【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光无线通信，具体涉及可见光通信和位置感知集成系统。
技术介绍
1、可见光通信(visible light communication,vlc)由于其高带宽和超高速传输能力，正成为下一代6g网络中的关键技术之一，典型的应用场景包括室内高速数据传输、智能家居、车联网和物联网等领域。面向这些应用领域，集成感知功能的光通信系统需求日益增加，以实现目标导向的波束成形和高速数据服务。然而，现有的集成感知与通信系统通常依赖于复杂的硬件配置和信号处理算法，并且在精度和效率上有所局限，难以在实际应用中实现高效的感知与通信集成。
2、在可见光通信领域，感知或定位技术主要包括以下几种：1、光学指纹识别：利用环境中不同光源的光谱特性和空间分布，创建一个独特的光学指纹数据库。当接收设备接收到光信号时，通过比对光学指纹数据库，可以实现空间定位。该方法在实际应用中受到光环境变化的影响，需要频繁更新数据库。2、时间差测距：通过测量光信号从发射端到接收端的传播时间来计算距离。测量精度依赖于高精度的时间同步机制和测距算法，在多路径干扰严重的环境中，定位精度会有所下降。3、到达角度测量：通过分析接收光信号的入射角度，实现设备的空间定位。该方法通常结合多个光接收器使用，以提供较高的定位精度，但需要复杂的多接收器布置和精确的角度测量装置。4、光学相移测量：光学相移测量利用光波的相位信息，通过相位差计算物体的距离和位置。该方法具有较高的精度，但受限于相位测量装置的精度和环境光干扰。
3、综上所述，目前尚缺乏一种能够高效集成可见光通信与
技术实现思路
1、本专利技术旨在为解决上述问题，提供一种基于主动光照和计算重建的可见光通信与位置感知集成系统，以提高数据传输速率和空间定位精度。
2、本专利技术提出的基于主动光照和计算重建的可见光通信与位置感知集成系统，包括以下几个部分：光源模块、空间光调制器、单像素光电探测器、通信信号处理单元，以及控制单元：参见图1、图2所示。其中：
3、所述光源模块，用于产生可见光通信信号的照明光；具体包括光源和信号加载模块；所述光源采用高带宽的led或白光激光光源，并配备有信号发生器，控制光源强度的快速变化，以实现高速的时间强度调制。所述信号加载模块，用于加载需要传输的通信信号，通过信号编码、比特&功率加载、离散多音调制等数字信号处理技术，首先将0-1的数字信号编码为高阶信号，然后通过信号发生器发生待发射信号，再经过放大器和电压偏置模块后得到光源的驱动信号，最终加载到照明光源，驱动光源的快速强度切换。
4、所述空间光调制器(slm)，用于对光信号的光场空间分布进行调制。slm根据预设的调制方案，对光束进行动态调制，在数据传输过程中实现同步的高分辨率空间定位。
5、所述单像素光电探测器，用于接收空间光调制器调制后的光信号，再将其转换为电信号，并实现对空间光场的总强度的测量；单像素光电探测器具有高灵敏度和快速响应能力。
6、所述通信信号处理单元，用于从单像素光电探测器测量的时序信号中恢复原始的通信信号和重建空间位置信息。通信信号处理的步骤与发射端的信号处理环节对应，主要包括信号解调、信噪比估计、逆映射等环节。空间位置信息的感知重建与通信信号的恢复处理独立进行，空间位置信息感知重建的算法与结构光照明方式有关。相比较基于相机或多探测设备获取空间位置的方法，采用单个单像素探测器可以实现更高的采集带宽，且空间信息感知与通信信号探测完全共用采集系统，不需要额外的设备即可实现感知，显著降低探测端系统的复杂度和成本。
7、所述控制单元：用于协调光源模块、空间光调制器(slm)和单像素光电探测器的工作，确保系统的同步和高效运行。
8、基于上述集成系统实现可见光通信与位置感知集成，具体包括：
9、(1)光信号生成与调制：由光源模块产生高带宽led或白光激光光信号，通过空间光调制器(slm)进行光场空间分布的调制，生成结构化的光照图案。这些图案在传播过程中与环境中的物体发生相互作用，携带物体的空间信息。同时，光源模块通过高速的时间强度调制，实现数据的传输。信号的高速强度调制与空间结构化调制的模式进行联合优化处理，以确保同时实现高性能的通信与感知功能。
