面向測量和通信的光技術及應用

面向測量和通信的光技術及應用概要激光技術在電力、公安與安全、機器人及無人駕駛系統(tǒng)中的應用LED可見光通信關鍵技術和應用案例（一）激光三維掃描雷達在機器人及無人駕駛系統(tǒng)中應用激光三維掃描雷達在軍民領域有廣泛的應用，可用于導彈導引頭、月球車、地形測繪、機器人、無人飛機及廣義的無人駕駛系統(tǒng)（一）激光三維掃描雷達在機器人及無人駕駛系統(tǒng)中應用案例1：地形測繪視頻播放（40s）案例2：機器狗視頻播放（135s）案例3：無人飛機視頻播放（155s）案例4：無人駕駛汽車視頻播放（200s）Lidarvs.Radar(LightDetectionandRanging)（一）激光三維掃描雷達在機器人及無人駕駛系統(tǒng)中應用激光三維掃描雷達原理:是一種以激光為載波，光學望遠鏡為天線，光電探測儀為接收器的雷達。通過向目標發(fā)射激光束，再由雷達接收器準確地接收從目標反射回來的信息，通過對比發(fā)射信號和反射信號之間的差異，并進行適當?shù)男盘柼幚?，從而獲取目標的相關數(shù)據(jù)：目標的相對距離、相對速度、絕對速度、高度、方位角、俯仰角、形狀等信息。優(yōu)點：分辨率高、抗有源干擾能力強、低空探測性好、體積小、質(zhì)量輕。（一）激光三維掃描雷達在機器人及無人駕駛系統(tǒng)中應用激光三維掃描雷達關鍵技術:·激光器（硬件，材料）·高性能、高分辨率光電混合焦平面陣列·高速處理電路（高速成像、高速圖像處理器，成像速度慢易造成圖像運動失真）·光電探測器的光電混頻能力·高反射率目標信號處理（避免造成探測器飽和或損毀）·回波信號噪聲干擾抑制·環(huán)境自適應能力·等等......（二）激光光纖互感器應用：遠距離直流輸電系統(tǒng)優(yōu)點：體積小便于集成、成本低、絕緣性好、無磁飽和現(xiàn)象原理：利用法拉第磁光效應原理，線偏振光在光學晶體中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一磁場，則光的偏振方向將發(fā)生偏轉，偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質(zhì)的長度d的乘積成正比，即ψ=VBd，比例系數(shù)V稱為費爾德常數(shù)。CVOCT（Crystal-ValveOpticalCurrentTransformer）晶體光閥光學電流互感器使用晶體光閥將一次電流信號調(diào)制成光強信號，即可準確測量一次電流。（二）激光光纖互感器

激光通過光纖被引入到測量系統(tǒng)中，經(jīng)過起偏成為線偏光后被引入到磁光介質(zhì)中，磁光介質(zhì)在磁場影響下使偏振光的偏振面發(fā)生旋轉，通過磁光介質(zhì)后的檢偏器可將偏振旋轉的角度轉換為光強度變化由于導線周圍的磁場與其承載的電流有確定的關系，電流和磁場的關系——安培定律從而通過分析光強來測量電流電流變化產(chǎn)生的磁場信號晶體磁光閥（磁光調(diào)制功能）光信號通訊光纖光電轉化設備原始電流信號提?。ǘ┘す夤饫w互感器前景遠距離直流輸電工程的光學電流互感器·國家特高壓電網(wǎng)建設戰(zhàn)略開始加速推進，特高壓直流工程建設。（三）激光語音捕獲系統(tǒng)激光干涉監(jiān)聽技術，光學偵察技術

