基于激光识读的室内点光源布局设计

郑善良

(福州软件职业技术学院 游戏产业学院,福州 350000)

可见光通信技术以半导体技术和光通信技术为基础,是无线通信领域中的一个研究热点。研究人员已经验证白光等作为室内可见光通信设备的可行性,并对光源系统的通信性能进行了分析。在考虑通信视距的前提下,可见光系统需要从照明和接收信号两个角度中分析光源变化对接收机的影响,因此必须要设计一个室内光源的布局方式。由于室内可见光系统在满足通信要求的同时,必须具有一定的照明效果,为实现一定区间内的可见光通信系统,在光源布局和每个光源的亮度设计时,均需要进行仔细考虑[1]。其中,较为主要的是光照强度的均匀程度,即室内的最强光照与最弱光照的位置差,以及光照度的差值。一般来说光照度越均匀,用户在室内移动时能够感受到的明暗变化就越不明显,可以达到节约能源和保护环境的作用,也可以保证用户正常使用。

激光技术具有高效和无污染等特点,在产品识别和控制等应用上被广泛使用,通过激光延伸了一些刻印以及识别技术,均可以在不同的行业内完成设计要求。随着激光的发展,在人们的生产和生活中,一种新型的高科技产物被发明,并伴随相关产业的快速发展,激光技术的应用范围更加广泛[2]。在某些材料的生产中可以通过激光技术完成切割,也可以通过激光进行特殊标记刻印等,以激光识别技术为例,其能够在单色波长或是同调平行光束下,以快速移动的高密度激光束形成定位作用,对需要标定的事物进行定位和追踪。由此可知,根据激光识读的过程能够对室内的光源点进行布置,实现高效且准确的光源布局设计。本文以激光识读为技术基础,研究室内点光源的布局方法。

在室内可见光通信系统中,信号的发射端会有多个LED灯阵,原始的信号通过调制后,再通过LED列阵进行敏感变化,以此发送不同的光功率[3-5]。现阶段LED灯阵由白灯组成,不会产生干涉现象,直接作为一个整体信号源,为保证室内的光源均匀分布,给出信道增益情况:

(1)

式中:M(0)为信道增益,表示功率接收和发射之间的关系;N为朗伯辐射指数,描述光源方向;B为光电接收面积;V0是光源接收距离;α为辐照度角;C0、L为光滤波器和光汇聚器的增益;β0、β为接收视场角和入射角[6-8]。

当加入墙面反射时,可以将接收器收的总功率分为两个部分:

(2)

式中:LED″为总室内所有LED灯;K1为单个灯的功率;KC为灯到光滤波器的功率;WALLS为墙壁的全部反射[9];M0(0)为直射信道增益;M1(0)为反射信道增益。带入公式(1):

(3)

式中:WALLS1为反射微元,默认墙壁为石灰墙,设定系数为0.8;V1为光源到反射点的距离;V2为反射点到接收机的距离;χ为反射系数;ε、φ为反射点到灯和接收机的角度。光源信道反射路径如图1所示。

图1 光源信道反射路径

在光源所在信道中,能够对单个光源的照明情况进行分析,并引入房屋结构模型,综合LED灯的照明角度,划分光源分布位置。

常规模式下可见光的通信系统房间,会被看做为一个5 m×5 m×3 m的长方体,以传统的“四灯模型”为基础,划分房屋光源分布位置。

“四灯模型”是假设房间内只有四盏灯,并根据每盏灯的位置、颜色、光强等参数计算出物体表面上每个点的光照效果。模型计算包括环境反射、漫反射和镜面反射三个部分,其中环境反射和漫反射是光线撞击物体表面后散射到周围环境中的光线,镜面反射是光线撞击物体表面后沿着同一角度反射出去的光线。

将房间状态用仅包含0和1的数据值矩阵表示,按照两种情况进行划分,当房屋内存在障碍物时,不考虑额外反射效果,建立10×10矩阵[10]。

(4)

