面向測(cè)量和通信的光技術(shù)及應(yīng)用

面向測(cè)量和通信的光技術(shù)及應(yīng)用概要激光技術(shù)在電力、公安與安全、機(jī)器人及無(wú)人駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用LED可見(jiàn)光通信關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用案例（一）激光三維掃描雷達(dá)在機(jī)器人及無(wú)人駕駛系統(tǒng)中應(yīng)用激光三維掃描雷達(dá)在軍民領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，可用于導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、月球車(chē)、地形測(cè)繪、機(jī)器人、無(wú)人飛機(jī)及廣義的無(wú)人駕駛系統(tǒng)（一）激光三維掃描雷達(dá)在機(jī)器人及無(wú)人駕駛系統(tǒng)中應(yīng)用案例1：地形測(cè)繪視頻播放（40s）案例2：機(jī)器狗視頻播放（135s）案例3：無(wú)人飛機(jī)視頻播放（155s）案例4：無(wú)人駕駛汽車(chē)視頻播放（200s）Lidarvs.Radar(LightDetectionandRanging)（一）激光三維掃描雷達(dá)在機(jī)器人及無(wú)人駕駛系統(tǒng)中應(yīng)用激光三維掃描雷達(dá)原理:是一種以激光為載波，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡為天線(xiàn)，光電探測(cè)儀為接收器的雷達(dá)。通過(guò)向目標(biāo)發(fā)射激光束，再由雷達(dá)接收器準(zhǔn)確地接收從目標(biāo)反射回來(lái)的信息，通過(guò)對(duì)比發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)之間的差異，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理，從而獲取目標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)：目標(biāo)的相對(duì)距離、相對(duì)速度、絕對(duì)速度、高度、方位角、俯仰角、形狀等信息。優(yōu)點(diǎn)：分辨率高、抗有源干擾能力強(qiáng)、低空探測(cè)性好、體積小、質(zhì)量輕。（一）激光三維掃描雷達(dá)在機(jī)器人及無(wú)人駕駛系統(tǒng)中應(yīng)用激光三維掃描雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù):·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(yùn)動(dòng)失真）·光電探測(cè)器的光電混頻能力·高反射率目標(biāo)信號(hào)處理（避免造成探測(cè)器飽和或損毀）·回波信號(hào)噪聲干擾抑制·環(huán)境自適應(yīng)能力·等等......（二）激光光纖互感器應(yīng)用：遠(yuǎn)距離直流輸電系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：體積小便于集成、成本低、絕緣性好、無(wú)磁飽和現(xiàn)象原理：利用法拉第磁光效應(yīng)原理，線(xiàn)偏振光在光學(xué)晶體中傳播時(shí)，若在平行于光的傳播方向上加一磁場(chǎng)，則光的偏振方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度ψ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光穿越介質(zhì)的長(zhǎng)度d的乘積成正比，即ψ=VBd，比例系數(shù)V稱(chēng)為費(fèi)爾德常數(shù)。CVOCT（Crystal-ValveOpticalCurrentTransformer）晶體光閥光學(xué)電流互感器使用晶體光閥將一次電流信號(hào)調(diào)制成光強(qiáng)信號(hào)，即可準(zhǔn)確測(cè)量一次電流。（二）激光光纖互感器

激光通過(guò)光纖被引入到測(cè)量系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)起偏成為線(xiàn)偏光后被引入到磁光介質(zhì)中，磁光介質(zhì)在磁場(chǎng)影響下使偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，通過(guò)磁光介質(zhì)后的檢偏器可將偏振旋轉(zhuǎn)的角度轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度變化由于導(dǎo)線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)與其承載的電流有確定的關(guān)系，電流和磁場(chǎng)的關(guān)系——安培定律從而通過(guò)分析光強(qiáng)來(lái)測(cè)量電流電流變化產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)晶體磁光閥（磁光調(diào)制功能）光信號(hào)通訊光纖光電轉(zhuǎn)化設(shè)備原始電流信號(hào)提?。ǘ┘す夤饫w互感器前景遠(yuǎn)距離直流輸電工程的光學(xué)電流互感器·國(guó)家特高壓電網(wǎng)建設(shè)戰(zhàn)略開(kāi)始加速推進(jìn)，特高壓直流工程建設(shè)。（三）激光語(yǔ)音捕獲系統(tǒng)激光干涉監(jiān)聽(tīng)技術(shù)，光學(xué)偵察技術(shù)

