基于激光識讀的室內(nèi)點光源布局設(shè)計

鄭善良

(福州軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院 游戲產(chǎn)業(yè)學(xué)院,福州 350000)

0 引言

可見光通信技術(shù)以半導(dǎo)體技術(shù)和光通信技術(shù)為基礎(chǔ),是無線通信領(lǐng)域中的一個研究熱點。研究人員已經(jīng)驗證白光等作為室內(nèi)可見光通信設(shè)備的可行性,并對光源系統(tǒng)的通信性能進行了分析。在考慮通信視距的前提下,可見光系統(tǒng)需要從照明和接收信號兩個角度中分析光源變化對接收機的影響,因此必須要設(shè)計一個室內(nèi)光源的布局方式。由于室內(nèi)可見光系統(tǒng)在滿足通信要求的同時,必須具有一定的照明效果,為實現(xiàn)一定區(qū)間內(nèi)的可見光通信系統(tǒng),在光源布局和每個光源的亮度設(shè)計時,均需要進行仔細(xì)考慮[1]。其中,較為主要的是光照強度的均勻程度,即室內(nèi)的最強光照與最弱光照的位置差,以及光照度的差值。一般來說光照度越均勻,用戶在室內(nèi)移動時能夠感受到的明暗變化就越不明顯,可以達到節(jié)約能源和保護環(huán)境的作用,也可以保證用戶正常使用。

激光技術(shù)具有高效和無污染等特點,在產(chǎn)品識別和控制等應(yīng)用上被廣泛使用,通過激光延伸了一些刻印以及識別技術(shù),均可以在不同的行業(yè)內(nèi)完成設(shè)計要求。隨著激光的發(fā)展,在人們的生產(chǎn)和生活中,一種新型的高科技產(chǎn)物被發(fā)明,并伴隨相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,激光技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛[2]。在某些材料的生產(chǎn)中可以通過激光技術(shù)完成切割,也可以通過激光進行特殊標(biāo)記刻印等,以激光識別技術(shù)為例,其能夠在單色波長或是同調(diào)平行光束下,以快速移動的高密度激光束形成定位作用,對需要標(biāo)定的事物進行定位和追蹤。由此可知,根據(jù)激光識讀的過程能夠?qū)κ覂?nèi)的光源點進行布置,實現(xiàn)高效且準(zhǔn)確的光源布局設(shè)計。本文以激光識讀為技術(shù)基礎(chǔ),研究室內(nèi)點光源的布局方法。

1 房間結(jié)構(gòu)模型下劃分光源位置

在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中,信號的發(fā)射端會有多個LED燈陣,原始的信號通過調(diào)制后,再通過LED列陣進行敏感變化,以此發(fā)送不同的光功率[3-5]。現(xiàn)階段LED燈陣由白燈組成,不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象,直接作為一個整體信號源,為保證室內(nèi)的光源均勻分布,給出信道增益情況:

(1)

式中:M(0)為信道增益,表示功率接收和發(fā)射之間的關(guān)系;N為朗伯輻射指數(shù),描述光源方向;B為光電接收面積;V0是光源接收距離;α為輻照度角;C0、L為光濾波器和光匯聚器的增益;β0、β為接收視場角和入射角[6-8]。

當(dāng)加入墻面反射時,可以將接收器收的總功率分為兩個部分:

(2)

式中:LED″為總室內(nèi)所有LED燈;K1為單個燈的功率;KC為燈到光濾波器的功率;WALLS為墻壁的全部反射[9];M0(0)為直射信道增益;M1(0)為反射信道增益。帶入公式(1):

(3)

式中:WALLS1為反射微元,默認(rèn)墻壁為石灰墻,設(shè)定系數(shù)為0.8;V1為光源到反射點的距離;V2為反射點到接收機的距離;χ為反射系數(shù);ε、φ為反射點到燈和接收機的角度。光源信道反射路徑如圖1所示。

圖1 光源信道反射路徑

在光源所在信道中,能夠?qū)蝹€光源的照明情況進行分析,并引入房屋結(jié)構(gòu)模型,綜合LED燈的照明角度,劃分光源分布位置。

常規(guī)模式下可見光的通信系統(tǒng)房間,會被看做為一個5 m×5 m×3 m的長方體,以傳統(tǒng)的“四燈模型”為基礎(chǔ),劃分房屋光源分布位置。

