗”来分别表示数字信号“0”和“1”, 然后将广播、图像、音频、影像等待发射的信息调制后加载到LED灯光上, 通过LED灯光的高频闪烁将信号传送出去。由于LED响应速度极快, 不会对人眼造成影响, 因此能够在正常照明的同时实现无线通信功能。在信号接收端一般设置有光电探测元件, 可以对接收到的可见光信号进行放大和解调处理, 进而将其重新还原成广播、音频、影像等信号。

二、室内LED可见光通信的关键技术

1. 光源布局

一般情况下, 光源布局要考虑两点:一是组成阵列光源的内部LED灯的数量及排列方式;二是整个室内LED光源的分布。在室内光源设计中, 为满足国际照明标准, 通常将LED光源设计为白光LED阵列形式, 构成各LED阵列的LED个数由LED间隔大小决定, 而间隔大小需要综合考虑中心区域的光强度。在LED排列问题上, 则要充分考虑信号接收面的照度要求与光强分布。同时在设计LED数量及排列时, 还要考虑码间串扰问题。为提高通信质量, 还应结合房间大小及内部设施陈列, 尽量使室内同一水平面上的光功率保持一致, 防止出现通信死角。此外, 考虑到行人、设施等造成的遮挡, 不可避免地会产生一些阴影区, 对此可通过增加光源数量来减少阴影效应, 但过多的光路径又会引发严重的码间干扰, 因此根据室内实际情况科学设计LED阵列光源是提高通信效果的关键。

2. 驱动电路优化

LED可见光通信系统设计中有一个非常重要的参数——调制带宽, 它直接影响着LED调制能力的高低, 进而决定着无线光通信系统的传输速率。调制带宽通常取决于有源区载流子复合寿命与PN结电容, 在LED制造过程中, 普遍采取的措施为减少载流子复合寿命与控制寄生电容, 或者使用多芯片型白光LED, 除此之外, 通过对驱动电路进行优化设计也能有效地提升调制带宽。在综合电磁、噪声、温漂、光功率补偿等干扰因素的基础上, LED可见光高速调制驱动电路可设计为以下形式, 如图1所示。

其中, BG代表晶体管, Dz代表稳压二极管, BG1与BG2构成发射极耦合式开关, BG3和Dz构成恒流源电路, 能够稳定地为LED支路供应驱动电流。又因为此电路超出了线性范围工作, 就算输入端过激励, 也不会出现饱和, 故开关速率十分高, 理论上这种电路可实现300Mb/的信号调制。

3. OFDM技术

OFDM即正交频分复用, 该技术的主要原理就是把高速串行数据转变为相对低速的多路并行数据, 然后分别对不同的载波加以调制。OFDM技术拥有极强的抗多径能力, 如今已在高速无线通信中得到了普及应用。在LED可见光通信中, 由于多路径会导致码间干扰, 严重影响系统传输速率, 因此通过引入OFDM技术来控制码间干扰是一个十分理想的选择。

目前, 已有研究人员针对OFDM在LED可见光通信中的应用提出了一些可行方案, 其中比较成熟的一种方案如下:该方案由LED照明阵列、电力线调制器、OFDM解调器3部分构成, 信源电信号在发射端完成OFDM编码, 并通过一直流偏置实现对LED光源的调制。经调制的光信号在接收端完成解调, 并通过提取导频信号实现对信道状态的实时监测和更新。OFDM应用于无线光通信系统时, 需要将高速串行数据以并行方式调制到多个正交子载波上, 以减少码速率、消除码间干扰, 同时还要在各OFDM符号间添加保护间隔, 以彻底除去残余的码间干扰。

4. 信道编码技术

赵俊、陈长缨研发了一种能够用于LED可见光通信的m Bn B分组编码技术。该技术所采用的分组码在通信领域中已有十分广泛的应用, 通俗而言, 就是把原始信息码字以m比特为单位加以分组, 并按照特定规则, 以另外每组为n比特的码字进行表示, 最后将新得到的分组用NRZ或RZ码的格式传输出去。其中, m>n, 且两者都是正整数, 通常n=m+1。目前比较常见的编码形式有1 B 2 B、3B4B、6B8B等。这种编码技术的优点如下:一是功率谱的形状相对较好;二是消除了基线漂移现象;三是能够稳定地进行误码监测和字同步。已有研究表明, 6B8B编码的光信号在0.5m~2.5m距离内的通信十分稳定, 不会因LED数量、串口模块分频等因素而受到显著影响。采用6B8B编码, 能够在确保信号高速传输的基础上, 使通信距离突破2.5m。

5. 分集接收技术

分集接收的基本原理就是在接收机上设置多个方向的光电探测元件, 并对不同方向上探测到的信号加以对比分析, 然后选择其中信噪比最大的信号来完成通信, 该技术在解决码间干扰和抗阴影效应方面具有良好的表现。在设计分集接收电路时, 需要按照信号传输速率的高低将其分成两类:在通信速率较低的情况下 (一般将100M以下作为低速率) , 使用低速率分集接收装置, 即直接对多个信号进行叠加, 从整体上增强信号功率。在传输速率较高的情况下, 考虑到码间干扰问题, 无法对信号进行简单叠加, 需要增加一个专门的控制电路来进行信号评估和选择。通常而言, 在高速通信过程中, 直射链接方向的信噪比最高, 因此优先将最贴近直射链接的方向作为信号接收方向。在采用分集接收技术的光接收机上, 探测器尽可能均匀地分布在一个半球面上, 从而能够以较少的探测器数量实现多个方向上的稳定接收效果, 除非接收机被整个遮挡才有可能出现信号中断。

6. 自适应传输技术

自适应传输技术能够有效克服LED可见光通信中的信噪比波动问题。在自适应收发器的发射端, 有一个专门的DSP (信号处理器) 负责机电定向系统的实时控制。DSP在通信系统中的普及和应用, 在一定程度上改善了系统的信噪比, 并且灵活性更强。同时, 对于白噪声、多路径干扰等, 也能够通过相应的信号处理手段加以解决。在自适应收发器的接收端, 由于使用了单一的光电检测器, 使得光前端设计大大简化, 并通过某种定向机制使光能量作用于单个信道, 从而减小了接收端视场, 有效避免了环境噪声对通信稳定性的干扰, 增强了系统对多路径畸变的抵抗能力。

三、LED可见光通信技术的应用展望

LED可见光通信技术有着十分广阔的应用前景, 只要是基于LED的照明和指示装置均可以通过增加通信功能而获得一些全新的用途。例如, 在博物馆中, 可以在LED指示灯中加载相关展品的解说信号, 只要游客携带了具有可见光通信功能的移动设备, 就能随时获取展品的解说信息;在LED大屏幕或广告牌上加载相应的信号后, 人们可以直接用手机等设备下载屏幕上的内容和信息, 如广告信息、交通信息等;在车辆照明领域, 可以为汽车前照灯增加信息传输功能, 将车辆载重、车牌号、车速等信息自动发送到各类交通监测装置上, 轻松完成缴费、登记、测速等功能, 极大地方便了车辆信息的采集和管理, 同时车辆尾灯也可用于向后面的车辆发送刹车、路况等信息, 从而大大提高交通运输的安全性。

结语

LED可见光通信技术不占用无线频谱资源, 可以直接对无处不在的照明灯光加以利用, 在节能环保的同时实现高速无线通信功能。但目前该技术仍处于实验研究阶段, 虽然研究人员已经针对光源布局、驱动电路优化、OFDM、信道编码等进行了大量的研究工作, 但依然有一些技术难关亟待人们去攻克, 相信在研究人员的不懈努力之下, LED可见光通信技术必将在未来社会中大放光彩。

摘要：本文主要分析了LED可见光通信的基本原理及关键技术, 然后就LED可见光通信的未来应用进行展望, 以期促进LED可见光通信技术的发展与完善。

关键词：室内LED,可见光通信,应用展望

参考文献

[1]秦岭, 巨永锋, 杜永兴, 等.智能交通中新型可见光通信系统性能研究[J].公路交通科技, 2016, 33 (7) :114-118.

