一种基于小发散角类高斯型LED的光源优化布局方法
技术领域
本发明涉及LED无线光通信领域，旨在提供一种基于小发散角类高斯型LED的光源优化布局方法。
背景技术
进入21世纪以来，随着信息技术的快速发展与互联网的全面普及，日常生活中智能数字设备正在急速增加，数据流量也随之呈现出爆炸式增长，因此，为了满足高速、大容量数据传输的迫切需求，各国都在加快各种无线通信技术的研究。当前，已经完全成熟的第四代移动通信技术(4G)和即将全面投入使用的第五代移动通信技术(5G)正是为了解决人们日益增长的数据通信要求而诞生的。近几年，尤其是大数据、互联网+、物联网和工业4.0等新一代的移动互联概念提出后，对无线通信，特别是近距离无线通信提出了更高的要求。
目前使用最广泛的移动通信、WIFI等都属于射频通信技术，而射频频谱是有限的，经过几十年的发展后，如今射频频谱已经十分短缺。为了避免占用射频频谱资源，各种新式无线通信技术应运而生，无线光通信就是其中最有发展前景的技术之一。无线光通信使用的光波段包括紫外光、可见光和红外光，波长范围为200nm～1550nm，这为无线光通信提供了超过540THz可用频谱资源，且这些频谱与射频频谱并不冲突，因此，无线光通信可实现宽光谱信号的高可靠、高效率、高性能无线数据传输。
LED光通信是无线光通信中的一种，其原理是利用发光二极管发出亮度高速变化的光信号进行信息的传输。LED通常具有高达上百兆赫兹的调制带宽，所以可使用高速调制的电信号驱动LED，使其发出携带信息的光信号，然后在接收端利用光电二极管(PhotoDiode，PD)完成光电信号的转换，并解调获得原始信息，从而实现数据的无线传输。LED光通信原理如图1所示。相比于无线激光通信，LED一般具有较大的光束发散角，辐射光功率比较分散，且光的传播损耗十分严重，因此，LED光通信通常应用于近距离场景内，例如：室内定位、手机通信、家庭物联网、智能工厂等。
对于近距离LED光通信来说，光源布局有着重要的研究价值。光源布局直接影响通信的稳定性和可靠性，是搭建实际系统必须考虑的因素之一。当前关于光源优化布局的研究中采用的均为大发散角朗伯发光模式LED，半功率角一般为60°或70°，最大发散角为90°，属于大发散角LED。而本发明则利用小发散角类高斯型LED进行了光源优化布局研究。
传统的光源阵列布局中，默认使用的都是朗伯型LED，其半功率角通常设为60°，最大发散角则为90°，属于半面发光，即LED发出的光在无遮挡的情况下能照射到空间任意角落，缺点是辐射能量分散，光照度强度较低；而在通信方面，大发散角会使光信号经过包括直视和多次非直视链路到达接收器，造成信号接收时延，从而产生码间干扰，降低系统通信性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于小发散角类高斯型LED的光源优化布局方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是；
提供一种基于小发散角类高斯型LED的光源优化布局方法，包括光源阵列布局和估计单个阵列的LED数量和调整阵列中LED的发射方向和LED阵列细致优化；其中，光源阵列布局为四阵列布局方式对称设计；所述估计单个阵列的LED数量估算出的LED数量；所述调整阵列中LED的发射方向为调整LED发射角，使LED中心法线(x,y)坐标平分接收区域；LED阵列细致优化根据其接收区域光照度分布，对阵列进行优化。
本发明中，所述光源阵列布局为四阵列布局方式对称设计，将接收平面平分成四个小区域，每个小区域放置一个LED阵列，阵列位于区域正中心，对一个阵列进行设计，其他阵列对称设计。
本发明中，所述估计单个阵列的LED数量是根据类高斯型LED的辐射面积、光照度分布和室内接收面积等，估计出光源阵列所需的LED数量，根据估算出的LED数量，设计与空间形状相似的LED阵列样式。