“四燈模型”是假設(shè)房間內(nèi)只有四盞燈,并根據(jù)每盞燈的位置、顏色、光強等參數(shù)計算出物體表面上每個點的光照效果。模型計算包括環(huán)境反射、漫反射和鏡面反射三個部分,其中環(huán)境反射和漫反射是光線撞擊物體表面后散射到周圍環(huán)境中的光線,鏡面反射是光線撞擊物體表面后沿著同一角度反射出去的光線。

將房間狀態(tài)用僅包含0和1的數(shù)據(jù)值矩陣表示,按照兩種情況進行劃分,當(dāng)房屋內(nèi)存在障礙物時,不考慮額外反射效果,建立10×10矩陣[10]。

(4)

式中:J為房屋內(nèi)存在障礙物時光源位置的劃分矩陣;數(shù)字“1”表示需要通信的位置;數(shù)字“0”表示障礙物位置或不屬于房間的部分[11]。以劃分位置情況,采用三角測量法計算室內(nèi)光源距離。

2 三角測量法計算室內(nèi)光源距離

以LED陣列作為信號發(fā)射光源,需要對像素點進行調(diào)制,以此完成空間信道中的信號傳輸,當(dāng)接收端傳入信息時,可以對獲取的圖像進行處理,并對每個燈源定位,保證室內(nèi)光源的照明強度[12-15]。陣列中任意一個LED照明的距離為:

(5)

式中:H為以“四燈模型”中的傳統(tǒng)位置作為參照的照明距離;F1、F2為LED燈距離接收器的距離;D為透鏡焦距;G為標(biāo)定的LED到透鏡距離。得到參照點到照明點的距離后,即可實現(xiàn)光源定位。

LED燈發(fā)出的可見光是一個全向性的自然光,為獲取不同的光照強度,參照上文的光源點,選擇3組LED燈,為獲取光照目標(biāo)的具體位置,建立接收距離與光照強度之間的關(guān)系,設(shè)定為S:

(6)

式中:P為LED燈數(shù)量;A為檢測次數(shù);對第A次檢測,每組燈的角度為φ1,A、φ2,A、φ3,A;I為光照系數(shù)。以強度關(guān)系對應(yīng)坐標(biāo)位置,通過坐標(biāo)方程求取目標(biāo)位置,如下:

(7)

通過坐標(biāo)方程,簡化位置結(jié)構(gòu),光源位置與光照距離如圖2所示。結(jié)合公式(7),圖中目標(biāo)位置為(X,Y)[16]。3組LED燈的位置為(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3,Y3),對應(yīng)的照明距離為H1、H2、H3。

圖2 光源位置與光照距離

對三組燈源位置關(guān)系引入三角測量法,此時三組LED的位置設(shè)置為Q(X1,Y1,Z1)、W(X2,Y2,Z2)、E(X3,Y3,Z3),其中Z3=Z2=Z1=R為房屋的室內(nèi)高度。

當(dāng)目標(biāo)測試點的位置為T(X,Y,Z)時,則存在如下關(guān)系:

(8)

式中,U1、U2、U3為T(X,Y,Z)到參考點的距離[17]。通過T坐標(biāo)可以求解線性方程,將公式(8)整理為mn=b,則:

(9)

(10)

(11)

式中:m、b為實際參數(shù)所得到的向量,為已知狀態(tài);n為未知量。只要LED燈不在同一直線位置上,該方程組就會有唯一解。根據(jù)求解的位置與光照距離,利用激光識讀方式,布局室內(nèi)的光源點,使其光照能夠均勻分布。

3 基于激光識讀布局室內(nèi)光源點

激光識讀過程中能夠通過激光自身的掃描速度以及功率,獲取光源與布設(shè)位置之間的距離,其中激光功率由其釋放的時間和頻率組成,掃描速度與矢量步長有關(guān),公式如下:

(12)

(13)

式中:v為激光功率;c1為頻率;c2為釋放時間;l為掃描速度;k1為有效矢量步長;k2為有效矢量延遲時間[18]。利用高密度能量的激光光束,以產(chǎn)生的能量對應(yīng)光照強度,通過識讀曲線分布情況,設(shè)置掃描速度,會出現(xiàn)重疊的部分:

(14)

式中:d為掃描速度與離焦量之比,即d=l/p,其中p為離焦量;j為重疊部分;以曲線繪制激光識讀過程,h為半徑;a為掃描線間距;s為光源點位。重疊部分可認(rèn)為是激光能量與燈源交匯處,如下:

(15)