可见光通信： 有光就能上网 第2篇

如今，人们用Wi-Fi上网早已司空见惯，可你听说过Li-Fi（Light Fidelity）吗？有灯光就能上网，这种看似天方夜谭的事情，正在由实验室走向现实生活，可见光通信时代悄然来了。

可见光通信（Visible Light Communications） 是指利用可见光波段的光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，而在空气中直接传输光信号的通信方式，简称“VLC”。

普通的灯具如白炽灯、荧光灯（节能灯）不适合当作光通信的光源，而LED灯非常适合做可见光通信的光源。可见光通信技术可以通过LED灯在完成照明功能的同时，实现数据网络的覆盖，用户可以方便地使用自己的手机、平板电脑等移动智能终端接收这些灯光发送的信息。该技术可广泛用于导航定位、安全通信与支付、智能交通管控、智能家居、超市导购、灯箱广告等领域，特别是在不希望或不可能使用无线电传输网络的场合比如飞机上、医院里更能发挥它的作用。

可见光通信兼顾照明与通信，具有传输数据率高、安全性强、无电磁干扰、节能、无需频谱认证等优点，带宽是Wi-Fi的1万倍、4G的100倍，是理想的室内高速无线接入方案之一。

可见光通信在全球已成为研究的热点，特别是日本、欧洲和美国对可见光通信的研发极为重视，并取得了一定的进展。可见光通信在未来的通信领域中将会占据重要地位，并将大大地推动信息化社会的发展。

事件

中国启动可见光通信产业化应用

2014年4月17日，位于河南平顶山市高新区产业集聚区内的河南中平川仪公司车间内，全国近30家政府、企业、科研、高校机构的相关人员，共同见证了一个神奇的时刻：中国可见光通信技术产业化在这里正式启动，而其重要标志就是河南中平川仪公司LED项目的正式投产。

启动仪式现场，科研人员进行了演示：天花板上有一个装有芯片的LED灯，科研人员拿起同样内置芯片的矿灯帽进行移动，计算机上就显示出帽子的移动轨迹。“LED灯和矿灯帽之间的芯片形成信息交互，计算机能够对矿井下矿工进行实时监控、定位，如果矿工遇到危险，可随时呼叫与地面取得联系。”科研人员说。

作为我国863计划首个可见光通信项目的牵头单位以及中国可见光通信产业技术创新联盟的发起单位，解放军信息工程大学可见光通信实验室组建于2011年1月，由中国可见光通信产业技术创新联盟筹备领导小组组长、解放军信息工程大学校长、中国工程院院士邬江兴领衔，于去年年底成功研发可见光通信技术。

目前，河南省已成功研发出可见光网络台灯、可见光家庭基站、矿下可见光通信与定位等6套应用示范系统。而河南中平川仪公司LED项目的投产，标志着可见光通信技术由“实验室”走向了“产业化”发展的新阶段。

此次投产的矿用可见光应用系统，就是将可见光通信技术、半导体照明技术、数字信号处理技术、防爆技术充分融合，在不增加系统成本的前提下，利用LED照明灯具，实现在井下复杂电磁环境的人员定位、无线通信和监测监控等功能。将可见光通信技术与LED照明系统相结合，是对传统的矿用照明系统革命性的突破。

据中国平煤神马集团的一位负责人介绍，矿用可见光通信技术照明系统在井下的成功应用，能够解决当前井下通信、照明和安全多套系统重复建设资源浪费问题，极大地增强安全性。

由中平川仪电气有限公司负责建设的年产20万台矿用LED防爆灯项目，前期投资2000万元人民币，项目建成后将成为华中地区规模最大、技术最先进、产品种类最齐全的矿用LED灯具生产企业。矿用可见光应用系统已于2014年6月进行井下应用试点。该系统规模化生产后，预计可实现年产30万台（套），产值可达2.5亿元以上。

背景 可见光通信与LED息息相关

可见光通信的发明人是德国爱丁堡大学的哈斯（Harald Haas）博士，正如《时代》（Time）杂志所说，他擅长将数量丰富的物体创新应用。哈斯表示：“我最大的设想就是将电灯泡变为宽带通信设备。这样电灯泡不仅能提供照明，也将成为一款必要的工具。”哈斯认为，通过给普通的LED灯泡加装微芯片，使灯泡以极快的速度闪烁，就可以利用灯泡发送数据。而灯泡的闪烁频率达到每秒数百万次。

不同于普通的白炽灯、荧光灯，LED灯可快速明灭，闪动频率极高，可承担发送信息任务。专家告诉记者，因为LED闪动频率极高，我们的肉眼 “功能”太差分辨不出来，这种闪动其实就是一种开、关过程，LED这一开一关就可以承担发送信息的任务了，比如，开就代表“1”，关就代表“0”，通过信息编码也就是0与1的各种组合，就可以通过灯光来传递了，灯光在空气中传输就类似于光纤通信中信息在光纤中传输一样，这就是LED可见光通信的基本原理。而白炽灯因为在亮灭的变化过程中非常容易被损坏，且亮灭变化动作太慢，因而不具备这种通信功能。

在LED灯内只要设置一个芯片，利用芯片控制LED光源，其便具有无线路由器、通信基站、WIFI接入点甚至GPS卫星功能，由此就提供了一种全新的无线通信方式。

可见光通信利用LED可见光传输通信信号，还是未来通信业发展的一次绿色革命。在全球移动数据流量激增，基于无线电波传送的频带即将告罄之际，Li-Fi的出现，或可解决全球电信商的燃眉之急。美国有线电视网（CNN）估计，全球这140亿盏电灯如果全换成LED灯泡，不但对推进LED产业意义重大，将街灯改造成可提供无线网络的热点，撤除高耗电又占空间的基站，对节能环保也有巨大贡献。

总之，可见光通信的产生主要源于LED照明技术的逐步成熟以及LED照明产品的广泛应用。与白炽灯、荧光灯相比，LED照明灯具作为可见光通信的“媒介”具有其独特的“先天性”优势。

第一，LED照明发展至今，其发光效率已超过100lm/W，实验室样品已达到280lm/W以上，远超其他灯具。第二，LED灯具的亮度可以高速调节，其调节速度可达到μs级甚至ns级，而且调节幅度大，理论上可以从0%到100%亮度范围内任意调节，这一点是可见光通信可以高速调制的保证；而荧光灯的亮度基本上不可以调节，白炽灯的亮度虽然可以通过改变电压进行调节，但是白炽灯属于热灯丝发光型灯具，亮度调节反应速度极慢，最快也在ms级，无法进行高速（Mbts或Gbts）信号调制。

第三，LED芯片的光谱中心波长在可见光频谱范围内易控制，可以在制造工艺上根据载频的需要进行中心波长选择，以达到最佳中心频率；而白炽灯和荧光灯的光谱中心波长基本固定，无法进行多样性选择。第四，LED采用直流低压（恒压源或者恒流源）供电，便于脉冲信号的载频；而白炽灯、荧光灯均采用高压交流供电，其稳定度比较难以控制，不利于信号的提取和识别。

焦点 Li-Fi 能否代替 Wi-Fi

“未来，只要有光的地方，就可实现高速上网，且速度非常快，1G电影下载只需0.1秒。”中国可见光通信产业技术创新联盟筹备领导小组组长、中国工程院院士邬江兴在2014年中国可见光通信技术产业化启动会议上这样介绍可见光通信技术。

可见光通信技术的应用领域非常广泛：无论是飞机上还是矿井中，无论是家庭还是办公室，无论是图书馆、博物馆还是饭店、宾馆，只要有LED灯就能实现通信上网；每一盏路灯都能实现道路导航和交通疏导；商场超市和医院还可利用LED照明进行导购、导医和安全支付……

为了应对气候变化，完成节能减排目标任务，政府必然要大力推广LED绿色照明。《半导体照明节能产业规划》（以下简称《规划》）明确，促进LED照明节能产业产值年均增长30%左右，2015年达到4500亿元（其中LED照明应用产品1800亿元）。

《规划》提出，逐步扩大财政补贴推广力度，适时将球泡灯等量大面广、技术成熟的LED照明产品纳入补贴范围；推动实施一批政府办公楼、医院、宾馆、商厦、机场、轨道交通、道路等公共照明应用工程，落实节能产品政府采购政策，政府机关和公共机构带头采用LED照明产品。

鉴于Wi-Fi信号不稳定、速度慢、热点太少等问题，如果LED照明产品未来实现了普及应用，Li-Fi 能否代替了 Wi-Fi呢？尽管英特尔（Intel）、三星（Samsung）、波音（Boing）、卡西欧（Casio）等国际巨头以及中国的一些高校和企业都纷纷看好Li-Fi的诱人前景，积极加快Li-Fi应用的研发，然而，可见光通信技术本身也有其局限性。

雅典Harokopio大学信息学讲师Thomas Kamalakis推荐了哈斯的技术，但也表示该技术的潜力不应被高估。他表示：“一个明显的问题是，可见光无法穿透物体，因此如果接收器被阻挡，那么信号将被切断。”

英国华威大学工程学院助理教授Mark Leeson也持相同看法。他提出：“问题在于，我们的手机如何使用可见光来通信？”

哈斯表示，这是两个现实问题，但他也有简单的临时解决方法。“如果光信号被阻挡，而你需要使用设备发送信息，你可以无缝地切换至射频信号。”他认为，可见光通信并不是WiFi的竞争对手，而是一种相互补充的技术，这将有助于释放频谱空间。

“我们仍需要WiFi，需要射频通信系统。你无法使用电灯泡向快速移动的物体发送数据，或是向树、墙和障碍物背后的物体发送数据。”哈斯说，在短期内，可见光通信已可以实现一些小范围应用。例如，可以在飞机中使用该技术，帮助手机和笔记本上网，此外也可以在水下等无线电波无法传播的场所使用该技术。

