[發明專利]煤礦工作面可見光通信分布式光源布置方法

有效

• 申請號: 201310276628.X
• 申請日: 2013-07-03
• 公開（公告）號: CN103401611A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發明（設計）人: 張申;游春霞;翟彥蓉;胡青松;卑璐璐;黃凱
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: H04B10/116
• 分類號: H04B10/116;H04B10/075;H04B17/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

1.一種煤礦工作面可見光通信分布式光源布置方法，其特征是：將煤礦井下工作面長方體形通信空間分割成頂部為方形的若干小通信空間，小通信空間采用每個LED光源與其相鄰光源或者邊界相隔距離等同的方式在液壓支架上均勻分布大功率本質安全型白光LED光源，即在煤礦工作面長方體形通信空間等功率均勻分布式LED光源布局方法；在此基礎上，進一步修正邊緣光源功率，以光探測器接收平面信噪比偏離平均值均方誤差最小為準則調整可見光通信空間位于邊緣或四邊位置LED光源功率，為基于邊緣功率修正法的均勻分布式LED光源布局方法；兩種方式均以建立構建煤礦工作面光接收面的接收信號模型為分析基礎。

2.根據權利要求1所述的一種煤礦工作面可見光通信分布式光源布置方法，其特征是：所述的煤礦工作面長方體形通信空間等功率均勻分布式LED光源布局方法：

采用均勻空間分割的方式是以煤礦工作面液壓支架頂板組成的平面為上平面，以液壓支架頂板的長度為邊長，將煤礦工作面可見光通信空間分割成頂部為方形的若干通信空間，每個通信空間采用均勻方式分布大功率本質安全型白光LED光源；

劃分后的通信空間光照度在達到國際標準化組織設立的300～1500lx照明標準的條件下，通信過程中發射端到接收端無障礙物遮擋，且LED光源功率足夠大以滿足接收端接收設備光電探測器可以接收到LED光源信息，每個LED光源與其相鄰光源或者邊界以相隔距離等同的方式在液壓支架上均勻分布大功率本質安全型白光LED光源。

3.根據權利要求1所述的一種煤礦工作面可見光通信分布式光源布置方法，其特征是：所述的基于邊緣功率修正法的均勻分布式LED光源布局方法：

基于邊緣功率修正法的標準差最小化調整方法,在邊緣一圈的LED光源具有相同的發射功率,其它LED光源仍采用相同大功率LED光源；

點光源陣列為L行N列,接收點r(x,y,z)接收信號功率Ps為

Ps(x,y,z)=R2H2(0)M2f2(t)‾Σj=1NΣi=1LPt(i,j)]]>

信噪比偏離其平均值的程度用標準差D表示,D=1s∫0max(y)∫0max(x)(Ps(x,y)Pnoise-SNR‾)dxdy;]]>

時，求得P_t的值即為邊緣光源的功率值；

以光探測器接收平面信噪比偏離平均值均方誤差最小為準則調整可見光通信空間位于四邊或者邊緣位置LED光源功率，使得接收平面的光信號接收功率均勻性最好，邊緣LED光源發射功率為同一可調值，其余LED光源功率保持不變：

步驟1、統計整個通信空間在某一接收平面光電探測器的平均信噪比；

步驟2、將光電探測器置于通信空間某邊邊緣LED光源下方得出相應信噪比大小，調整邊緣LED光源功率，利用PC機判定當信噪比偏離平均信噪比誤差在可接受范圍時的最小功率，將該功率設為此邊緣LED光源發射功率；

步驟3、按次規則分別調整四個邊邊緣LED光源功率，四個頂角LED光源功率按其中一個邊緣功率值調整；

利用PC機判定當信噪比偏離平均信噪比誤差在可接受范圍時的最小功率包含以下步驟：

步驟1、將邊緣LED光源初始功率值與非邊緣LED光源設置相同；

步驟2、計算邊緣LED光源下方光電探測器接收平面信噪比及其與整個通信空間平均信噪比標準差；

步驟3、每次增加固定值調整邊緣LED光源功率值，即每次增加0.3W，直到計算得出標準差小于可接受誤差范圍，即誤差范圍為0.01，則將該值設為邊緣LED光源功率值；