10、(2)光信号接收与转换：单像素探测器接收到调制后的光信号，将其转换为电信号。由于光信号经过时空调制，电信号中包含物体的空间信息和数据传输信息。单像素探测器的高灵敏度和快速响应能力确保信号的高效接收。
11、(3)信号解调与重建：通信信号处理单元对接收到的电信号进行解调和处理，提取通信数据，并采用压缩感知算法进行空间信息的重建。经过通信数据解调和空间信息重建的双重处理，能够同时实现高速数据传输和高精度空间定位。
12、(4)同步与控制：控制单元协调光源模块、slm和单像素探测器的工作，确保系统在数据传输和空间感知过程中保持同步和高效运行。控制单元通过预设的调制方案，实现光源、slm和探测器的动态调整和优化，保证系统的稳定性和精度。
13、本专利技术技术特点和功能优势主要有：
14、(1)高空间定位精度：利用主动光照的高分辨率空间调制能力和压缩感知算法，实现了高精度的空间定位，提供了毫米级横向分辨率和厘米级的纵向分辨率。
15、(2)低系统复杂性：通过单个单像素探测器实现通信数据与空间感知信号的集成探测，简化了系统结构，降低了硬件成本和复杂性。相比传统的多设备布置方案，本专利技术的系统设计更加紧凑和高效。
16、(3)高效信号调制：信号的时间-空间调制的设计采用了联合优化策略，同时保证了光通信功能所需的高信噪比和空间感知功能所需的信息。
17、(4)高效信号处理：数据处理单元采用先进的信号解调和压缩感知算法，保证了信号处理的高效性和准确性，适应了高速、高精度应用的需求。
18、(5)自适应波束成形：系统具有自适应波束成形功能，能够根据感知的位置信息动态调整光束对准方向与发散角，实现了广域覆盖范围内的高速数据传输。
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1.一种基于主动光照和计算重建的可见光通信与位置感知集成系统，其特征在于，包括光源模块、空间光调制器、单像素光电探测器、通信信号处理单元，以及控制单元：其中：
2.根据权利要求1所述的可见光通信与位置感知集成系统，其特征在于，所述空间光调制器采用一个可编程的数字微镜阵列设备(DMD)，数字微镜阵列设备预先加载一组编码图案并对光场进行超过20kHz的连续调制,此时光照变化的速度远低于发射端加载的通信信号的速率；经过时间-空间编码的光信号经过一段距离的自由空间传输后到达作为探测端的单像素光电探测器；上述时间-空间过程用公式表示如下：
3.根据权利要求2所述的可见光通信与位置感知集成系统，其特征在于，所述通信信号处理单元中，采用压缩采样的空间光编码图案设计方案和重建算法；所述空间光编码图案设计方案，是采用两组不同方向的一维哈达玛正交基图案作为照明光的调制图案，将所需的编码图案数量由N*N的尺度压缩为2*N的尺度，N为空间分辨率；所述重建算法，首先采用逆向线性映射算法恢复横向与纵向的目标强度投影信息，记为Px和Py；再利用目标的几何对称性和场景稀疏性先验重建完整二
4.基于根据权利要求3所述的集成系统的可见光通信与位置感知集成方法，其特征在于，具体包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于主动光照和计算重建的可见光通信与位置感知集成系统，其特征在于，包括光源模块、空间光调制器、单像素光电探测器、通信信号处理单元，以及控制单元：其中：
2.根据权利要求1所述的可见光通信与位置感知集成系统，其特征在于，所述空间光调制器采用一个可编程的数字微镜阵列设备(dmd)，数字微镜阵列设备预先加载一组编码图案并对光场进行超过20khz的连续调制,此时光照变化的速度远低于发射端加载的通信信号的速率；经过时间-空间编码的光信号经过一段距离的自由空间传输后到达作为探测端的单像素光电探测器；上述时间-空间过程用公式表示如下：
<...【专利技术属性】
技术研发人员：李子薇，施剑阳，沈超，张俊文，迟楠，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：
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