激光干涉?zhèn)陕?tīng)是一種新型的偵聽(tīng)技術(shù)，在針對(duì)公共安全、安全偵查、反恐等方面的重大需求時(shí)，該技術(shù)手段可有效解決由于事發(fā)地點(diǎn)不確定性，不能將偵聽(tīng)傳感頭預(yù)埋在事發(fā)地，以及正反射激光偵聽(tīng)的對(duì)準(zhǔn)難等諸多問(wèn)題。激光多普勒干涉測(cè)量零差激光干涉法、基于光學(xué)相位調(diào)制和鎖相技術(shù)的抗干擾干涉法、自混頻外差激光振動(dòng)測(cè)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(zhǎng)激光外差干涉法測(cè)量方法等。（三）激光語(yǔ)音捕獲系統(tǒng)漫反射激光語(yǔ)音獲取技術(shù)參數(shù)（樣例）：（三）激光語(yǔ)音捕獲系統(tǒng)基于窄線(xiàn)寬光纖激光器波長(zhǎng)編碼外差干涉?zhèn)陕?tīng)技術(shù)原理框圖雙波長(zhǎng)激光獲取，單一激光器輸出雙波長(zhǎng)脈寬控制與精確光纖延時(shí)外差頻率無(wú)關(guān)解調(diào)算法穩(wěn)定干涉場(chǎng)中雙波長(zhǎng)激光變頻自適應(yīng)解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)：（三）激光語(yǔ)音捕獲系統(tǒng)前景·在安全、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為安全、預(yù)警、反恐等提供強(qiáng)有力保障，為減少災(zāi)難給社會(huì)造成的巨大損失?！ぢ瓷浼す庹Z(yǔ)音獲取技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，還可以打破西方列強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和技術(shù)封鎖，減少裝備購(gòu)置費(fèi)用、增強(qiáng)自力更生的能力和信心，對(duì)提高軍事現(xiàn)代化水平有著重大的作用?！ぢ瓷浼す庹Z(yǔ)音獲取技術(shù)的實(shí)現(xiàn)為各級(jí)指揮員迅速、準(zhǔn)確、全面地掌握敵情、運(yùn)籌帷幄、克敵制勝提供前提條件，對(duì)保障國(guó)家安全、了解國(guó)外經(jīng)濟(jì)、科技動(dòng)態(tài)具有重要意義。概要激光技術(shù)及其在電力、公安與安全、機(jī)器人及無(wú)人駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用LED可見(jiàn)光通信關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用案例LED可見(jiàn)光通信器件簡(jiǎn)介：1、可見(jiàn)光發(fā)射LED器件

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

在一個(gè)芯片上集成了高密度小尺寸LED陣列，像素可定址、單驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮，像素點(diǎn)距從毫米級(jí)降低到微米級(jí)。3、可見(jiàn)光探測(cè)器

傳統(tǒng)硅基探測(cè)器主要在紅外波段敏感，藍(lán)光效率比較低，且隨著距離增大及強(qiáng)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(yīng)InGaN可見(jiàn)光探測(cè)器及其陣列應(yīng)用。LED可見(jiàn)光通信LED可見(jiàn)光通信?調(diào)制方式：·IEEE802.15.7：開(kāi)關(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

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

對(duì)等型和星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?無(wú)閃爍通信的調(diào)光機(jī)制?均衡技術(shù)?信號(hào)恢復(fù)算法技術(shù)優(yōu)勢(shì)1：

