面向测量和通信的光技术及应用

1、面向测量和通信的光技术及应用概要激光技术在电力、公安与安全、机器人及激光技术在电力、公安与安全、机器人及无人驾驶系统中的应用无人驾驶系统中的应用LEDLED可见光通信关键技术和应用案例可见光通信关键技术和应用案例（一）激光三维扫描雷达在机器人及无人驾驶系统中应用激光三维扫描雷达在军民领域有广泛的应用，可用于导弹导引头、月球车、地形测绘、激光三维扫描雷达在军民领域有广泛的应用，可用于导弹导引头、月球车、地形测绘、机器人、无人飞机及广义的无人驾驶系统机器人、无人飞机及广义的无人驾驶系统（一）激光三维扫描雷达在机器人及无人驾驶系统中应用案例案例1：地形测绘视频播放（：地形测绘视频播放（40s）案例案

2、例2：机器狗视频：机器狗视频播放播放（135s）案例案例3：无人飞机视频：无人飞机视频播放播放（155s）案例案例4：无人驾驶汽车视频：无人驾驶汽车视频播放播放（200s）Lidar vs. Radar(Light Detection and Ranging)（一）激光三维扫描雷达在机器人及无人驾驶系统中应用激光三维扫描雷达原理激光三维扫描雷达原理:是一种以激光为载波，光学望远镜为天线，光电探测仪是一种以激光为载波，光学望远镜为天线，光电探测仪为接收器的雷达。为接收器的雷达。通过向目标发射激光束，再由雷达接收器准确地接收从目标反射回来通过向目标发射激光束，再由雷达接收器准确地接收从目标反射回来

3、的信息，通过对比发射信号和反射信号之间的差异，并进行适当的信的信息，通过对比发射信号和反射信号之间的差异，并进行适当的信号处理，从而获取目标的相关数据：目标的相对距离、相对速度、绝号处理，从而获取目标的相关数据：目标的相对距离、相对速度、绝对速度、高度、方位角、俯仰角、形状等信息。对速度、高度、方位角、俯仰角、形状等信息。优点：分辨率高、抗有源干扰能力强、优点：分辨率高、抗有源干扰能力强、 低空探测性好、体积小、质量轻。低空探测性好、体积小、质量轻。（一）激光三维扫描雷达在机器人及无人驾驶系统中应用激光三维扫描雷达关键技术激光三维扫描雷达关键技术:激光器（硬件，材料）激光器（硬件，材料）高性能

4、、高分辨率光电混合焦平面阵列高性能、高分辨率光电混合焦平面阵列高速处理电路（高速成像、高速图像处理器，高速处理电路（高速成像、高速图像处理器， 成像速度慢易造成图像运动失真）成像速度慢易造成图像运动失真）光电探测器的光电混频能力光电探测器的光电混频能力高反射率目标信号处理（避免造成探测器饱和高反射率目标信号处理（避免造成探测器饱和 或损毁）或损毁）回波信号回波信号噪声干扰抑制噪声干扰抑制环境自适应能力环境自适应能力等等等等.（二）激光光纤互感器应用：应用：远距离直流输电系统远距离直流输电系统优点：优点：体积小便于集成、成本低、绝缘性好、无磁饱和现象体积小便于集成、成本低、绝缘性好、无磁饱和现象

5、原理：原理：利用利用法拉第磁光效应法拉第磁光效应原理，线偏振光在光学晶体中传播时，若在平行于光的传原理，线偏振光在光学晶体中传播时，若在平行于光的传 播方向上加一磁场，则光的偏振方向将发生偏转，偏转角度播方向上加一磁场，则光的偏振方向将发生偏转，偏转角度与磁感应强度与磁感应强度B 和光穿越介质的长度和光穿越介质的长度d的乘积成正比，即的乘积成正比，即=VBd，比例系数，比例系数V称为费尔德常数。称为费尔德常数。CVOCT（Crystal-Valve Optical Current Transformer）晶体光阀光学电流互感器使用晶体）晶体光阀光学电流互感器使用晶体光阀将一次电流信号调制成光强