式中:io為激光能源[19];u為光源點散發(fā)的能量;t為激光光斑直徑。通過判斷直徑與脈沖能量的關(guān)系,對應(yīng)激光識讀中的最大密度量處,將其設(shè)置為室內(nèi)點光源的位置:

(16)

式中:i為激光脈沖能量;直徑與脈沖能量之間的關(guān)系成為能量密度it。通過光斑的不斷變化,能夠標(biāo)記出光源點的位置,而直徑會影響能量密度,以密度對應(yīng)點光源位置,完成室內(nèi)光源布局[20]。至此,基于激光識別技術(shù),實現(xiàn)了室內(nèi)點光源的布局方法設(shè)計。

4 實驗測試分析

4.1 搭建測試環(huán)境

以上完成了室內(nèi)光源的布局方法設(shè)計,為驗證方法的有效性,采用實驗測試的方法進行論證。結(jié)合實際參數(shù),通過MATLEB軟件設(shè)置測試環(huán)境,輸入房間尺寸的長寬高5 m×5 m×3 m,LED燈的發(fā)光強度為120 cd,數(shù)量為4個。模擬不同情況下光源的對應(yīng)位置,房屋LED燈位置如圖3所示。

圖3 房屋LED燈位置

上圖中X坐標(biāo)為房屋長度、Y坐標(biāo)為房屋寬度,Z坐標(biāo)為房屋高度,設(shè)置的LED燈具體位置為(1,1,3)、(1,4,3)、(4,1,3)、(4,4,3)。分別按照無反射情況、一次反射情況采用本文方法設(shè)置LED燈的分布位置,對應(yīng)各種條件下的光照度分布情況。

4.2 無反射情況下點光源布局

室內(nèi)光源分布中,無反射的情況表示為光源直射條件,按照軟件中LED位置,顯示光照度分布情況,無反射情況下點光源布局光照強度如圖4所示。根據(jù)圖中所示,直接以軟件布局位置,在無反射情況下會產(chǎn)生光度差,數(shù)值為200 cd,超過了發(fā)光強度。

圖4 無反射情況下點光源布局光照強度

光度差較大會對工作生活造成影響,采用本文方法重新布局,本文方法應(yīng)用后無反射時點光源布局如圖5所示。利用本文方法重新對LED燈進行布局,光度差數(shù)值為90 cd,小于發(fā)光強度,符合布局要求,具有實際應(yīng)用效果。其原因是本文在布局過程中,利用激光識讀技術(shù),通過高能量激光光束照射識讀,構(gòu)建了位置預(yù)判數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化了室內(nèi)光源點布局效果。

圖5 本文方法應(yīng)用后無反射時點光源布局

4.3 一次反射時點光源布局

受室內(nèi)房屋墻體影響,會出現(xiàn)一次性反射情況,當(dāng)出現(xiàn)反射時會影響光照度,若光照度較低也會對工作生活造成影響。現(xiàn)有軟件中LED燈自身位置坐標(biāo)下,一次反射時點光源布局光照強度如圖6所示。根據(jù)圖中所示,給出的LED位置條件,出現(xiàn)的光照強度最大值出現(xiàn)在角落處為25 cd,與實際LED燈的光照值相差較大。

圖6 一次反射時點光源布局光照強度

采用本文方法進行布局,本文方法應(yīng)用后一次反射時點光源布局如圖7所示。如圖通過本文方法重新規(guī)劃室內(nèi)點光源,由于存在反射時光照度無法與正常光照點相同,此時最大光照點值為95 cd,實際應(yīng)用效果較好。

圖7 本文方法應(yīng)用后一次反射時點光源布局

5 結(jié)論

激光識讀技術(shù)是一種新型的標(biāo)記工藝,具有無污染和無接觸等優(yōu)勢,可以標(biāo)記圖形和文字等信息。本文以此為基礎(chǔ)研究了激光識讀作用下,室內(nèi)點光源的設(shè)計方法。通過實驗測試表明,從激光識讀的過程中能夠重新對室內(nèi)光源進行布局,實現(xiàn)高效且準(zhǔn)確的光源布局設(shè)計,當(dāng)出現(xiàn)反射時能夠提高光照點,當(dāng)光度差較大時可以縮小差值,應(yīng)用效果較好。以激光識讀為技術(shù)基礎(chǔ),研究室內(nèi)點光源的布局方法,具有實際應(yīng)用價值。但本研究中僅以少量LED燈作為設(shè)定條件,存在不足。后續(xù)研究中會增加測試難度,更深層次的分析室內(nèi)光電源的布局方法,為室內(nèi)光源的分布提供理論支持。