激光干涉?zhèn)陕犑且环N新型的偵聽技術，在針對公共安全、安全偵查、反恐等方面的重大需求時，該技術手段可有效解決由于事發(fā)地點不確定性，不能將偵聽傳感頭預埋在事發(fā)地，以及正反射激光偵聽的對準難等諸多問題。激光多普勒干涉測量零差激光干涉法、基于光學相位調(diào)制和鎖相技術的抗干擾干涉法、自混頻外差激光振動測量、激光光源電流調(diào)制法、聲光調(diào)制器（AOM）外差干涉法、雙波長激光外差干涉法測量方法等。（三）激光語音捕獲系統(tǒng)漫反射激光語音獲取技術參數(shù)（樣例）：（三）激光語音捕獲系統(tǒng)基于窄線寬光纖激光器波長編碼外差干涉?zhèn)陕牸夹g原理框圖雙波長激光獲取，單一激光器輸出雙波長脈寬控制與精確光纖延時外差頻率無關解調(diào)算法穩(wěn)定干涉場中雙波長激光變頻自適應解調(diào)關鍵技術：（三）激光語音捕獲系統(tǒng)前景·在安全、航天、醫(yī)療等領域的廣泛應用，為安全、預警、反恐等提供強有力保障，為減少災難給社會造成的巨大損失?！ぢ瓷浼す庹Z音獲取技術的實現(xiàn)，還可以打破西方列強的技術優(yōu)勢和技術封鎖，減少裝備購置費用、增強自力更生的能力和信心，對提高軍事現(xiàn)代化水平有著重大的作用。·漫反射激光語音獲取技術的實現(xiàn)為各級指揮員迅速、準確、全面地掌握敵情、運籌帷幄、克敵制勝提供前提條件，對保障國家安全、了解國外經(jīng)濟、科技動態(tài)具有重要意義。概要激光技術及其在電力、公安與安全、機器人及無人駕駛系統(tǒng)中的應用LED可見光通信關鍵技術和應用案例LED可見光通信器件簡介：1、可見光發(fā)射LED器件

主流傳統(tǒng)照明（藍光激發(fā)黃色熒光粉型白光LED）的響應緩慢限制帶寬（10dB帶寬不到20MHz）。2、新型Micro-LED器件

在一個芯片上集成了高密度小尺寸LED陣列，像素可定址、單驅動點亮，像素點距從毫米級降低到微米級。3、可見光探測器

傳統(tǒng)硅基探測器主要在紅外波段敏感，藍光效率比較低，且隨著距離增大及強烈背景噪聲和電路固有噪聲影響效果不佳；新型高靈敏度、帶通光譜響應InGaN可見光探測器及其陣列應用。LED可見光通信LED可見光通信?調(diào)制方式：·IEEE802.15.7：開關鍵控（OOK）[單光源，PHYⅠ、PHYⅡ]

可變脈沖位置調(diào)制（VPPM）[單光源，PHYⅠ、PHYⅡ]

移色（移頻）鍵控（CSK）[多光源，PHYⅢ]?拓撲結構：

IEEE802.15.7：11.67kbps-96Mbps室內(nèi)外應用支持

對等型和星型拓撲結構?無閃爍通信的調(diào)光機制?均衡技術?信號恢復算法技術優(yōu)勢1：

調(diào)制方案和調(diào)光支持：可見光譜380-780nm，支持數(shù)據(jù)速率96Mbps，6GHz以下傳統(tǒng)RF通信用于高速數(shù)據(jù)通信會快速耗盡頻譜，用于VLC的帶寬300THz能為短距離提供多個Gbps的數(shù)據(jù)速率（例如在MIMO方式中使用陣列LED）。LED可見光通信技術優(yōu)勢2：調(diào)光支持調(diào)制引起的光波動即光閃爍對人是不利的最佳的光閃爍頻率應＞200Hz，即最大閃爍周期MFTP＜5msVLC的調(diào)制處理在數(shù)據(jù)幀內(nèi)和幀間不能引起任何明顯的閃爍LED可見光通信技術優(yōu)勢3：IEEE802.15.7提供三種方式VLC.PHYⅠ：11.67kbps-266.6kbps，單光源，支持OOK和VPPMVLC.PHYⅡ：1.25Mbps-96Mbps，單光源，支持OOK和VPPMVLC.PHYⅢ：12Mbps-96Mbps，不同頻率（顏色）多光源，使用CSK調(diào)光條件下，使用OOK調(diào)制通過插入補償時間提供恒定的調(diào)光范圍和可變的數(shù)據(jù)速率，而VPPM通過調(diào)節(jié)脈沖寬度形成固定的數(shù)據(jù)速率和可變調(diào)光范圍每個PHY采用RLL游程長度限制編碼和信道編碼用于前向糾錯(FEC)IEEE802.15.7也提供了類似硬判決性能的FEC方法光時鐘速率：PHYⅠ≤400kHz，汽車道路行駛照明PHYⅡ≤120MHz，移動和手持設備PHYⅢ≤24MHz，目前基礎設施LED可見光通信技術優(yōu)勢4：OOK調(diào)制和調(diào)光方法光的通斷或者強弱（為了維持直流平衡）代表邏輯‘1’或‘0’。FEC：二級編碼方式，先外編碼，再級聯(lián)內(nèi)編碼調(diào)光：方法一：重新定義OOK符號ON、OFF光強更低