哈斯指出，Li-Fi技术带来了极高的安全性，因为可见光只能沿直线传播，因此只有处在光线传播直线上的人才有可能截获信息。

启示 可见光通信是一片蓝海

随着通信功能的加入，灯的形态将发生巨大变化，茶几、餐桌、家具都有可能变成实用的灯具和高速无线接入点。邬江兴指出，可见光通信产业将是一个具有万亿产值的战略性新兴产业，不仅可以促进照明与通信两大传统行业的技术变革和产业结构升级，还将催生出一大批与此相关的新兴产业。

2013年10月，可见光通信的发明者哈斯教授创立的PureLiFi公司向美国一家医疗机构售出第一套LiFi设备，价值5000欧元（人民币约4.1万元）。LiFi的商业价值标志着可见光通信开启了物联网产业的新篇章。

我国对可见光通信技术的研发和商业化应用也颇为重视。2006年，北京大学首次提出了基于广角镜头的超宽视角可见光信号接收方案，并进行了一系列的理论和实验工作。2008年，继日企首次公开展示白光LED通信系统之后，暨南大学教授陈长缨研制出国内首台白光LED可见光通信样机，传输距离大于2.5米。

据邬江兴介绍，国家863计划在2011年开始部署可见光通信技术研究，经过两年多的科技攻关，在调制带宽拓展、实时传输速率、融合网络架构等方面取得了一批重要研究成果。目前，我国与发达国家已处于同一起跑线上。

2012年，我国已成功研发出可见光网络台灯、可见光家庭基站、矿下可见光通信与定位等6套应用示范系统。“目前，可见光通信技术主要集中在矿业和商用领域，预计5年时间将进入普通家庭中。”邬江兴对此充满信心。

2013年9月，珠海华策集团斥巨资20亿元研究LED白光通信；2013年12月，重庆成为可见光技术推广应用试点城市。国内22家LED上市企业中，多家LED上市企业表示特别关注LED在光通讯方面的应用。其中勤上光电与中科院半导体研究所独家合作，进行可见光定位系统和通信系统的技术研发和产学研合作，以促进可见光信息产业技术的进步和产业化发展。目前可见光通信设备的手板已出，距产品应用水平仍有一定的技术提升空间。

2014年8月份，中国已经成立可见光通信产业技术创新战略联盟。广东未来将依托自身LED产业优势，抢占可见光通信这个“万亿级”产业发展的制高点。在成立仪式上，广东省科技厅厅长黄宁生表示：“可见光通信作为面向LED照明、通信、物联网等多领域交叉融合的高新技术，具有广阔的市场应用前景。”

可见光通信技术及标准光组件已作为广东首批启动的8个重大科技专项之一。接下来，广东省将大力支持中国可见光通信产业技术创新战略联盟开展工作，加快突破可见光通信产业关键核心技术瓶颈，推动可见光通信产业加快发展，为广东产业转型升级提供有力的科技支撑。

可见光通信技术 第3篇

可见光图像的优点为时空分辨率较高, 可以获得与细节、纹理以及颜色等有关信息, 但绝大多数可见光传感器的探测距离都相对较短, 而且还不能对一些隐藏的目标进行探测, 最关键的是它会受到天气和光线等外界条件的影响, 从而使成像效果不太理想。为此, 在一些领域当中, 单独使用可见光图像进行探测和信息采集无法满足应用要求, 这在一定程度上限制了可见光传感器的实际应用。而红外图像则主要是利用接受目标散发出来的红外辐射成像, 它的优点是可以探测到隐藏的目标, 并且能够实现全天候24h作业, 具有较强的抗干扰能力, 但它在目标细节方面的表现能力较可见光稍差一些。换言之, 单独使用可见光或是红外图像都很难满足实际应用要求, 所以可将两者结合到一起使用, 这样便可以取长补短, 不但能够更有效地突出目标, 从而增强图像的理解力, 而且还能实现全天候对隐藏目标的探测。为此, 研究红外与可见光图像的实时融合显得尤为必要, 这对于推动两者在各个领域内的应用具有非常重要的现实意义。

2 红外与可见光图像实时融合的关键技术研究

2.1 红外与可见光图像配准方法设计

在对前人研究成果进行总结的基础上, 本文提出一种红外与可见光图像的配准方法:即利用小波模极大值边缘检测获得红外与可见光图像的边缘图像, 然后再分别对它们的边缘对齐度以及归一化互信息进行计算, 最终按照相似性函数求极值得出待配准图像的变换参数, 进而实现图像融合。

(1) 边缘提取。大量的理论和实践均表明, 小波变换具有非常良好的多分辨率分析能力和时域局域化特征, 鉴于此, 将其运用到图像边缘检测过程中, 能够将图像分解成为若干个尺度。这种检测方法具体是利用对分解之后的各个尺度成分沿梯度方向检测模极大值点, 再按照选取的阀值将这些点连接到一起, 从而获得该尺度下的图像边缘信息。与经典的边缘检测算法相比, 该方法具有多尺度的优越性, 能够有效解决噪声与定位精度这两者之间存在的矛盾冲突。

(2) 基于互信息与边缘对齐度的相似性测度。这里所指的互信息是信息论中最为基本的概念之一, 又被称之为MI, 可以用它来描述两个系统之间的信息相关性, 其较为显著的特点是能够用熵来描述。通常情况下, 在图像处理领域当中, MI主要是用来描述两幅图像间的统计相关性, 图像的熵则是对图像灰度概率分布的一种表述方式。图像灰度分布的熵可以用下式表示:

而两幅图像间的相关量则可以用联合熵来表示, 可将图像A与B的联合熵定义为:

当图像A与B为相互独立时, H (A, B) =H (A) +H (B) 。由此可将两幅图像的MI定义为:

因为MI本身对重叠区域的变化相对比较敏感, 这样一来当误匹配数量增加时, 可能会导致MI变大, 为了有效解决该问题, 可以采用归一化互信息测度, 即:

实践证明, 归一化互信息要比传统互信息的稳定性强很多, 这有助于匹配精度的提高。虽然红外与可见光的图像配准是基于同一个对象信息, 但由于两幅图像的基本成像原理有所区别, 所以灰度信息也必然会存在一定的差异。若是单独利用归一化互信息作为相似性准则的话, 则在两幅图像共有信息取得最大时, 可能会出现红外与可见光图像空间位置不匹配的情况。为了有效解决这一问题, 可以通过引入边缘对齐度的概念, 即利用图像某些一致性较好的边缘信息求出图像的对齐度, 再与归一化互信息结合到一起后来实现红外与可见光图像的配准。

(3) 图像配准模型。通常情况下, 在红外与可见光图像配准的过程中, 需要对图像之间的变换模型进行确定, 因待匹配与参考图像的大小一致, 并且两个点之间的距离经过空间变换之后也会保持不变, 这与刚体变换关系相符, 由此便可以构建图像配准模型。

(4) 配准算法的实现。本文所研究的红外与可见光图像配准的基本思想是先将红外图像与可见光图像分别进行小波模极大值边缘提取, 由此获得两个图像的边缘轮廓图像, 在按照相似性测度函数与空间变换模型, 便可获得图像的空间变换参数, 最后对待配准图像进行变化, 即与参考图像达到配准。仿真模拟实验在PC机上利用MATLAB软件予以实现。选取一组红外与可见光图像进行仿真实验, 图像的大小均为270360像素, 实验过程中以可见光作为参考图像, 红外待配准图像。如图1所示。

在图1中, (a) 是可见光图像, (b) 是红外图像, 而 (c) 和 (d) 则是通过小波模极大值获得的 (a) 和 (b) 的边缘图像。由图中可以清楚的看出, 可见光与红外图像提取的边缘轮廓具有良好的一致性, 这充分证明了本文提出的这种配准方法快速、有效, 可在实际中应用。

2.2 红外与可见光图像融合设计

在对红外与可见光图像进行融合的过程中, 可以采用多尺度几何分析的图像融合方法与智能图像融合方法结合到一起, 由此形成一种的全新的融合方法, 即基于NSCT和PCNN的图像融合算法。这种算法先借助非下采样Contourlet变换对图像进行多尺度分解, 由此获得低频子带以及多个高频子带, 同时对低频子带可以选用区域加权平均法的融合规则, 而对于高频子带则可以采用PCNN的融合规则, 最后在经过逆变换便可以获得融合后的图像。为了进一步验证本文提出的这种融合算法的有效性, 通过实验的方法与加权平均融合算法、小波变换融合算法以及基于Contourlet变换的融合算法进行了比较。基于MATLAB软件的GUI设计出了图像融合软件, 然后分别利用不同的融合方法获得了图像融合结果, 如图2所示。

从图2中可以清楚的看到, 由加权平均融合算法获得了图像边缘与轮廓相对比较模糊;基于小波变换的融合算法获得的图像产生出了块状效应;而基于Contourlet变换的融合算法较之前两种算法在清晰度方面有所改善;本文提出的融合算法获得的图像融合效果明显优于其它三种算法。这充分证明了该方法具有较高的精确性和有效性, 能够在实际中应用。

3 结语

综上所述, 本文从图像配准和图像融合两个方面对红外与可见光图像的实时融合技术进行了研究。经过论证本文所设计的图像配准方法和融合算法全部可行, 能够在实际中进行应用。在未来一段时期, 应当在现有方法的基础上进行不断改进和创新, 为红外与可见光图像的实时融合提供可靠的技术支持。

参考文献

可见光通信技术 第4篇

利用全矢量平面波展开法(FVPWM)对采用改进的两次堆积法制备的空芯光子带隙光纤进行了数值模拟.在特定传播常数β下,光纤在500-1000 nm的波段内出现多条宽窄不同的有效光子带隙.依据有效折射率的不同,部分带隙中的空气.导模将以不同的形式存在.经过实验测试,发现测得的带隙位置相对于模拟结果向短波段发生了较明显的移动,主要原因被认为是光纤结构的.纵向不均匀性和包层节点处间隙孔的存在.