6、信号，即可准确测量一次电流。光阀将一次电流信号调制成光强信号，即可准确测量一次电流。（二）激光光纤互感器 激光通过光纤被引入到测量系统中，经过起偏成为线偏光后被引入到磁光介质中，磁光介质在磁场影响下使偏振光的偏振面发生旋转，通过磁光介质后的检偏器可将偏振旋转的角度转换为光强度变化 由于导线周围的磁场与其承载的电流有确定的关系，电流和磁场的关系安培定律 从而通过分析光强来测量电流电流变电流变化产生化产生的磁场的磁场信号信号晶体磁光阀晶体磁光阀（磁光调制功能）（磁光调制功能）光光信信号号通讯光纤通讯光纤光电光电转化转化设备设备原始原始电流电流信号信号提取提取（二）激光光纤互感器前景前景远距离直流输

7、电工程的光学电流互感器远距离直流输电工程的光学电流互感器国家特高压电网建设战略开始加速推进，特高压直流工程建设。国家特高压电网建设战略开始加速推进，特高压直流工程建设。（三）激光语音捕获系统激光干涉监听技术，光学侦察技术激光干涉监听技术，光学侦察技术 激光干涉侦听是一种新型的侦听技术，在针对公共安全、安全侦查、反恐等方面激光干涉侦听是一种新型的侦听技术，在针对公共安全、安全侦查、反恐等方面的重大需求时，该技术手段可有效解决由于事发地点不确定性，不能将侦听传感头预的重大需求时，该技术手段可有效解决由于事发地点不确定性，不能将侦听传感头预埋在事发地，以及正反射激光侦听的对准难等诸多问题。埋在事发地

8、，以及正反射激光侦听的对准难等诸多问题。激光多普勒干涉测量激光多普勒干涉测量零差激光干涉法、基于光学相零差激光干涉法、基于光学相位位调制和锁相技术的抗干扰干涉法、自混频外差激调制和锁相技术的抗干扰干涉法、自混频外差激光振动测量、激光光源电流调制法、声光调制器（光振动测量、激光光源电流调制法、声光调制器（AOM）外差干涉法、双波长激）外差干涉法、双波长激光外差干涉法测量方法等。光外差干涉法测量方法等。（三）激光语音捕获系统漫反射激光语音获取漫反射激光语音获取技术参数（样例）：技术参数（样例）：（三）激光语音捕获系统基于窄线宽光纤激光器波长编码外差干涉侦听技术原理框图基于窄线宽光纤激光器波长编码外

9、差干涉侦听技术原理框图双波长激光获取，单一激光双波长激光获取，单一激光器输出双波长器输出双波长脉宽控制与精确光纤延时脉宽控制与精确光纤延时外差频率无关解调算法外差频率无关解调算法稳定干涉场中双波长激光变频稳定干涉场中双波长激光变频自适应解调自适应解调关键技术：关键技术：（三）激光语音捕获系统前景前景在安全、航天、医疗等领域的广泛应用，为安全、预警、反恐等提供强有力保障，在安全、航天、医疗等领域的广泛应用，为安全、预警、反恐等提供强有力保障，为减少灾难给社会造成的巨大损失。为减少灾难给社会造成的巨大损失。漫反射激光语音获取技术的实现，还可以打破西方列强的技术优势和技术封锁，漫反射激光语音获取技术

10、的实现，还可以打破西方列强的技术优势和技术封锁，减少装备购置费用、增强自力更生的能力和信心，对提高军事现代化水平有着重减少装备购置费用、增强自力更生的能力和信心，对提高军事现代化水平有着重大的作用。大的作用。漫反射激光语音获取技术的实现为各级指挥员迅速、准确、全面地掌握敌情、运漫反射激光语音获取技术的实现为各级指挥员迅速、准确、全面地掌握敌情、运筹帷幄、克敌制胜提供前提条件，对保障国家安全、了解国外经济、科技动态具筹帷幄、克敌制胜提供前提条件，对保障国家安全、了解国外经济、科技动态具有重要意义。有重要意义。概要激光技术及其在电力、公安与安全、机器人及无人驾驶系统中的应用LEDLED可见光通信关

11、键技术和应用案例可见光通信关键技术和应用案例LEDLED可见光通信可见光通信器件简介：器件简介：1、可见光发射、可见光发射LED器件器件 主流传统照明（蓝光激发黄色荧光粉型白光主流传统照明（蓝光激发黄色荧光粉型白光LED）的响应缓慢限制带宽（）的响应缓慢限制带宽（10dB带宽带宽 不到不到20MHz）。）。2、新型、新型Micro-LED器件器件 在一个芯片上集成了高密度小尺寸在一个芯片上集成了高密度小尺寸LED阵列，像素可定址、单驱动点亮，像素点距阵列，像素可定址、单驱动点亮，像素点距 从毫米级降低到微米级。从毫米级降低到微米级。3、可见光探测器、可见光探测器 传统硅基探测器主要在红外波段敏