式中:J为房屋内存在障碍物时光源位置的划分矩阵;数字“1”表示需要通信的位置;数字“0”表示障碍物位置或不属于房间的部分[11]。以划分位置情况,采用三角测量法计算室内光源距离。

以LED阵列作为信号发射光源,需要对像素点进行调制,以此完成空间信道中的信号传输,当接收端传入信息时,可以对获取的图像进行处理,并对每个灯源定位,保证室内光源的照明强度[12-15]。阵列中任意一个LED照明的距离为:

(5)

式中:H为以“四灯模型”中的传统位置作为参照的照明距离;F1、F2为LED灯距离接收器的距离;D为透镜焦距;G为标定的LED到透镜距离。得到参照点到照明点的距离后,即可实现光源定位。

LED灯发出的可见光是一个全向性的自然光,为获取不同的光照强度,参照上文的光源点,选择3组LED灯,为获取光照目标的具体位置,建立接收距离与光照强度之间的关系,设定为S:

(6)

式中:P为LED灯数量;A为检测次数;对第A次检测,每组灯的角度为φ1,A、φ2,A、φ3,A;I为光照系数。以强度关系对应坐标位置,通过坐标方程求取目标位置,如下:

(7)

通过坐标方程,简化位置结构,光源位置与光照距离如图2所示。结合公式(7),图中目标位置为(X,Y)[16]。3组LED灯的位置为(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3,Y3),对应的照明距离为H1、H2、H3。

图2 光源位置与光照距离

对三组灯源位置关系引入三角测量法,此时三组LED的位置设置为Q(X1,Y1,Z1)、W(X2,Y2,Z2)、E(X3,Y3,Z3),其中Z3=Z2=Z1=R为房屋的室内高度。

当目标测试点的位置为T(X,Y,Z)时,则存在如下关系:

(8)

式中,U1、U2、U3为T(X,Y,Z)到参考点的距离[17]。通过T坐标可以求解线性方程,将公式(8)整理为mn=b,则:

(9)

(10)

(11)

式中:m、b为实际参数所得到的向量,为已知状态;n为未知量。只要LED灯不在同一直线位置上,该方程组就会有唯一解。根据求解的位置与光照距离,利用激光识读方式,布局室内的光源点,使其光照能够均匀分布。

激光识读过程中能够通过激光自身的扫描速度以及功率,获取光源与布设位置之间的距离,其中激光功率由其释放的时间和频率组成,扫描速度与矢量步长有关,公式如下:

(12)

(13)

式中:v为激光功率;c1为频率;c2为释放时间;l为扫描速度;k1为有效矢量步长;k2为有效矢量延迟时间[18]。利用高密度能量的激光光束,以产生的能量对应光照强度,通过识读曲线分布情况,设置扫描速度,会出现重叠的部分:

(14)

式中:d为扫描速度与离焦量之比,即d=l/p,其中p为离焦量;j为重叠部分;以曲线绘制激光识读过程,h为半径;a为扫描线间距;s为光源点位。重叠部分可认为是激光能量与灯源交汇处,如下:

(15)

式中:io为激光能源[19];u为光源点散发的能量;t为激光光斑直径。通过判断直径与脉冲能量的关系,对应激光识读中的最大密度量处,将其设置为室内点光源的位置:

(16)

式中:i为激光脉冲能量;直径与脉冲能量之间的关系成为能量密度it。通过光斑的不断变化,能够标记出光源点的位置,而直径会影响能量密度,以密度对应点光源位置,完成室内光源布局[20]。至此,基于激光识别技术,实现了室内点光源的布局方法设计。

4.1 搭建测试环境

以上完成了室内光源的布局方法设计,为验证方法的有效性,采用实验测试的方法进行论证。结合实际参数,通过MATLEB软件设置测试环境,输入房间尺寸的长宽高5 m×5 m×3 m,LED灯的发光强度为120 cd,数量为4个。模拟不同情况下光源的对应位置,房屋LED灯位置如图3所示。