作 者：苑金辉 侯蓝田 周桂耀 魏东宾 王海云 董世蕊 王清月 刘博文 胡明列 作者单位：苑金辉,魏东宾,王海云,董世蕊(燕山大学红外光纤与传感研究所,秦皇岛,066004)

侯蓝田,周桂耀(燕山大学红外光纤与传感研究所,秦皇岛,066004;燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验事,秦皇岛,066004)

王清月,刘博文,胡明列(天津大学精密仪器与光电工程学院超快激光研究室,天津,300072)

可见光通信技术 第5篇

多波段图像融合可以有效综合各个波段图像中包含的特征信息。针对可见光和红外图像，提出了一种结合红外图像视觉显著性提取的双波段图像融合方法，一方面旨在凸显红外图像的目标信息，另一方面又尽可能的保留了可见光图像的丰富细节信息。首先，在局部窗口内实现红外图像的显著性图提取，并通过窗口尺寸的变化形成多尺度的显著性图，并对这些显著性图进行最大值的优选叠加，以获取能反映整幅红外图像各个尺寸目标的显著性图；其次，通过结合显著性图与红外图实现显著性图的加权增强；最后，利用增强的红外显著性图进行双波段图像的融合。通过两组对比实验，数据表明该方法给出的融合图像视觉效果好，运算速度快，客观评价值优于对比的7种融合方法。

关键词：

图像融合； 红外图像增强； 视觉显著性

中图分类号： TN 911.73文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.04.005

Abstract：

Dual-band image fusion is able to well synthesize the feature information from the different bands.To fuse visible and infrared images，in this paper，an infrared image visual saliency detection-based approach was proposed.This method aimed to highlight the target information from infrared image，meanwhile preserve abundant detail information from visible one as much as possible.Firstly，visual saliency map was extracted within a local window，and multiple window-based saliency maps could be obtained by changing the size of local window.And the final saliency map was generated by selecting maximum value，and this map could mirror all target information in the infrared image.Secondly，the saliency map was enhanced by combining infrared image and the previous saliency map.Finally，the enhanced saliency map was used for dual-band image fusion.Comparing with other seven methods，the experimental results demonstrate that the proposed approach could rapidly produce fused image with good visual effect，and the objective evaluation is better.

Keywords：

image fusion； infrared image； visual saliency

引言

图像融合旨在将不同图像的信息进行综合，以便进一步的理解和处理。20世纪90年代以来，图像融合技术在军事探测、医疗成像、图像水印等方面都有着广泛的应用[1]。通常情况下，红外传感器检测到发热的区域一般是人们关注的目标物体，但其保持图像细节的能力较差，而可见光图像则包含丰富的细节信息，因而两者互补可以有效综合信息。

较为常用图像融合方法是基于多尺度分解的思路，包括拉普拉斯金字塔变换（LP）[2]、双树复小波变换（DTCWT）[3]、非下采样轮廓波变换（NSCT）[4]、Curvelet变换[5]等方法。这些方法需要进行上采样和下采样，使得图像中的细节容易被平滑。NSCT具有多尺度、多方向选择性、多分辨率分析和平移不变性的特点。但变换过程中各部分的系数选择仍是一个问题，计算速度也相对较慢。

随着神经科学、心理学等学科的发展，在研究人类视觉机制的过程中视觉显著性和视觉注意的概念被提出。观察者能够利用视网膜中央凹的高分辨率感知机构，主动地探索环境中的重要视觉信息[6]，即人眼视觉系统（human visual system，HVS）。视觉显著性反映的是视觉系统从场景中提取一系列视觉信息的能力，其能够像滤波器一样选择感兴趣的信息。由于视觉显著性的提取能够自动化地代替人眼视觉系统快速准确的搜索到场景中的显著目标，其产生的显著性图能够反映人眼视觉系统对不同场景的关注程度，这些都使得视觉显著性的研究具有广阔的应用前景。

在上述研究的基础上，国内外科研人员提出了利用视觉显著性进行图像融合的方法。华中科技大学的陈艳菲等人通过在红外图像和可见光图像中分别提取视觉显著性的方法对双通道图像进行融合，取得了优于传统图像融合方法的结果[7]。浙江大学的研究人员也结合视觉显著性与NSCT进行图像融合[8]，也取得了较好的成果。

受到上述方法启发，本文提出了中心周围像素差异计算局部显著性图，并变化局部窗口尺寸以实现图像的不重叠的显著性提取，能够有效的凸显不同尺寸目标的信息；在进一步增强显著性图的基础上，实现了基于显著性图的红外与可见光图像的融合。通过实验结果的对比分析，本文方法融合效果好，计算速度快。

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1视觉显著性图提取

对于图像，通常以视觉显著性图来量化表示关注程度的不同，该图的值分布在[0，1]之间，值越大表明人眼越关注该区域。当前，主要利用计算机算法模拟人眼来产生视觉显著性图。因为中心周围像素差异越大的区域，人眼关注的程度越高，所以引入局部窗口概念，使用该思路计算局部显著性图。

对于某一幅图像P，设它对应的显著性图为Sal_P。那么，取一个以（x0，y0）为中心像素，大小为i×j的矩形区域，定义（x0，y0）处的像素值为P（x0，y0），显著性值为Sal_P（x0，y0），计算式为

式中：Mean（ij）为该区域内所有点的像素平均值，该窗口i×j的位置在图像中是任意的，那么将窗口在整幅图像内逐个像素滑动，如图1所示，最终获得与原图P等尺寸的的显著性图Sal_P。局部窗口的尺寸对应于图像中同等尺寸的目标尺寸，取多个尺寸不同窗口可以覆盖不同尺寸的目标。因此通过选择窗口尺寸以重复获得不同结果的显著性图，再将各显著性图叠加并归一化处理以保证显著性图的准确性，也能辅助实现各窗口边缘处平滑过渡。

可见光图像（VI）往往拥有丰富的细节成分，红外图像（IR）则凸显热辐射强的区域，但对其他区域的细节保留较差。如果融合时红外图像的低热辐射区域参与融合，会引入冗余信息导致可见光图的部分细节信息丢失，融合效果较差，因此需要抑制低热辐射区域的显著性，增强高热辐射区域显著性。对于显著性图及红外图像中同坐标的任意一点（x，y）有

式中：S_IRmap为通过节1所述方法获得的红外图像显著性图，IR为红外图像，F_IRmap为经过增强后的红外图像显著性图。通过显著性图与红外图像相乘能够有效的抑制低热辐射区域的显著性。同时为了增强保留的显著性区域，用图2所示的对数变换模型对显著性图进行灰度拉伸。

2.2显著性融合

在本文方法中，根据红外图像的显著性进行融合，可以有效地避免红外图像中冗余信息的引入。红外图像的显著性图遵循以下融合规则

式中：Ffusion为融合结果，IR为红外图像，其中每个点的融合权重值为F_IRmap中对应点显著性值，VI为可见光图像，其对应点权重值为（1-Ffusion）。实验证明按权重融合能够有效地将红外图像中显著性区域融合到可见光图像中，同时尽可能多的保留可见光图的细节信息，使可见光图像信息不被破坏的同时凸显出红外图像的信息。按权重进行融合计算，过程简单、计算量小，能够有效地减少运算时间。

3实验与分析

本文实验采用的图像来自国际通用数据库，两组图像如图3所示，图3（a）与（b）为测试图像1的红外图与可见光图，像素尺寸为320×250；图3（c）与（d）为测试图像2的红外与可见光图，像素尺寸为320×320。

在最终的实验对比中，窗口尺寸选择的规则如下。本文分别选用与原图大小相等的窗口，长、宽各为原图1/2大小的窗口，长、宽各为原图1/5大小的窗口。基本可以保证显著性图的准确性，且窗口边缘过度也较为平滑。

本文中使用的对比方法为现在较常见的一些方法，其中包括拉普拉斯金字塔变换（LP）[2]、低通滤波金字塔变换（RP）[9]、离散小波变换（DWT）[10]、双树复小波变换（DTCWT）[3]、非下采样轮廓波变换（NSCT）[4]、Curvelet变换[5]、平均融合（Average）。为便于比较将基于视觉显著性的算法简称为SF。