調(diào)制方案和調(diào)光支持：可見(jiàn)光譜380-780nm，支持?jǐn)?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(huì)快速耗盡頻譜，用于VLC的帶寬300THz能為短距離提供多個(gè)Gbps的數(shù)據(jù)速率（例如在MIMO方式中使用陣列LED）。LED可見(jiàn)光通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)2：調(diào)光支持調(diào)制引起的光波動(dòng)即光閃爍對(duì)人是不利的最佳的光閃爍頻率應(yīng)＞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(jiàn)光通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(guò)插入補(bǔ)償時(shí)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(guò)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(gè)PHY采用RLL游程長(zhǎng)度限制編碼和信道編碼用于前向糾錯(cuò)(FEC)IEEE802.15.7也提供了類(lèi)似硬判決性能的FEC方法光時(shí)鐘速率：PHYⅠ≤400kHz，汽車(chē)道路行駛照明PHYⅡ≤120MHz，移動(dòng)和手持設(shè)備PHYⅢ≤24MHz，目前基礎(chǔ)設(shè)施LED可見(jiàn)光通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)4：OOK調(diào)制和調(diào)光方法光的通斷或者強(qiáng)弱（為了維持直流平衡）代表邏輯‘1’或‘0’。FEC：二級(jí)編碼方式，先外編碼，再級(jí)聯(lián)內(nèi)編碼調(diào)光：方法一：重新定義OOK符號(hào)ON、OFF光強(qiáng)更低

恒定的比特率、傳輸范圍縮小、顏色易漂移方法二：強(qiáng)度不變通過(guò)插入補(bǔ)償時(shí)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(jī)失步（補(bǔ)償時(shí)間過(guò)長(zhǎng)）LED可見(jiàn)光通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(shí),VPPM與2-PPM類(lèi)似。VPPM脈沖占空比的變化對(duì)應(yīng)所要求的調(diào)光電平VPPM模式發(fā)射機(jī)4B6B將4位隨機(jī)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(wú)關(guān)，調(diào)光時(shí)，傳輸距離取決于調(diào)光電平LED可見(jiàn)光通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(lán)色LED和黃色熒光體產(chǎn)生（響應(yīng)慢，帶寬窄）2、同步激勵(lì)紅、綠、藍(lán)LED產(chǎn)生（CSK使用）CSK類(lèi)似于移頻鍵控MFSKIEEE802.15.7的7個(gè)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(wèn)題較低光學(xué)時(shí)鐘頻率上使用高階調(diào)制實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率LED可見(jiàn)光通信挑戰(zhàn)：專(zhuān)用集成芯片非常缺乏芯片集成度、LED信號(hào)發(fā)射驅(qū)動(dòng)、前端芯片的信號(hào)處理、后端芯片的信號(hào)恢復(fù)對(duì)于VLC,信道模型目前沒(méi)有被更好地提出，尤其戶(hù)外非視線(xiàn)(NLOS)環(huán)境。VLC信道模型和平臺(tái)是目前研究的熱點(diǎn)，支持VLC的光源網(wǎng)絡(luò)化和升級(jí)目前的基礎(chǔ)設(shè)施也是一個(gè)挑戰(zhàn)。LED可見(jiàn)光通信挑戰(zhàn)（續(xù)1）：視線(xiàn)LoS:可見(jiàn)光無(wú)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(zhuān)用于VLC的LED光源價(jià)格昂貴，現(xiàn)有用于照明的LED可以考慮實(shí)現(xiàn)VLC。多徑衰落:由于寬波束發(fā)射會(huì)引起多徑衰落，碼間干擾ISI會(huì)影響VLC系統(tǒng)性能。環(huán)境光干擾:當(dāng)寬波束發(fā)射時(shí),環(huán)境光干擾會(huì)出現(xiàn)在VLC中。白天時(shí)環(huán)境光變化造成低信噪比。LED可見(jiàn)光通信挑戰(zhàn)（續(xù)2）：?jiǎn)蜗蛲ㄐ?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(xué)隔離，也可時(shí)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(shí)，光源需要打開(kāi)。需要照明正常開(kāi)啟的區(qū)域，VLC通信是無(wú)代價(jià)的。有些區(qū)域,燈應(yīng)是關(guān)的，如果光源的照度級(jí)低于環(huán)境光的照度級(jí)，用于VLC的光源即使開(kāi)著也不會(huì)注意到，所消耗的功率類(lèi)似于RF傳輸所需的功率。LED可見(jiàn)光通信應(yīng)用案例1、飛行環(huán)境中基于閱讀燈可見(jiàn)光通信VLC系統(tǒng)LED可見(jiàn)光通信應(yīng)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(jiàn)光通信

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