图3 房屋LED灯位置

上图中X坐标为房屋长度、Y坐标为房屋宽度,Z坐标为房屋高度,设置的LED灯具体位置为(1,1,3)、(1,4,3)、(4,1,3)、(4,4,3)。分别按照无反射情况、一次反射情况采用本文方法设置LED灯的分布位置,对应各种条件下的光照度分布情况。

4.2 无反射情况下点光源布局

室内光源分布中,无反射的情况表示为光源直射条件,按照软件中LED位置,显示光照度分布情况,无反射情况下点光源布局光照强度如图4所示。根据图中所示,直接以软件布局位置,在无反射情况下会产生光度差,数值为200 cd,超过了发光强度。

图4 无反射情况下点光源布局光照强度

光度差较大会对工作生活造成影响,采用本文方法重新布局,本文方法应用后无反射时点光源布局如图5所示。利用本文方法重新对LED灯进行布局,光度差数值为90 cd,小于发光强度,符合布局要求,具有实际应用效果。其原因是本文在布局过程中,利用激光识读技术,通过高能量激光光束照射识读,构建了位置预判数学模型,优化了室内光源点布局效果。

图5 本文方法应用后无反射时点光源布局

4.3 一次反射时点光源布局

受室内房屋墙体影响,会出现一次性反射情况,当出现反射时会影响光照度,若光照度较低也会对工作生活造成影响。现有软件中LED灯自身位置坐标下,一次反射时点光源布局光照强度如图6所示。根据图中所示,给出的LED位置条件,出现的光照强度最大值出现在角落处为25 cd,与实际LED灯的光照值相差较大。

图6 一次反射时点光源布局光照强度

采用本文方法进行布局,本文方法应用后一次反射时点光源布局如图7所示。如图通过本文方法重新规划室内点光源,由于存在反射时光照度无法与正常光照点相同,此时最大光照点值为95 cd,实际应用效果较好。

图7 本文方法应用后一次反射时点光源布局

激光识读技术是一种新型的标记工艺,具有无污染和无接触等优势,可以标记图形和文字等信息。本文以此为基础研究了激光识读作用下,室内点光源的设计方法。通过实验测试表明,从激光识读的过程中能够重新对室内光源进行布局,实现高效且准确的光源布局设计,当出现反射时能够提高光照点,当光度差较大时可以缩小差值,应用效果较好。以激光识读为技术基础,研究室内点光源的布局方法,具有实际应用价值。但本研究中仅以少量LED灯作为设定条件,存在不足。后续研究中会增加测试难度,更深层次的分析室内光电源的布局方法,为室内光源的分布提供理论支持。

猜你喜欢点光源光照度光源基于线性变换球面分布的实时间接光泽反射中国图象图形学报(2023年2期)2023-02-21光照度传感器在智能家居照明系统中的应用传感器世界(2022年7期)2022-10-12三种光照度对广西地不容生理生化特性的影响湖北农业科学(2022年12期)2022-07-21夜景工程中点光源阵列媒体立面设计研究福建建筑(2019年11期)2019-12-23光照度对不同产地南方红豆杉幼苗生长发育的影响江苏农业科学(2018年15期)2018-09-10“农地种电”型光伏电站可种植区域光温环境参数研究农业工程技术·温室园艺(2016年9期)2017-04-23绿色光源数学小灵通·3-4年级(2017年3期)2017-04-16两种LED光源作为拟南芥生长光源的应用探究上海农业学报(2017年3期)2017-04-10双相干点光源的空间干涉物理实验(2015年5期)2015-03-14">科技连载：LED 引领第三次照明革命——与传统照明的对比（一）
资源节约与环保(2015年9期)2015-01-27

推荐访问:光源 布局 激光