本发明中，所述调整阵列中LED的发射方向为调整LED发射角，结合单个阵列LED数量和接收平面区域形状，对光源阵列的形状进行等比例的设计；调整LED发射角，使LED中心法线(x,y)坐标平分接收区域；再根据接收区域光照度分布和光照度均匀性，动态的调整LED发射角，使光照度均匀性尽量高。
本发明中，所述LED阵列细致优化根据其接收区域光照度分布，对阵列进行优化得到最优的光源布局。第一步和第二步设计了大致的光源布局样式，根据其接收区域光照度分布，对阵列进行优化。光照度较低的区域，添加新的LED对其进行光照度补偿；光照度高的地方，调整LED发射角或删除对应LED。最后，对光源阵列整体进行细微的调整，使光照度性能达到最优。
本发明进一步提供的一种基于小发散角类高斯型LED的光源优化布局方法应用，具体包括以下步骤；
步骤1：研究近距离LED光通信光源布局时，首先要考虑立体空间的尺寸、接收端的位置等，因此，首要任务是建立空间平面模型。考虑到近距离LED光通信通常应用于工厂、卧室、办公室等立体空间，建立的平面模型。构建了坐标系，以空间的一个角落为坐标原点o，以和原点相连的平面的边界线作为x轴和y轴，z轴垂直于xoy平面且方向向上。光源阵列分布在顶面上，空间的高度设为3m，光电二极管所在的接收平面的高度为0.85m。
步骤2：估计单个阵列的LED数量。根据类高斯型LED的辐射面积、光照度分布和室内接收面积等，估计出光源阵列所需的LED数量，再根据估算出的LED数量，设计与空间形状相似的LED阵列样式。
步骤3：调整阵列中LED的发射方向。定义LED发射角为LED中心法线与天花板平面法线的夹角。LED的发射角可使用LED中心法线照射到收平面的(x,y)坐标进行描述。LED发射角的调整过程为：结合单个阵列LED数量和接收平面区域形状，对光源阵列的形状进行等比例的设计；调整LED发射角，使LED中心法线(x,y)坐标平分接收区域；再根据接收区域光照度分布和光照度均匀性，动态的调整LED发射角，使光照度均匀性尽量高。
步骤4：对LED阵列进行更细致的优化，进而得到最优的光源布局。第一步和第二步设计了大致的光源布局样式，根据其接收区域光照度分布，对阵列进行优化。光照度较低的区域，添加新的LED对其进行光照度补偿；光照度高的地方，调整LED发射角或删除对应LED。最后，对光源阵列整体进行细微的调整，使光照度性能达到最优。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.传统布局使用的是大发散角朗伯型LED，而小发散角类高斯型LED相比朗伯型LED具有反射面积小、中心光强度高，中心辐射功率高等优点。与传统布局比较，基于小发散角类高斯型LED的优化布局可在更少数量的LED前提下实现更好的通信性能。类高斯型LED优化布局可有效增加系统的接收光功率、信噪比等，并大幅度降低系统功耗和码间干扰，提高系统的稳定性和可靠性。
2.类高斯型LED发散角较小，其辐射范围为圆形，且辐射面积通常远小于接收平面面积，因此可利用一定数量的LED辐射的小圆形拼成立体空间的形状，例如正方形和长方形等，利用这种辐射形状拼图特点，可以对类高斯型LED光源布局进行优化设计。因此，类高斯型LED优化布局的适应性更好，在各种形状的立体空间中均能达到非常优秀的通信效果。
附图说明
图1为LED光通信基本原理
图2为朗伯型LED照明示意图
图3为类高斯型LED照明示意图
图4为类高斯LED阵列模拟方案示意图
图5为立体空间平面模型
图6为LED发射角示意图
图7为小圆形拼成类似正方形
图8为正方形优化布局LED阵列分布
图9为正方形空间1号阵列LED中心法线坐标图；
图10为优化布局与传统布局光照度对比；
图11为优化布局与传统布局接收光功率对比；
图12为优化布局与传统布局信噪比对比。
具体实施方式
下面结合附图与和具体实施方式对本发明作进一步地详细描述；
