基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，系统包括发送装置和接收装置；其中，发送装置包括低频跟踪光源、高频通信光源、高频通信光源前端的信号采集与处理模块、低频信号生成模块以及直流偏置模块；接收装置包括高帧率相机、高速图像处理模块、位置信号处理模块、电机控制模块、电机、电机驱动模块、两轴旋转台、光接收模块、模数转换模块以及数据恢复模块。该系统可以实现收发端的快速准确对准，提高可见光通信链路的稳定性，增大光信号接收视场范围，减小干扰，克服点到点可见光通信链路收发端动态移动情况下收发端瞄准误差的影响和信噪比波动的影响，提高传输速率，实现复杂背景、收发端动态移动环境下的可见光通信。

High speed light source recognition, tracking and alignment system based on wireless optical communication

The invention discloses a high-speed light source identification, tracking and alignment system based on wireless optical communication, which comprises a transmitting device and a receiving device, wherein the transmitting device comprises a low-frequency tracking light source, a high-frequency communication light source, a signal acquisition and processing module at the front end of a high-frequency communication light source, a low-frequency signal generation module and a direct current. The receiving device includes a high frame rate camera, a high-speed image processing module, a position signal processing module, a motor control module, a motor, a motor drive module, a two-axis rotary table, an optical receiving module, an analog-to-digital conversion module and a data recovery module. The system can realize the fast and accurate alignment of the transmitter and the receiver, improve the stability of the visible light communication link, enlarge the receiving field of view of the optical signal, reduce the interference, overcome the influence of the aiming error and the fluctuation of the signal-to-noise ratio of the transmitter and the receiver under the condition of the dynamic movement of the transmitter and the receiver of the point-to-point visible light communication link, and improve the transmission rate. Now we have complex background and visible light communication in mobile terminal environment.