所有运算均在同一台电脑上运行，配置1.6 GHz四核CPU，6 GB运行内存，使用MATLAB 2012b。

3.1融合效果评价

采用3种无参考质量评价方法对融合图像进行质量评价，作为主观评价的对应参考，这3种无参考的评价方式分别是信息熵，标准差与空间频率。信息熵是反映一幅图像信息量大小的量，信息熵越大表明信息量越大，相对图像质量也就越好。标准差是反映图像对比度的量，标准差越大表示图像对比越明显，图像也就更清晰。空间频率是反映一幅图像的活跃程度，空间频率越大表示图像越活跃，图像融合质量也相对较好。

3.2融合结果与分析

各算法融合结果如图4与图5所示。从主观上观察，SF即本文方法给出融合图像视觉效果最佳，保留了较多的原始图像的信息，视觉对比也最好。

本文采用了信息熵，标准差与空间频率三个融合评价的指标，此外，运算时间也是衡量一个算法优劣的重要指标，运算时间越短则运算效率越高，算法越好。

客观评价数据如表1与表2所示。根据两组客观评价数据的对比，本文所采用的方法融合结果的3个客观评价指标更佳，证明其在信息量、清晰度以及空间频率等指标方面优于其他算法。在对比数据中，发现低通滤波金字塔（RP）的空间频率值也比较大，仅次于SF方法；综合融合结果图以及空间频率的数学概念分析，这个评价值较高的原因在于低通滤波算法无法剔除高通噪声，造成融合结果空间频率值较大。此外，从运行时间上进行对比，发现本文算法也具有明显优势，仅次于最简单的平均融合方法。

4结论

本文根据红外图像与可见光图的特点，提出一种针对红外图像视觉显著性区域的双波段图像融合算法。利用人类视觉系统的注意机制提取红外图像的显著性图，再经过增强等处理将显著性图作为可见光图与红外图像融合的权值，对可见光图与红外图进行加权融合。根据实验对比分析，本文所采用算法能够有效的保留可见光图像的细节成分、融合红外图像的显著性区域同时抑制红外图像冗余信息的引入。结果表明，本文方法能够使融合图像具有较好的视觉效果，客观评价值高，运算速度快。在接下来的工作中，需要对该算法作进一步的改进优化，以适应不同的场景需求，并进一步实现硬件化。

参考文献：

[1]李茜，郭佳，郭小云.基于边缘检测小波变换的红外与可见光图像融合方法[J].光学仪器，2013，35（1）：18-21，29.

[2]BUTT P，ADELSON E.The Laplacian pyramid as a compact image code[J].IEEE Transactions on Communications，1983，31（4）：532-540.

[3]KINGSBURY N.Image processing with complex wavelets[J].Philosophical Transactions of the Royal Society of London A：Mathematical，Physical and Engineering Sciences，1999，357（1760）：2543--2560.

[4]DA CUNHA A L，ZHOU J，DO M N.Nonsubsampled contourilet transform：filter design and applications in denoising[C]∥IEEE International Conference on Image Processing.Genova：IEEE，2005，1：I-749-752.

可见光通信技术 第6篇

关键词：可见光通信,无线局域网,航天器

0引言

可见光组网技术是采用LED(发光二极管)可见光作为载波,以自由空间为信道进行局域网组网的技术。其在2000年由日本应庆大学的Tanaka等人和索尼计算机科学研究所的Haruyama提出［１］,并以Gfeller和Bapst的室内光传输信道为传输模型,将信道分为直射信道和反射信道两部分,且以IM/DD (强度调制/直接检测)为光调制形式进行建模仿真,获得了数据率、误码率以及接收功率等之间的关系,提出ISI(码间干扰)和多径效应是影响系统性能的两大因素［２－３］。其后陆续有多个研究单位对可见光通信技术进行了理论及实验研究［４－７］。

随着航天技术的发展,现有航天器内需要搭载各种类型的通信设备,航天器内的电磁环境变得异常复杂,频谱的拥挤愈加显现,会导致非常严重的后果,轻则不同电子设备之间相互干扰,重则使设备陷于瘫痪,失去工作能力。此外,航天器内各种设备使用电缆、双绞线和同轴电缆进行互联,其体积大、重量重,大大降低了航天器的有效载荷。可见光组网技术具有抗电磁干扰能力强、安全保密性强和传输容量大等优势,能够满足航天器内的通信组网需求。 使用可见光组网通信可以节省空间、减轻重量,进而搭载更多的设备,提高航天器的有效载荷,降低发射成本。因此,在航天器内使用可见光组网技术,是一种理想的航天器内无线局域网通信解决方案。

1可行性研究

1.1系统组成

航天器内可见光组网通信系统主要由光收发设备、上/下行通信交换设备和中心交换设备等主要设备组成,其典型工作示意图如图1所示。

1.2功率预算

可见光通信系统分为上行信道和下行信道,并采用非对称设计,光学链路示意图如图2所示。本文以覆盖50m×50m范围的可见光通信系统为例, 分别对上行信道和下行信道的功率余量进行分析。在可见光通信系统中,单个区域的可见光通信网络最小覆盖10m×10m,使用不少于25个小区域就可以覆盖50m×50m的范围。

根据图2所示的工作模型,无线光通信功率余量的工程计算公式为

式中,pｓ为系统总功率余量;pｏｕｔ为发射端光学天线的发射光功率;pｉｎ为接收端最低探测功率,即接收机探测器灵敏度;pｗ为空间引起的功率损耗值; pｇ=10log(A/S)为空间光通信的几何损耗,其中, A为光学接收天线的面积,S为接收端的光斑面积; pａ为其他原因引起的功率损耗。下面分别对上行链路和下行链路进行功率余量分析。

(1)上行信道功率余量分析

单只可见光LED的pｏｕｔ=13dBm。 目前工程实用化接收技术可达到pｉｎ= -39dBm,实用的PD的接收面积为A =0.000 2m２,上行通信的光斑直径为2m,即S=3.14m２,考虑实际使用中还有发射损耗、接收损耗以及其他不确定损耗,取pａ= 1.5dB;由于在舱室内传输距离较近,空间损耗忽略不计,即pｗ=0。根据式(1),可得pｓ=8.5dB。因此,使用单只可见光LED作为发射光源,可以满足上行通信的功率需求。

(2)下行信道功率余量分析

单只可见光LED的中心发光功率为20 mW, 可采用5×5并联方式工作,考虑耦合效率,总发射光功率应不小于450mW,即pｏｕｔ=26.5dBm,其余参数值保持不变,计算得到pｓ=7dB。因此,使用25只可见光LED并联时,同样可以满足下行通信的功率要求。

2关键技术及难点分析

2.1提高可见光的下行传输速率

(1)拓展LED的调制带宽。拓展的方法有两种并且可以同时使用,一是在接收端加蓝色滤光片, 只用可见光中的蓝光进行通信;二是采用均衡技术。

(2)缓解多径效应引起的ISI。由于航天器内物体表面对可见光的漫反射作用,由LED发出的光会经多种路径到达接收端,产生的多径效应会造成严重的ISI。可以通过优化LED灯布局、OFDM(正交频分复用)调制、DFE(判决反馈均衡)等多种技术缓解多径效应引起的ISI。

(3)增加可见光LED的调制深度。目前,绝大多数研究机构的实验系统中调制电流只有20~ 30mA,调制深度很小,这严重制约了可见光通信系统的传输速率和距离。因此,设计大调制电流的驱动电路,增加可见光通信系统的调制深度就成为急需解决的问题。

(4)采用高频谱利用率的调制方式。由于可见光通信系统的带宽较窄,要提高系统的传输速率就必须使用高频谱利用率的调制方式,如OFDM技术。

2.2非视线信道通信技术

由于航天器内物体表面会对光形成漫反射,因此收发两端除视线路径外还存在非视线路径,可研究速率对信道的自适应算法,使用户感受不到通信速率的明显变化。

2.3上行链路通信技术

可见光通信技术天然地适合于以广播方式下行发送信息,上行链路的通信技术则是一大问题。目前,针对这一问题提出的方法有红外、PLC(电力线载波)、回复反射装置和RF(射频)等。

2.4可见光局域网组网技术

可见光通信局域网组网方案、网络拓扑形式、媒体接入的控制协议、物理层协议、多可见光子网间互联以及和当前通信网络的无缝连接等均需进行深入研究,同时需要对网络的信息吞吐能力、网络阻塞概率,网络协议的可靠性和稳定性等进行评估。

3结束语

随着可见光通信技术的研究越趋深入,其未来的发展主要集中在以下几个方面:

(1)追求更高的传输速率。可见光LED调制带宽有限,这是高速可见光通信的主要“瓶颈”,无线光传输的多径效应使系统带宽进一步缩小。因此要实现高速通信,必须提高频谱利用率或采用均衡的方式拓展带宽。提高频谱利用率的方法有两种,分别是OFDM技术和MIMO(多入多出)技术。

(2)上行链路的实现。要实现可见光通信全双工通信方式,除了下行链路外,还必须具备上行链路。当前的研究更多集中于下行链路的实现,很少关注上行链路的实现技术。可以考虑采用基于红外传输的上行链路传输方法。