如图5所示，正方形空间的尺寸的为(长宽高)5m×5m×3m。对正方形空间的光源布局进行优化设计。将5m×5m的接收平面平分成四个小区域，则每个小区域的面积为6.25m2。根据空间的大小，结合各种类高斯型LED的辐射面积，本文决定选用两种类高斯型LED，分别为TO-39封装发散角为15°的LED和2835封装发散角为30°的LED。根据两种LED的光照度分布情况，将15°LED用于提高空间最角落处的光照度，将30°LED作为阵列中的主要光源,具体的设计步骤如下：
如图2所示，步骤1：考虑到近距离空间的形状大多为对称的正方形或长方形，为了光源布局设计的简单化，采用对称设计思想。光源布局为四阵列布局方式，将接收平面平分成四个小区域，每个小区域放置一个LED阵列，阵列位于区域正中心。对一个阵列进行设计，其他阵列对称设计，即可得到完整的光源布局。
如图1所示，步骤2：估计单个阵列的LED数量。根据类高斯型LED的辐射面积、光照度分布和室内接收面积等，估计出光源阵列所需的LED数量，再根据估算出的LED数量，设计与空间形状相似的LED阵列样式。空间光照度要求300lx以上，单个30°LED的辐射面积平均光照度为13.97lx，平均光照度达到300lx至少需要21个LED；单个LED的有效辐射面积约为2.71m2，照亮一个小区域至少需要约2.3个LED；理论上，一个小区域光照度满足要求时单个LED阵列至少需要21×2.3＝48.3即49个LED，但考虑到LED斜射的路径损耗和墙面等的吸收，单个阵列最少需要50多个LED。根据计算的LED数量和区域形状，首先设计了7×7的49个30°LED正方形光源阵列，外加1个指向角落的15°LED。然后根据光照度分布，添加适应数量的LED，再进行优化调整，最终得到最优的正方形空间优化布局。
如图6所示，步骤3：调整阵列中LED的发射方向。LED发射角的调整过程为：结合单个阵列LED数量和接收平面区域形状，对光源阵列的形状进行等比例的设计；调整LED发射角，使LED中心法线(x,y)坐标平分接收区域；再根据接收区域光照度分布和光照度均匀性，动态的调整LED发射角，使光照度均匀性尽量高。
如图10所示，步骤4：对LED阵列进行更细致的优化，进而得到最优的光源布局。第一步和第二步设计了大致的光源布局样式，根据其接收区域光照度分布，对阵列进行优化。光照度较低的区域，添加新的LED对其进行光照度补偿；光照度高的地方，调整LED发射角或删除对应LED。最后，对光源阵列整体进行细微的调整，使光照度性能达到最优。
如图3所示，类高斯型LED具有较小的光束发散角，典型的发散角有7°、15°、30°、45°等，小发散角导致其有效照明面积减小，只能照亮有限的空间，相比于朗伯型LED，类高斯型LED在照明方面既有优点也有缺点：优点为因其发散角较小，辐射的光束相对集中，所以辐射的光通量总量相等的情况下，类高斯型LED的中心光照度远远大于朗伯型LED。缺点则是类高斯型LED照明面积有限，单个LED的照明范围严重不足，所以想要照亮全部立体空间，光源阵列所需要的LED个数要多于朗伯型LED；而在通信方面，类高斯型LED因为发散角原因，辐射的光束基本上照射不到空间侧面上，几乎不存在反射导致的非直视链路，因此光电二极管PD接收到的光信号绝大部分来自于直视链路。相比于朗伯型LED，类高斯型LED可大幅度减小光信号接收时延，降低码间干扰，提高系统通信速率，因此其更适用于高速LED光通信系统。
如图4所示，设计类高斯型LED阵列有两个需要特别注意的问题：一是阵列中每个LED的发射方向不能同传统的朗伯型LED阵列一样垂直向下，因为类高斯型LED的小发散角缘故，发射方向垂直向下会导致光源阵列辐射范围有限，无法照亮全部面积，因此需要根据每个LED在光源阵列中的位置相应的调整其发射方向；二是阵列中每个LED的发散角问题。LED的发散角越小，中心光强度越强，且光强的传输损耗与距离的平方成正比。如果所有LED的发散角都相同，因传输距离的原因，会造成空间边缘和光源阵列正下方的光照度相差较大。因此为了尽可能提高接收平面光照度均匀性，应根据LED的传输距离合理的选用相应大小发散角的LED。