【技术实现步骤摘要】
基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统
本专利技术涉及光通信
，尤其涉及一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统。
技术介绍
可见光信号接收方式主要有利用光电探测器和图像传感器接收。通过使用透镜增加接收信息强度，但同时也减小了接收视场角。常见的可见光通信应用中，多是收发端静止或移动性极小，在动态移动环境中，收发端的动态移动会引起瞄准误差及信噪比的波动，从而影响通信质量。目前，收发端相对移动的可见光通信的方案主要利用步进电机和/或图像传感器来检测与瞄准光源；然而，既有方案图像处理速度较慢、电机瞄准速度慢、电机瞄准响应频率低、瞄准精度差，且复杂背景下目标光源的识别极易受到反射、遮挡的影响，因此，通过算法设计及机械设计来增强光源识别的鲁棒性、加速图像的处理速度、加快瞄准速度、加大瞄准精度，对于实现收发端移动情况下的高速视距光通信是很有意义的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，可以增强光源识别的鲁棒性、加速图像的处理速度、加快瞄准速度、加大瞄准精度，实现无线光通信光源的快速识别、跟踪与对准，从而实现收发端移动情况下的高速视距无线光通信。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，包括：发送装置与接收装置；所述发送装置中包括：用于发送低频跟踪信号光的低频跟踪光源、用于发送高频通信信号光的高频通信光源，以及设置于高频通信光源前端的信号采集与处理模块；所述接收装置中包括：用于拍摄包含低频跟踪光源场景图像的高帧率相机、用于从高帧率相机拍摄图像中获得目标光源位置的高速图像处理模块、用于对目标光源位置进行处理的位置信号处理模块、用于根据位置信号处理模块的处理结果确定电机控制方式的电机控制模块、用于根据电机控制模块的输出结果生成电机运行所需要的工作电压、工作电流及脉冲信号的电机驱动模块、用于根据电机驱动模块的输出控制两轴旋转台旋转的电机、用于接收高频通信信号光的光接收模块，以及用于对光接收模块输出结果实现数据恢复的数据恢复模块；其中，所述高帧率相机与光接收模块均设置于两轴旋转台上。所述发送装置中的信号采集与处理模块包括：信息信号生成模块、数模转换模块、放大均衡模块以及直流偏置模块；其中：所述信息信号生成模块，用于采集与生成用户待发送业务的数字信号；所述数模转换模块，用于将所述数字信号转换为模拟信号；所述放大均衡模块，用于将所述模拟信号进行放大及均衡，获得高频通信信号；所述直流偏置模块，用于在高频通信信号上加上直流偏置电压，并传输给高频通信光源；所述直流偏置电压用于为高频通信光源提供直流工作电压。所述发送装置中还包括：低频信号生成模块，用于生成光源检测所需要的低频方波信号，还用于为低频跟踪光源提供工作电压。所述高速图像处理模块在FPGA开发平台上实现，其包括：高速图像采集模块、高速图像缓存模块、图像差分模块、图像预处理模块、光源检测模块、光源筛选模块，其中：所述高速图像采集模块，用于将高帧率相机拍摄的图像进行并串转换，由并行像素流转换为串行像素流；所述高速图像缓存模块，用于缓存所述高速图像采集模块最新转换后的两帧图像；所述图像差分模块，用于将高速图像缓存模块中的两帧图像进行差分，以检测两帧图像中亮度发生变化的区域；所述图像预处理模块，用于对图像差分模块的图像差分结果进行预处理；所述光源检测模块，用于在处理后的图像中实时检测可能存在的多个光斑，并统计每一个光斑的相关信息；所述光源筛选模块，用于根据每一个光斑的相关信息按照给定规则进行筛选，最终得到目标光源位置。所述对图像差分模块的图像差分结果进行预处理包括：依次执行的图像二值化、图像滤波、图像腐蚀膨胀与图像边缘提取处理。所述位置信号处理模块在FPGA开发平台上实现，其包括：光源位置记录和速度计算模块、异常光源位置滤除模块以及光源位置延迟预补偿模块；其中：所述光源位置记录和速度计算模块，用于存储光源位置，并利用前N帧图像中的目标光源位置求导求得光源在图像中的运动速度；所述异常光源位置滤除模块，用于通过比较瞬时速度与前N帧图像中目标光源的平均速度来剔除异常光源，并对异常光源的位置用预测值进行代替；所述光源位置延迟预补偿模块，用于对系统的处理时延及跟踪时延进行估计，对系统产生的时延进行滞后预补偿。所述电机控制模块包括：电机启停控制模块以及电机运行速度和方向控制模块，其中：所述电机启停控制模块，用于控制启动或停止电机运行；所述电机运行速度和方向控制模块用于控制电机的运行速度和旋转方向。所述光接收模块包括：光学天线及光电探测器，其中：所述光学天线，用于对高频通信信号光进行汇聚；所述光电探测器，用于将探测到的高频通信信号光转换为电信号。所述两轴旋转台在电机驱动下旋转，带动所述高帧率相机及光接收模块对应瞄准低频跟踪光源与高频通信光源；所述两轴旋转台由两个垂直放置的单轴旋转台构成，实现沿z轴和y轴方向的旋转；所述两轴旋转台与所述电机之间用螺旋弹性联轴器连接，对光源运动点迹进行机械滤波。所述接收装置中还包括：模数转换模块，用于将光接收模块输出的模拟信号转换为数字信号后传输给数据恢复模块。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，上述系统可以实现收发端的快速准确对准，提高可见光通信链路的稳定性，增大光信号接收视场范围，减小干扰，克服点到点可见光通信链路收发端动态移动情况下收发端瞄准误差的影响和信噪比波动的影响，提高传输速率，实现复杂背景、收发端动态移动环境下的可见光通信。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供的一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统的示意图；图2为本专利技术实施例提供的低频跟踪光源、高频通信光源、高帧率相机、光接收模块、两轴旋转台结构示意图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。在可见光通信领域，常用的可见光信号接收方式主要有两种：直接利用光电探测器接收及图像传感器接收，这两种方式都可以选择性地使用透镜。直接利用光电探测器接收的方式常用于收发端不移动或移动性较小、短距离的可见光通信应用中，比如智能家居、灯光上网等一些室内应用。由于通信距离近、光强强度大、移动性小，这些都不需要收端对发端的准确瞄准。为了提升传输速率、延长通信距离，通常选择在光电探测器前加光学天线的方式来接收光信号，这样也使得接收端的视场角变窄，灵活性变差。在光MIMO、LED阵列探测或视场角要求比较大、通信速率要求不高的可见光通信应用场景中，通常选择用图像传感器来对光信号进行接收。在一些背景复杂的动态移动环境中，比如车-车、车-交通灯的可见光通信，收发端的相对移动会引起接收角度和光强的变化，导致瞄准误差和信噪比波动，影响通信性能。为了建立点到点高速视距本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，其特征在于，包括：发送装置与接收装置；所述发送装置中包括：用于发送低频跟踪信号光的低频跟踪光源、用于发送高频通信信号光的高频通信光源，以及设置于高频通信光源前端的信号采集与处理模块；所述接收装置中包括：用于拍摄包含低频跟踪光源场景图像的高帧率相机、用于从高帧率相机拍摄图像中获得目标光源位置的高速图像处理模块、用于对目标光源位置进行处理的位置信号处理模块、用于根据位置信号处理模块的处理结果确定电机控制方式的电机控制模块、用于根据电机控制模块的输出结果生成电机运行所需要的工作电压、工作电流及脉冲信号的电机驱动模块、用于根据电机驱动模块的输出控制两轴旋转台旋转的电机、用于接收高频通信信号光的光接收模块，以及用于对光接收模块输出结果实现数据恢复的数据恢复模块；其中，所述高帧率相机与光接收模块均设置于两轴旋转台上。