12、感，蓝光效率比较低，且随着距离增大及强烈背传统硅基探测器主要在红外波段敏感，蓝光效率比较低，且随着距离增大及强烈背 景噪声和电路固有噪声影响效果不佳；景噪声和电路固有噪声影响效果不佳； 新型高灵敏度、带通光谱响应新型高灵敏度、带通光谱响应InGaN可见光探测器及其阵列应用。可见光探测器及其阵列应用。LEDLED可见光通信可见光通信LEDLED可见光通信可见光通信 调制方式：调制方式：IEEE 802.15.7：开关键控（开关键控（OOK）单光源，PHY、PHY 可变脉冲位置调制（可变脉冲位置调制（VPPM）单光源，PHY、PHY 移色（移频）键控（移色（移频）键控（CSK）多光源，PHY 拓扑

13、结构：拓扑结构： IEEE 802.15.7： 11.67kbps-96Mbps室内外应用支持室内外应用支持 对等型对等型和和星型星型拓扑结构拓扑结构 无闪烁通信的调光机无闪烁通信的调光机制制 均衡技术均衡技术 信号恢复算法信号恢复算法技术优势技术优势1 1： 调制方案和调光支持：可见光谱调制方案和调光支持：可见光谱380-780 nm，支持数据速率，支持数据速率96Mbps，6GHz以下传统以下传统RF通信用于高速数据通信会快速耗尽频谱，用于通信用于高速数据通信会快速耗尽频谱，用于VLC的带宽的带宽300THz能为短距离提供多个能为短距离提供多个Gbps的数据速率（例如在的数据速率（例如在M

14、IMO方式中使用阵列方式中使用阵列LED）。）。LEDLED可见光通信可见光通信技术优势技术优势2 2：调光支持调光支持调制引起的光波动即光闪烁对人是不利的调制引起的光波动即光闪烁对人是不利的最佳的光闪烁频率应最佳的光闪烁频率应200Hz，即最大闪烁周期，即最大闪烁周期MFTP5msVLC的调制处理在数据帧内和帧间不能引起任何明显的闪烁的调制处理在数据帧内和帧间不能引起任何明显的闪烁LEDLED可见光通信可见光通信技术优势技术优势3 3：IEEE 802.15.7提供三种方式提供三种方式VLC.PHY：11.67kbps-266.6kbps，单光源，支持，单光源，支持OOK和和VPPMVLC.

15、PHY：1.25Mbps-96Mbps，单光源，支持单光源，支持OOK和和VPPMVLC.PHY ：12Mbps-96Mbps，不同频率（颜色）多光源，使用，不同频率（颜色）多光源，使用CSK调光条件下，使用调光条件下，使用OOK调制通过插入补偿时间提供恒定的调光范围和可变的调制通过插入补偿时间提供恒定的调光范围和可变的数据速率，而数据速率，而VPPM通过调节脉冲宽度形成固定的数据速率和可变调光范围通过调节脉冲宽度形成固定的数据速率和可变调光范围每个每个PHY采用采用RLL游程长度限制编码和信道编码用于前向纠错游程长度限制编码和信道编码用于前向纠错(FEC)IEEE 802.15.7也提供了类

16、似硬判决性能的也提供了类似硬判决性能的FEC方法方法光时钟速率：光时钟速率：PHY 400kHz，汽车道路行驶照明，汽车道路行驶照明 PHY 120MHz，移动和手持设备，移动和手持设备 PHY 24MHz，目前基础设施，目前基础设施LEDLED可见光通信可见光通信技术优势技术优势4 4：OOK调制和调光方法调制和调光方法光的光的通断通断或者或者强弱强弱（为了维持直流平衡）代表逻辑（为了维持直流平衡）代表逻辑1或或0。FEC：二级编码方式，先外编码，再级联内编码二级编码方式，先外编码，再级联内编码调光：方法一：重新定义调光：方法一：重新定义OOK符号符号ON 、OFF光强更低光强更低 恒定的比