(3)与PLC通信技术的融合。PLC通信技术是利用电力线传输数据和话音信号的一种通信技术,它不会对电力的传输产生影响。可见光通信所用的光源是照明用的可见光LED灯,它们都配备了为其供电的电力线(除非电池供电)。因此可见光通信天然地具备与PLC通信技术相结合的特征。

可见光通信技术 第7篇

苹果是我国主要的水果之一,而陕西省是我国主要的苹果原产地,也是我国主要的苹果出口地。近年来,随着人们生活水平的日益提高,不论是出口还是内销,人们对水果的质量要求都越来越高。水果的品质已不能单从外观来判断,而需要通过对水果的糖度、硬度、酸度等各项指标来评定。用近红外光谱技术来预测苹果的糖酸度已经在许多文章中进行了报道[1,2,3,4,5,6],但是采用可见-近红外光谱技术来检测水果糖酸度的报道还甚少。近红外光谱分析技术与传统化学方法相比,具有廉价、方便、快速和无损伤等特点,在农产品评价方面有广泛的应用价值[7,8]。

BP神经网络模型是一个强有力的学习系统,能够实现输入与输出之间的高度非线性映射[9]。目前使用最多的是多层结构的误差反向传播学习算法(BP),并且已经证明此种模型可以逼近任何连续的非线性曲线[10]。主成分分析[11](PCA)是在不丢失光谱信息的前提下,将多个变量进行线性变换,以选出较少个数重要变量的一种多元统计分析方法,它能够建立光谱数据与成分之间的相互关系。

本文以可见光-近红外光谱技术为基础,采用主成分分析和BP神经网络模型来建立苹果可溶性固形物的检测模型。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验选用当年采摘经冷库储藏60d的陕西礼泉红富士苹果40个,尽量挑选大小一致的苹果,并将其置于温度为8℃、相对湿度为45%的实验室内12h,使苹果和实验环境温度达到一致。

1.2 仪器设备及光谱获取

实验使用美国Ocean Optics公司生产的可见光近红外光谱仪一套,包括USB4000光谱仪(设置采样间隔为0.21 nm,波长范围为345～1 039nm,积分时间为100ms,扫描平均次数5)、光纤、光源及自制的光谱采集支架,如图1所示。

每个苹果在赤道上分别取3个等距离点,即每隔120°取一个。调整光纤探头距定位板面距离为14mm,将苹果放在支架上,表皮紧贴在定位板上,并对每个点扫描进行光谱采集。将每个点采集到的光谱作为一个样本,共计120个样本。

1.3 苹果可溶性固形物(SSC)测量

将苹果每个点面去皮,切下扫描点附近15mm左右大小的一块果肉,用家用小型榨汁机进行榨汁,并采用泉州中友光学仪器有限公司生产的WYT-4型手持糖度仪来直接测量苹果的可溶性固形物含量,单位为°brix。

4 主成分分析(PCA)

主成分分析(PCA)是将多个变量进行线性变换,以选出较少个数重要变量的一种多元统计分析方法。它能够建立光谱数据与成分之间的相互关系,是一种广泛使用的近红外数据处理方法。但PCA适用于建立线性模型,当出现非线性问题时,模型预测结果会受到影响,因此需要在PCA模型的基础上引入非线性部分。人工神经网络是目前常用的非线性模型[12]。

1.5 BP神经网络模型

本研究建立了一个3层BP神经网络,所有的样本随机分成学习集和预测集数据。其中,随机抽取80个样本作为学习集样本,另外40个样本作为预测集样本。网络输入层、隐含层和输出层节点数分别为5,6,1。输入层的5个节点来源于PCA分析得到的主成分,隐含层的节点数是在经验基础上确定的,最小训练速率为0.1,设定训练迭代次数为2 000次,并对输入样本进行标准化处理。

2 试验结果与分析

2.1 苹果SSC的近红外漫反射光谱

USB4000光谱仪在使用前先经过白板校正得到一个标准光谱,再测量周围环境的暗光谱,随后才能测量苹果样本。使用该光谱仪测得的光谱为连续光谱,且每扫描5次获得一个平均光谱,此时的光谱为原始漫反射光谱,如图2所示。

图2中,横坐标为波长,范围是345～1039nm,纵坐标为光谱漫反射率。该光谱仪具有抗外界环境干扰的优点。

2.2 新主成分提取

将随机挑选作为学习集的80个苹果的光谱样本经过变换,并使用DPS处理系统对其进行主成分分析。由于采集到的光谱前后均有较大噪声,因此仅选用450～1 000 nm这段光谱进行分析,其中前7个主成分的特征值及累计可信度如表1所示。

由于前5个主成分的累计可信度已达95 %,所以仅用前5个主成分就可以表示原始近红外光谱的主要信息[13]。

2.3 建立BP神经网络模型

全波段从345～1 039 nm共有3 303个点,采用全光谱作为神经网络输入时,大大增加了运算量,而且有些区域样品的光谱信息很弱,与样品的组成或性质间缺乏相互关系[14]。PCA推荐的前5个主成分已经包含了大部分的光谱信息,因此将这5个特征变量作为BP神经网络的输入变量,通过调整网络隐含层的节点数来优化网络结构[15]。经过反复试验,确定最佳网络结构,即输入层、隐含层和输出层节点数分别为5,6,1,拟合残差为0.014 9。其40个预测样本的预测值如表2所示。

3 结论

1) 由表2可以看出:其测定值与真值之间的相对误差除25号和35号在5 %以上,其余全部在5 %以下,其中27个样本的相对误差在3 %以下,占预测集的67.5 %。

2) 以上结果说明,应用可见光近红外光谱技术来建立基于主成分分析和人工神经网络的苹果SSC含量的鉴别模型是可行的,且该模型具有简便、快速、非破坏和相对准确的优点。

摘要：为了快速检测苹果的可溶性固形物(SSC)含量,采用可见光近红外光谱技术,结合主成分分析(PCA)和BP神经网络技术,来建立苹果SSC的预测模型。获取苹果样本在345～1039nm波段的漫反射光谱,采用DPS数据处理系统对其进行主成分分析,并提取出累计可信度大于95%的5个新主成分。建立一个3层的BP神经网络模型,并将这5个新的主成分作为BP神经网络模型的输入量,其结果是98%以上预测样本的预测相对误差在5%以下。该研究表明,采用近红外光谱技术来建立苹果可溶性固形物的预测模型是可行的。

可见光通信技术 第8篇

关键词：可见光通信,多载波调制,正交频分复用,离散多音频调制

0 引言

可见光通信技术是基于发光二极管( LED) 照明技术发展起 来的一种 使用可见 光波段 ( 400 ~700 nm) 的光作为信息载体的新兴无线通信技术。与传统的无线通信技术相比,可见光通信技术具有无电磁辐射、保密性好等特点,因此可见光通信技术在无线通信领域有着广阔的发展前景[1,2],已经成为众多科研人员竞相研究的热点技术。

在可见光通信中应用多载波调制技术可以有效地对抗可见光信道产生的多径效应[3]。OFDM技术是传统无线射频通信中应用最为广泛的多载波调制技术,但是由于可见光通信技术的特点,OFDM技术并不能完全适用于可见光通信系统。本文将OFDM技术改进为DMT技术应用于可见光通信系统,并将2种多载波调制技术在可见光通信中的性能进行了比较分析,根据仿真结果,DMT技术相对于OFDM技术能够更好地适应可见光通信的特点,具有更好的表现。

1 可见光通信技术

LED与传统的照明设备相比,具有功耗低、寿命长和易于小型化等特点,此外LED还具有调制性能好、发射功率大等特点,因此LED非常适合作为中短距离无线光通信系统的光源。

1. 1 可见光通信的技术特点

可见光通信系统由发射端和接收端2部分组成,在发射端将携带信息的电信号通过电光变换加载到可见光载波上,而在接收端则通过光电感应装置将光信号转换为电信号解调出其所携带的信息完成通信。可见光通信使用普通LED发出的白光作为载波,由于LED设备无法对光波的相位、频率进行直接调制,所以无法像传统无线通信一样将信息调制到载波的相位和频率上,只能通过LED设备对可见光的光强进行调节。由于LED设备响应具有速度快的特点,其光强的变化速率可以很高,所以通过类似于调幅的调制方式可以将信息加载到可见光上来实现通信功能[4,5]。

在可见光通信中,由于可见光的穿透能力很弱,光源的发光角度也比较大,在通信信道中会产生很多的反射路径,极易形成多径。由于在室内不会受到强背景光噪声的影响,所以对于可见光通信系统来说多径效应是其主要的噪声来源[6]。多载波调制技术,由于其使用了多条相互正交的子载波来传输数据,降低了码元速率,应用于可见光通信中可以有效地减小多径效应对系统的影响[7]。

1. 2 可见光通信信道模型

在可见光通信中,其信道最突出的特点就是多径。目前在可见光通信技术的研究中应用最广的是直流信道增益模型[8],该模型中包含了直射链路和反射链路。直射链路的增益模型如下:

式中,m为朗伯光源的朗伯系数; Dd为光源到接收机的距离; 为光源的发射角; A为光电探测器的有效表面子; ψ为光线到接收机的入射角; Ts( ψ) 为滤光片的衰减系数; g( ψ) 为聚光片的增益; ψc为接收机的最大有效接收角度。