【技术特征摘要】
1.一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，其特征在于，包括：发送装置与接收装置；所述发送装置中包括：用于发送低频跟踪信号光的低频跟踪光源、用于发送高频通信信号光的高频通信光源，以及设置于高频通信光源前端的信号采集与处理模块；所述接收装置中包括：用于拍摄包含低频跟踪光源场景图像的高帧率相机、用于从高帧率相机拍摄图像中获得目标光源位置的高速图像处理模块、用于对目标光源位置进行处理的位置信号处理模块、用于根据位置信号处理模块的处理结果确定电机控制方式的电机控制模块、用于根据电机控制模块的输出结果生成电机运行所需要的工作电压、工作电流及脉冲信号的电机驱动模块、用于根据电机驱动模块的输出控制两轴旋转台旋转的电机、用于接收高频通信信号光的光接收模块，以及用于对光接收模块输出结果实现数据恢复的数据恢复模块；其中，所述高帧率相机与光接收模块均设置于两轴旋转台上。2.根据权利要求1所述的一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，其特征在于，所述发送装置中的信号采集与处理模块包括：信息信号生成模块、数模转换模块、放大均衡模块以及直流偏置模块；其中：所述信息信号生成模块，用于采集与生成用户待发送业务的数字信号；所述数模转换模块，用于将所述数字信号转换为模拟信号；所述放大均衡模块，用于将所述模拟信号进行放大及均衡，获得高频通信信号；所述直流偏置模块，用于在高频通信信号上加上直流偏置电压，并传输给高频通信光源；所述直流偏置电压用于为高频通信光源提供直流工作电压。3.根据权利要求1或2所述的一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，其特征在于，所述发送装置中还包括：低频信号生成模块，用于生成光源检测所需要的低频方波信号，还用于为低频跟踪光源提供工作电压。4.根据权利要求1所述的一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，其特征在于，所述高速图像处理模块在FPGA开发平台上实现，其包括：高速图像采集模块、高速图像缓存模块、图像差分模块、图像预处理模块、光源检测模块、光源筛选模块，其中：所述高速图像采集模块，用于将高帧率相机拍摄的图像进行并串转换，由并行像素流转换为串行像素流；所述高速图像缓存模块，用于缓存所述高速图像采集模块最新转换后的两帧图像；所述图像差分模块，用于将高速图像缓存模块中的两帧图像进行差分，以检测两帧图像中亮度发生变化的区域；所述图像预处理模块，用于对图像差分模块的图像差...

【专利技术属性】
技术研发人员：金显庆，刘富林，徐正元，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34