17、特率、传输范围缩小、颜色易漂移恒定的比特率、传输范围缩小、颜色易漂移 方法二：强度不变通过插入补偿时间改变波形的平均占空比方法二：强度不变通过插入补偿时间改变波形的平均占空比 恒定的传输范围恒定的传输范围、比特率比特率较低、接收机失步（补偿时间过长）较低、接收机失步（补偿时间过长）LEDLED可见光通信可见光通信技术优势技术优势5 5：VPPM调制和调光方法调制和调光方法改变脉冲位置。占空比改变脉冲位置。占空比（脉冲宽度）（脉冲宽度）50%时时, VPPM与与2-PPM类似。类似。VPPM脉冲占空比的变化对脉冲占空比的变化对应应所要求的调光电平所要求的调光电平VPPMVPPM模式发射机模式发射

18、机4B6B将4位随机比特编码为6位比特直流平衡码,即6位比特中0和1的数目都等于3。比特率恒定与调比特率恒定与调光电平无关，调光时，传输距离光电平无关，调光时，传输距离取决于调光电平取决于调光电平LEDLED可见光通信可见光通信技术优势技术优势6 6：CSK调制和调光方法调制和调光方法PHYPHY的的CSKCSK系统框图系统框图两种产生白色两种产生白色LED光的方法：光的方法：1、蓝色、蓝色LED和黄色荧光体产生（响应和黄色荧光体产生（响应慢，带宽窄）慢，带宽窄）2、同步激励红、绿、蓝、同步激励红、绿、蓝LED产生产生（CSK使用）使用）CSK类似于移频键控类似于移频键控MFSKIEEE 80

19、2.15.7的的7个颜色带划分个颜色带划分由由CIE1931定义定义所有所有CSK光源总功率恒定光源总功率恒定不存在因幅度变化的闪烁问题不存在因幅度变化的闪烁问题较低光学时钟频率上使用高阶调制实较低光学时钟频率上使用高阶调制实现高数据速率现高数据速率LEDLED可见光通信可见光通信挑战：挑战：专用集成芯片非常缺乏专用集成芯片非常缺乏芯片集成度、芯片集成度、LED信号发射驱动、前端芯片的信号处理、后端芯片的信号恢复信号发射驱动、前端芯片的信号处理、后端芯片的信号恢复对于对于VLC,信道模型目前没有被更好地提出，尤其户外非视线信道模型目前没有被更好地提出，尤其户外非视线(NLOS)环境。环境。VL

20、C信道模型和平台是目前研究的热点，支持信道模型和平台是目前研究的热点，支持VLC的光源网络化和升级目前的光源网络化和升级目前的基础设施也是一个挑战。的基础设施也是一个挑战。LEDLED可见光通信可见光通信挑战（续挑战（续1 1）：）：视线视线LoS : 可见光无法穿透物体可见光无法穿透物体,只能被反射，反射吸收大量的能量，只能被反射，反射吸收大量的能量， 其覆盖性和安全性不足。其覆盖性和安全性不足。发射源发射源: 专用于专用于VLC的的LED光源价格昂贵，现有用于照明的光源价格昂贵，现有用于照明的LED可以考虑实现可以考虑实现VLC。多径衰落多径衰落: 由于宽波束发射会引起多径衰落，码间干扰由

21、于宽波束发射会引起多径衰落，码间干扰ISI会影响会影响VLC系统性能。系统性能。环境光干扰环境光干扰: 当宽波束发射时当宽波束发射时, 环境光干扰会出现在环境光干扰会出现在VLC中。中。 白天时环境光变化造成低信噪比。白天时环境光变化造成低信噪比。LEDLED可见光通信可见光通信挑战（续挑战（续2 2）：）：单向通信单向通信: VLC数据传输单向可以。数据传输单向可以。 利用不同的方式可提供上、下链路之间的隔离利用不同的方式可提供上、下链路之间的隔离 例如空间、光学隔离，也可时分、码分、波分。例如空间、光学隔离，也可时分、码分、波分。 也可以下行链路使用也可以下行链路使用VLC(高速高速)，而上行链路使用，而上行链路使用IR(红外红外)式式Wi-Fi。灯光灯光: VLC传输时，光源需要打开。传输时，光源需要打开。 需要照明正常开启的区域，需要照明正常开启的区域，VLC通信是无代价的。通信是无代价的。 有些区域有些区域,灯应是关的，如果光源的照度级低于环境光的照度级，灯应是关的，如果光源的照度级低于环境光的照度级， 用于用于VLC的光的光 源即使开着也不会注意到，源即使开着也不会注意到，