信道模型的反射增益为:

式中,D1为光源到反射点的距离; D2为反射点到接收机的距离; ρ为反射系数; d Awall为一块非常小的反射区域,用于积分; α为光线到反射点的入射角;β为反射光线的出射角。

2 多载波调制解调技术

在传统的射频通信中应用的多载波调制技术有很多,其中应用最为广泛的就是OFDM技术。DMT技术作为一种多载波调制技术主要应用于光纤通信中,由于可见光通信兼具无线通信和光通信的双重特点,所以选取OFDM与DMT两种具有代表性的多载波调制技术在可见光通信系统中进行性能比较分析。

2. 1 OFDM 调制解调技术

在数字通信系统中实现OFDM技术的方法是利用逆离散傅里叶变换 ( IDFT) 和离散傅里叶变换( DFT) 来实现其调制和解调过程[9]。而在可见光通信中由于无法像射频通信一样对载波的相位和频率进行直接调制,所以无法将IDFT之后的数据信息直接加载到可见光在波上,需要先将信号加载到一路数字载波上,把信号所携带的相位和频率信息映射到电平幅值上,这样才能够通过LED设备将电平幅值转换为光强,实现对可见光信号的调制。

首先,使用2路正交的数字载波对IDFT后得到的I、Q两路信号进行调制,叠加后就可以得到一系列携带原信号相位和频率信息的电平值采样点,由于可见光信号没有负值,所以需要在信号上叠加一个直流偏置,使所有的采样点都是正数,才能够将其调制到可见光信号上[10]。可见光通信的OFDM调制原理框图如图1所示。

2. 2 DMT 调制解调技术

在可见光通信系统中,为了实现多载波调制技术,需要将电信号所携带的相位和频率信息映射到电平幅值即光信号的强度上。在OFDM技术中经过IDFT变换后的信号不能够直接加载到可见光信号上,还需要经过数字载波的调制。DMT技术在进行IDFT之前对信号进行了处理,经过对称变换延长,使其具有了共轭对称性,根据傅里叶变换的对称原理,具有共轭对称性的序列,其傅里叶变换或逆傅里叶变换后的序列必定为实数序列[11]。所以,经过DMT技术处理后的序列,已经是实数序列,只需要简单的对其添加直流偏置后,即可将其加载到可见光载波上,实现可见光通信的多载波调制技术。

3 系统仿真与分析

3. 1 多载波调制技术系统仿真

为了验证OFDM和DMT两种多载波调制技术在可见光通信系统中的性能,使用MATLAB仿真软件对这2种调制解调技术进行了对比仿真。

在仿真时参考802. 11a标准中关于OFDM技术的各项规定来对仿真系统的基带信号和参数进行设计[12,13]。针对可见光通信信道多径的特点,将循环前缀点数从16点增加到了32点,这样既延长了保护间隔又降低了码元速率,减小多径效应对系统的影响。在仿真时设置的各项多载波调制系统参数如表1所示。

仿真时直流子载波信道不传输任何数据,其余子载波全部用于传输导频数据或者通信数据。通过给已调信号添加直流偏置来仿真将信号调制可见光载波上的过程。经过直流增益信道模型并添加高斯白噪声后进 行解调操 作,在各路子 载波上采 用QPSK和8PSK调制来控制数据速率,进行多次循环仿真统计误码率。

3. 2 仿真结果分析

图2和图3给出了子载波分别采用QPSK、8PSK调制时,OFDM和DMT调制技术的误码率曲线。

从整个曲线的情况来看,图2和图3中DMT系统的曲线都在OFDM系统的下方,这表明在各个信噪比上DMT系统的误码率都要低于OFDM系统。在子载波采用QPSK调制时,在满足通信要求的10- 6误码率条件下,DMT系统所需信噪比为20 d B,而OFDM系统则需要26 d B,DMT系统的要求要低于OFDM系统。同样在子载波采用8PSK调制时,达到通信要求的误码率10- 6时,2个系统的信噪比分别为25 d B和32 d B,同样是DMT系统要求的信噪比较低。从以上结果可以看出,在可见光通信中采用DMT调制技术的系统具有更好的系统性能。

4 结束语

可见光通信技术 第9篇

一、白光LED的基本特性

相比于普通的照明工具, LED灯具可以分为白光和单色光LED。而白光LED不仅能够提供照明, 还具有传输信号的功能, 通过信号光源实现室内的无线传输。与红光LED相比白光LED的发光强度比较低, 可以极大地减少对人眼睛的伤害程度, 并且白光LED发光的功率也比较低, 这能够使白光LED在消耗较少能源的情况下保证发光的稳定。除此之外白光LED在信号光源、调制带宽、信道速率、室内布局、阴影效应、发射功率上与红外光作用室内无线通信相比具有极大的优势, 具体优势可以通过表1来表示。

二、白光LED室内可见光通信的关键技术发展概述

可见光通信技术起源于日本, 21世纪初日本学者首先提出了将LED照明灯用作为通信基站进无线传输的思想。经过一段时间的发展已经能够初步实现LED灯的初步通信功能, 使用白光LED作为无线通信系统。之后各个国家发现了白光LED可见光通信技术开发研究的重要性, 加大了投资和研究力度。我国国内关于这项技术的研究比较晚, 取得了一些成功, 初步实现了室内可见光数据传输系统, 并且信号传输的距离和强度有所提高。

(一) 白光LED室内可见光通信的关键技术。

1.直射式视距链接匹配漫射链接。一般室内的白光LED的安装并不是随意的, 需要固定安装于天花板之上。选择最常用的主要有两种链接方式, 分别为漫射链接和直射式视距链接两种。通过这两种链接方式并不是以单一的一种形式出现的, 一般都是根据实际需要互相单配进行链接, 形成室内无线通信链路。直射式视距链接和漫射链接两种链接形式具有各自的优点和缺陷, 要做好链接的合理性必须充分了解二者的特点。直射式视距链接可以直接面向白光LED的光源, 具有较高的光源功率因子, 并且可以迅速建立高速的数据链接。但是这种链接方式极易受到障碍物的阻挡, 使线路无法正常传输数据。漫射链接本身接收机的视角较大, 受阴影的影响很小, 但是传输速率比较低。所以在实际应用中要根据室内房屋的实际特点和需要, 结合这两种链接方式的特点, 制定出合理的搭配方案。

2.曼彻斯特编码结合OOK调制方式。LED光源处于可见光的频段内, 其光源的刺激性并不是很强, 并不受发射端发射功率的影响, 对人眼几乎没有实质性的影响。因此可以通过发射较大的发射功率来增强系统的稳定性。系统接收电路通过光电检测器和信号处理单元来实现不同功能。光电检测器主要实现系统内部信号的转变, LED产生的白光流过光电检测器之后, 会变为电信号, 并通过对信号强度的调节成为与发射端信号强度相同的光源。一般针对白光LED的信号通信容易被中断的问题, 采用了曼彻斯特编码结合OOK调制方式, 通过调节使多个光源可以分别接收来不同方向和不同强度的信号, 这种调节方式极大提高了通信系统的稳定性, 被广泛应用于白光LED室内可见光的通信中。

3.正交频复用技术。正交频复用技术起源于21世纪初期, 日本学者在VLC方案中引入了正交频复用技术, 对于提高系统的数据传输速度有一定的积极作用。正交频复用技术可以将不同形式的数据按照一定的规律进行调整, 一般可以将高速串行的数据调整为并行数据, 实现载波调制。由于这种技术具有强抗多经能力, 大大提高信号传输的速度和稳定性, 被广泛应用于高速无线通信中。正交频复用技术的成熟可以很好地解决以前无线通信过程中困扰开发人员的码间串扰问题, 避免线路的串行, 产生多经传播, 为白光LED室内可见光通信的关键技术的发展打下了坚实的基础。

近些年随着研究的进一步深入, 结合正交频复用技术产生了许多方案, 有力推进了白光LED室内可见光通信的技术的发展。本文以其中一个方案为例。这个方案需要准备白光LED照明阵列、电力线调制器、OPDM调制解调器。通过在发射端进行编码, 在接收端进行解码的实现对导频信号的提取, 并根据通信状态将串行数据分解成并行数据, 避免产生多经传播, 降低码间的串扰。在OPDM调制解调器之间设置间隔, 控制串码率, 减少残留串扰对通信的影响, 提高数据传输的速度和效率。

(二) 白光LED光源的带宽拓展技术。LED产生的白光与传统的光源不同并不是单一的白光产生的。目前主要有两种方案产生白光。一是通过LED内部产生的蓝光来激发磷光体产生浅黄色的光, 由于这种浅黄色光的色调比较暖, 视觉上与白光相同。一种是将红、绿、蓝光三种颜色的光融合在一起产生白光。这两种方案各具特点, 在实际安装中都有所应用, 由于成本造价问题第一种方案应用更为广泛。因为第一种方案只需要安装一个驱动器即可, 而第二种方案按照较为复杂, 并且价格十分昂贵。随着对于白光LED室内可见光通信的技术研究的深入在提高LED的发射功率方面取得了巨大的进步, 但是在频率响应方面还有很多技术问题需要解决。LED有效进行信号传输需要解决响应频率预系统带宽的问题, 在进行大功率输出时实现白光LED的高频响应。对白光LED光源的带宽拓展技术进行深入研究, 将带宽调制到30MHz以上是目前需要研究的主要问题。

