[发明专利]室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法

摘要

本发明公开了一种室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法，设计的目标是采用半球形透镜和光电管阵列，通过计算正方形光电管阵列的边长，实现具有目标视角的成像接收机。由于成像过程的复杂性，成像接收机的设计方法不同于一般的非成像接收机。本发明针对半球形透镜的成像特点，确定成像光斑在接收面的位置，从而计算出实现目标视角所需的光电管阵列接收面大小，完成成像接收机的设计。

主权项

一种室内可见光通信系统中成像接收机的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一：根据实际工作要求选择半径为R，折射率为n的半球形透镜，将所述的半球形透镜的凸面朝下，光电管阵列所处的接收平面位于半球形透镜的下方，接收平面与半球形透镜的平面平行，并设定接收平面与半球形透镜平面的距离为d；步骤二：将需要设计的成像接收机的视角大小表示为ψ，根据ψ、R、n和d，计算得到光电管阵列的尺寸，具体为：步骤2.1)：假设一条光线到达透镜平面的a点，a点的横坐标表示为xa，光线的入射角度等于目标视角大小ψ，光线经过折射后进入透镜，其折射角度表示为α，则α＝arsin(sinψ/n)，光线在透镜中传输到达凸面的b点，b点的横坐标表示为xb，xb可由下式计算：xb=xacos2ψ+sinψR2-xa2cos2ψ---(1)]]>根据全反射定理，当时，光线可以折射出透镜，到达接收面的c点，c点的横坐标表示为xc，xc计算为：xc=-2(nsinψ+Γxb/R)ncosψ+ΓR2-xb2/R(R2-xb2-d)+2xb---(2)]]>其中Γ为中间变量，可以表示为：Γ=[1-n2+n2R2(xbsinψ+R2-xb2cosψ)2]12-nR(xbsinψ+R2-xb2cosψ)---(3)]]>将式(1)xb的表达式代入式(2)，获得xc与xa的关系，记为xc＝f(xa)，将f(xa)关于xa求导，并令其等于零，对上述求导方程式化简获得化简后的结果记为g1(xa)＝0，其中g1(xa)可以表示为：g1(xa)=(n6+n4)(xacosαR)6-3n4(xacosαR)4+2n2[1-(xacosαR)2]32(dRcosα)+n2(dRcosα)2-(dRcosα)2+n2---(4)]]>令xc＝f(xa)的极值点表示为x1，则x1的取值为方程g1(xa)＝0的根，由于g1(0)＜0且且g1(xa)在上单调递增，因此，给定计算精度Δ，x1的值可由二分法确定，具体步骤如下：a、令β1＝R/(ncosα)，β2＝0；b、令计算g1(x1)，如果g1(x1)＞0，则执行c，如果g1(x1)＜0，则执行d，如果g1(x1)＝0，则执行e；c、令β1＝x1，如果|β1‑β2|＜Δ，则执行e，反之，执行b；d、令β2＝x1，如果|β1‑β2|＜Δ，则执行e，反之，执行b；e、输出x1的值；步骤2.2)：将‑x1的值带入式(2)中，计算f(‑x1)的值，当光电管阵列为正方形时，边长计算为：L＝2f(‑x1)   (5)当光电管为圆形时，直径计算为：D＝2f(‑x1)     (6)；步骤三：将步骤二计算获得的光电管阵列置于所述半球形透镜的正下方接收平面上，封装构成成像接收机。