恒定的比特率、傳輸范圍縮小、顏色易漂移方法二：強度不變通過插入補償時間改變波形的平均占空比

恒定的傳輸范圍、比特率較低、接收機失步（補償時間過長）LED可見光通信技術優(yōu)勢5：VPPM調(diào)制和調(diào)光方法改變脈沖位置。占空比（脈沖寬度）50%時,VPPM與2-PPM類似。VPPM脈沖占空比的變化對應所要求的調(diào)光電平VPPM模式發(fā)射機4B6B將4位隨機比特編碼為6位比特直流平衡碼,即6位比特中0和1的數(shù)目都等于3。比特率恒定與調(diào)光電平無關，調(diào)光時，傳輸距離取決于調(diào)光電平LED可見光通信技術優(yōu)勢6：CSK調(diào)制和調(diào)光方法PHYⅢ的CSK系統(tǒng)框圖兩種產(chǎn)生白色LED光的方法：1、藍色LED和黃色熒光體產(chǎn)生（響應慢，帶寬窄）2、同步激勵紅、綠、藍LED產(chǎn)生（CSK使用）CSK類似于移頻鍵控MFSKIEEE802.15.7的7個顏色帶劃分由CIE1931定義所有CSK光源總功率恒定不存在因幅度變化的閃爍問題較低光學時鐘頻率上使用高階調(diào)制實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率LED可見光通信挑戰(zhàn)：專用集成芯片非常缺乏芯片集成度、LED信號發(fā)射驅動、前端芯片的信號處理、后端芯片的信號恢復對于VLC,信道模型目前沒有被更好地提出，尤其戶外非視線(NLOS)環(huán)境。VLC信道模型和平臺是目前研究的熱點，支持VLC的光源網(wǎng)絡化和升級目前的基礎設施也是一個挑戰(zhàn)。LED可見光通信挑戰(zhàn)（續(xù)1）：視線LoS:可見光無法穿透物體,只能被反射，反射吸收大量的能量，其覆蓋性和安全性不足。發(fā)射源:專用于VLC的LED光源價格昂貴，現(xiàn)有用于照明的LED可以考慮實現(xiàn)VLC。多徑衰落:由于寬波束發(fā)射會引起多徑衰落，碼間干擾ISI會影響VLC系統(tǒng)性能。環(huán)境光干擾:當寬波束發(fā)射時,環(huán)境光干擾會出現(xiàn)在VLC中。白天時環(huán)境光變化造成低信噪比。LED可見光通信挑戰(zhàn)（續(xù)2）：單向通信:VLC數(shù)據(jù)傳輸單向可以。利用不同的方式可提供上、下鏈路之間的隔離例如空間、光學隔離，也可時分、碼分、波分。也可以下行鏈路使用VLC(高速)，而上行鏈路使用IR(紅外)式Wi-Fi。燈光:VLC傳輸時，光源需要打開。需要照明正常開啟的區(qū)域，VLC通信是無代價的。有些區(qū)域,燈應是關的，如果光源的照度級低于環(huán)境光的照度級，用于VLC的光源即使開著也不會注意到，所消耗的功率類似于RF傳輸所需的功率。LED可見光通信應用案例1、飛行環(huán)境中基于閱讀燈可見光通信VLC系統(tǒng)LED可見光通信應用案例3、低幀速率和多邊形反射鏡圖像傳感器的高速可見光通信

High-speedVisibleLightCommunicationwithImageSensorofthe