可见通信技术关键技术应用展望未来一段时间内随着可见光通信技术的成熟, 以其本身的巨大优点必然会被广泛应用到各个领域, 包括博物馆、小商品、交通信号灯、车用照明灯等。本文以室内的展馆为例, 参观者在展馆参观过程中可以通过特定的接收设备接收LED等传送的数据信息, 极大提高体验效果。

三、结语

白光LED室内可见光通信的关键技术的发展不仅能够很好解决我国能源日益紧缺的问题, 还极大提高了人们的生活质量。可见光通信作为一种新兴的通信技术, 具有广泛的发展空间。因此要以实现白光LED灯的照明和通信功能为目的, 通过关键技术的研发, 最终实现技术实用化, 为提高人们的生活水平服务。

参考文献

[1]王虹, 蔡喜平.基于白光LED的可见光通信研究进展[J].半导体光电, 2014, 35 (17101) :5~9

[2]黄婷婷.白光LED室内可见光通信的关键技术[J].信息通信, 2014, 13907:204

[3]傅倩, 陈长缨, 洪岳等.改善室内可见光通信系统性能的关键技术[J].自动化与信息工程, 2010, 3102:4~7

[4]佟飞.白光LED室内可见光通信的关键技术[J].通讯世界, 2016, 28704:59

考验，随处可见 第10篇

（2001年6月17日弈于中国军事博物馆）

中炮过河车对屏风马进7卒

△何晓林□张晓霞

△何晓林：2001年北京棋文化博览会企组象棋第一名。王义：2001年北京市象棋等级赛第一名，身残志坚，曾有多家媒体报道过其事迹。

1、炮二平五马8进72、马二进三车9平8

3、车一平二马2进34、马八进九卒7进1

5、车二进六炮8平9

△这是最后一局，此前我七胜一负，王义六胜一和一负。

6、车二平三炮9退17、炮八平七炮9平7

8、车三平四马7进8

□黑方跳外马是比较积极的下法，双方容易形成各攻一翼的局面。

9、车九平八车1平210、兵七进一…………

△红方应车八进六比较主动。

10、…………卒7进111、车四进二炮7进5

12、相三进一马8进613、相一进三…………

△红如兵七进一，黑炮7平6后，红不易把握局面。

13、…………马6进714、炮七平三炮2进4

15、车八进一车2进5

□应改走士4进5，红如车八平六，士6进5，车六进五，车8进6，黑方有较多对抗纠缠的机会。

16、车八平六士4进5

△黑应改走士6进5较好。

17、车六进七车2平318、车六平七车8进2

19、相三退一（图）炮7平8

△黑应改走象7进9，仍是两分局势。

□如图形势，红方看似随手的落相其实是对黑方一个考验，黑方平炮正中红方下怀，红方由此确立了优势。

20、车四平三炮8进3

□黑方此时如走象7进9，车三平二，车8平7，车七退一，车7进5，车七进二，士5退4，炮五进四，红方胜利在望。

21、相一退三象7进522、车七退一炮2平9

23、炮五进四将5平424、车三平四车3进4

25、车四进一将4进126、车七进一将4进1

27、炮三平六…………

□解杀还杀，红方胜定。

27、…………炮9退228、车四退四象5进7

基于白光LED的可见光通信 第11篇

1.1 设计任务

设计并制作一个可见光通信装置, 实现利用单只10W (或≥9W) 白光LED和光电器件作为发收器件, 信号源为语音或模拟波形信号。该设备由自制直流电源、调制电路、LED驱动电路、解调电路、功率放大器、正弦信号发生器、音频发生器 (麦克风或MP3) 、信号接收装置等多个模块组成。命题所要求系统具有的性能与技术指标:LED的功率必须达到10W, 电流为I2=1±0.05 A, 电压U2=10 V (误差可以稍大) ;信号频率范围为300~8000Hz;输出电压有效值不小于0.4V;制作时钟频率为1000Hz的m序列发生器;减少24V电源的供电电流I1;传输距离大于30cm。

1.2 方案论证与选择

1.2.1 调制解调方式

在可见光通信装置中, 采用的是脉冲模拟调制。考虑到脉冲模拟调制有四种方式:即脉冲幅度调制 (PAM) 、脉冲宽度调制 (PWM) 、脉冲频率调制 (PFM) 、脉冲相位调制 (PPM) , 为达到LED能高质量、低干扰的高效发送的目的, 最终选择脉冲频率调制 (PFM) 。

基于以上考虑, 本系统采用LM567锁相环电路作为调制解调电路, 调制端输入为模拟信号, 输出为调制的调频方波信号;解调端输入为调频方波信号, 输出为原始的模拟信号。既简化了电路又增加了方案的可实施性。

1.2.2 LM567中心频率选择

在发射功率一定的情况下, 带宽越窄, 接收信号的质量越好。基于这个因素, 同时受限于命题传输的语音信号或低频信号源信号频率范围为300~8000 Hz的要求, 最终通过电阻与电容的匹配将LM567中心频率设置为100k Hz。

1.2.3 LED驱动电路的选择

(1) LED驱动电路采用具有连续电感电流导通模式的降压恒流源PT4115模块, 用于驱动10W的LED, 电流可调, 最大可达1.2A;PT4115内置功率开关, 采用电流采样设置流过LED的平均电流, 并通过DIM引脚可以接受很宽范围的PWM调光。当DIM输入的电压低于0.3伏时, 功率开关关断, PT4115进入极低工作电流的待机状态。内部含有过温保护功能, 外部有大的散热器与LED相连, 对LED有双重保护。已调信号在LED两端能形成顶部略显光滑的方波信号, 因在接收端设置了放大和限幅电路, 所以不会对信源信息的正确性产生影响。

(2) 自制LED驱动电路。采用大功率MOS管构成具有偏置电路的LED驱动, 然后利用MOS管的开关功能, 使LM567输出脉冲频率调制的已调信号控制MOS管的通断。因其在实验过程中, 偏置电阻设置的不恰当, LED两端未能产生理想的方波信号, 而是类似三角波信号, 所以还是采用了较为理想的PT4115驱动电路。

1.3 系统原理图

可见光通信系统分为发射部分和接收部分。系统原理图如图1所示。

在发送端:由模拟信号调制脉冲信号得到的调频脉冲信号, 去调制LED光源使其发送光信号经自由空间光通道到达信号接收端。

在接收端:通过光电三极管和放大器检出光信号并转换成电信号, 然后对信号放大、限幅之后, 得到理想的调频脉冲信号。最终经解调电路解调得到了原始的模拟信号。

2 LED驱动电路设计

2.1 LED驱动电路设计

LED驱动电路作为通信系统重要的关卡, 其工作是否正常直接关乎到通信的畅通与否。根据, 采用24V转12V电源模块, 以保证LED的压降达到10V, 电流为1A。LED可见光通信系统驱动电路如图2所示。

3 系统测试方案和测试数据

3.1 测试仪器

信号发生器、示波器、四位半数字万用表。

3.2 调制解调频率测试

如表1, 测量结果分析:经测试, 三中信号的输出频率都在题目要求的300~8000 Hz范围内, 同时验证调制解调器LM567工作的高效稳定性。

3.3 发端装置与收端装置距离、响应时间及功耗测试

如表2测量结果分析:在30cm处时的信号波形最理想;有效的通信距离约为45cm, 超过45cm, 音频信号严重失真。

4 设计总结

本系统功能上达到了题目的基本要求, 参数上达到了题目的要求。

本系统的创新点:

(1) 经过对LED功能的研究, 系统除了能达到通信的基本目的外, 还具有良好的照明功能。

(2) 为检测方便, 在解调端增加了频率指示灯, 用以显示信号接收端的中心频率与发射端的中心频率是否一致。

整个系统在设计上充分考虑低功耗的要求, 采用了低功耗的调制解调器LM567作为核心器件, 电路的其他元件选型也尽量考虑低功耗。

摘要：LED可见光通信, 利用半导体 (LED) 器件高速点灭的发光响应特性, 将信号调制到LED可见光上进行传输, 是无线通信与光通信的巧妙结合, 为可见光通信提供一种全新的宽带接入模式。可见光通信技术是一种采用LED可见光作为通信载体, 可以实现点对点的通信的无线光通信技术。该装置可进行短距离的语音及信号传输。该系统为单向传输通信系统。驱动系统的通信频率范围为3008000 Hz, 系统采用低功耗、具有高性能调制解调芯片LM567, 以及高性能分离元器件, 使得装置传输的语音及波形信号达到最优。

关键词：LED,LM567,可见光通信

参考文献

[1]迟楠.LED可见光通信技术[M].北京:清华大学出版社, 2013.