如图3所示，基于类高斯型LED的光源阵列中，LED的发射方向和发散角是影响通信性能优劣的两个决定性因素。以最优通信性能、最少LED数量为优化目标，以LED的发射方向和发散角为参数，对类高斯型LED阵列进行设计，具体的设计思路为：首先，确定光源阵列中每个LED的大致发射方向。定义LED发射角为LED中心法线与顶面平面法线的夹角。为了减少光束传输距离，根据LED在阵列中的排列位置，从外到内依次减小发射角，阵列最外侧的LED指向空间边缘，发射角最大，阵列中心的LED垂直向下，发射角最小；其次，确定阵列中每个LED的发散角。阵列中每个LED的发射方向已确定，则光源阵列从外到内LED光束传输距离依次减小，根据传输衰减定律，可以确定LED发散角的变化规律，即阵列从外到内发散角依次增加；最后，以最优通信性能为目标，综合考虑LED发射角、LED发散角、辐射面积等，确定最佳的光源阵列方案。
如图7所示,高斯型LED发散角较小，其辐射范围为圆形，且辐射面积远小于接收平面面积，因此可利用一定数量的LED辐射的小圆形拼成类似正方形的形状。利用这种辐射形状拼图特点，可以对类高斯型LED光源布局进行优化设计。
如图8所示，最终设计的类高斯型LED优化布局详细参数为：单个阵列使用60个LED，其中15°、30°两种LED分别为1个、59个；四个光源阵列的坐标(x,y,z)分别为(1.25,1.25,3)、(3.75,1.25,3)、(1.25,3.75,3)、(3.75,3.75,3)。正方形空间LED阵列分布。
如图9所示,设(x,y,z)坐标为(1.25,1.25,3)的阵列为1号阵列，以1号阵列为例，介绍光源阵列中每个LED的发射方向。1号阵列中59个LED中的49个中心法线(x,y)坐标可用7×7的xrz×yrz矩阵表示，其中xrz＝[0，0.2，0.45，1.1，1.65，2.2，2.5]、yrz＝[0，0.2，0.45，1.1，1.65，2.2，2.5]；4个坐标为(1.25,1.25)；2个坐标分别为(1.25,2.5)、(2.5,1.25)；2个坐标为(0,1.25)；2个坐标为(1.25,0)。1个LED的中心法线坐标为(0,0)。1号阵列LED中心法线(x,y)坐标。其他三个阵列中LED的发射方向与1号阵列呈对称分布。
类高斯型LED优化布局与传统布局的性能对比如下；
如图11所示，传统布局使用的是大发散角朗伯型LED，而小发散角类高斯型LED相比朗伯型LED具有反射面积小、中心光强度高，中心辐射功率高等优点。与传统布局比较，基于小发散角类高斯型LED的优化布局可在更少数量的LED前提下实现更好的通信性能；
类高斯型LED发散角较小，其辐射范围为圆形，且辐射面积通常远小于接收平面面积，因此可利用一定数量的LED辐射的小圆形拼成立体空间的形状，例如正方形和长方形等，利用这种辐射形状拼图特点，可以对类高斯型LED光源布局进行优化设计。
如图12所示，传统布局单个阵列为8×8的阵列，总共使用了256个LED。类高斯型优化布局单个阵列使用60个LED，总共使用240个LED，相比传统布局减少了16个。图10为光照度对比结果；图11为接收光功率对比结果；相比于传统布局，类高斯型LED优化布局平均光照度提高了7.7％，平均接收光功率提高了18.1％，平均信噪比增加了0.87dB，信噪比均方差降低了0.04dB。优化布局还有功耗和系统可靠性等方面的优势。优化布局中使用的LED总数为240个，比传统郎伯型LED布局的256个减少了16个，因此采用优化布局可降低系统的功耗，减缓码间干扰效应，提高近距离LED光通信的可靠性。
对于小发散角LED，根据LED光子辐射机理，确定了小发散角LED的类高斯发光模式，其可表示为：
式中，ai、bi、ci为与LED相对光强度分布有关的常数。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变化。本领域的普通技术员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围内。