步驟4、若標準差始終大于可接受誤差范圍，將得出標準差值最小，即標準差不再降低時的功率作為邊緣LED光源功率。

4.根據權利要求1所述的一種煤礦工作面可見光通信分布式光源布置方法，其特征是：所述的構建煤礦工作面光接收面的接收信號模型，從單點LED光源接收光信號的信號強度、光信號的信噪比計算模型推廣到多點LED光源接收光信號的信號強度、光信號的信噪比計算模型；

接收光信號的信號強度、光信號的信噪比計算模型有單點LED光源和多點LED光源：

(1)單點LED光源

LED光源為單個點光源時，光源空間坐標位置即發射點三維空間坐標為(xs,ys,zs)，光接收點中心三維空間坐標位置為(xr,yr,zr),Φ表示LED發出可見光的光通量，點光源的發光強度為式中Ir表示光通量dΦ與光源在給定方向dw角度上的比值。

光接收器的光接收面積dA、角度dw、光源與接收點的距離d和光入射角θ，之間幾何關系為

d²*dw=dA*cosθ??（2）

接收平面上光照度E,定義為單位面積上的光通量，即

式（1），（2）代入式（3）得E=Ird2*cosθ---(4)]]>

LED的發光強度I_r與特定的LED生產工藝和封裝相關，假定白光LED符合朗伯輻照，LED發光強度Ir=(m+1)2π*cosmφ,---(5)]]>

式中：m＝ln(1/2)/ln(cosφ_1/2)，φ_1/2為LED的半功率角，出廠LED屬性參數中可以查得，LED型號確定，參數m就已確定，φ為光發射角。

將式（5）代入式（4），則光照度E=(m+1)2πd2cosθ*cosmφ---(6)]]>

煤礦井下工作面LED光源安裝于液壓支架，采用垂直與水平面的安裝方式，接收平面平行于水平面，即LED光源的頂平面與接收平面平行，此時光入射角與光發射角相等，即θ＝φ；

此時，cosθ=|zr-zs|d=|zr-zs|(xr-yr)2+(yr-yr)2+(zr-zr)2---(7)]]>

則光照度E為E=m+12πd2(|zr-zs|(xr-yr)2+(yr-yr)2+(zr-zr)2)m+1---(8)]]>

可見光通信系統中，接收平面接收的光來源于兩部分，一部分為直線接收（line?of?sight），來源于光源的直接照射；一部分為非直線接收（not?line?of?sight），主要來源于光源發出的光照射到地面、四壁、阻礙物等反射回的光線被接收檢測器接收。對于LOS直視路徑，光功率為

H(w)＝H(0)e^-jwτ

，

H(0)為信道直流增益H(0)(m+1)A2πd2cosθ*cosmφ,---(9)]]>

式中：A為光電探測器的光接收面積，τ為時間延遲；

平均接收功率為P_r＝P_tH(0)，其中P_t為LED的平均發射功率，假設LED發射信號為p_t＝P_t(1+M*f(t))，M為調制系數，f(t)為OOK調制雙極性信號，接收信號s_t＝R*H(0)P_t*M*f(t)，R為光電探測器的響應增益常數；

系統噪聲比SNR為SNR=PSPnoise=R2H(0)2Pt2M2f(t)2‾Pnoise---(10)]]>

當信號發送功率、調制系數和調制雙極性信號平均功率穩定時，接收信號功率P_s正比與H²(0)，從而與光源到接收點的距離、光發射角、光入射角大小相關。

（2）多點LED光源

光源為多個分布式LED光源時，接收平面接收點(xr,yr,zr)處照度為為第i行第j列頂部光源為此接收點的照度之和,點光源陣列為L行N列；

接收點r(x,y,z)接收信號功率Ps為

Ps(x,y,z)=R2H2(0)M2f2(t)‾Σj=1NΣi=1LPt(i,j)---(11)]]>

接收點r(x,y,z)的信噪比SNR為：SNR(x,y,z)=PsPnoise---(12)]]>

接收平面信噪比SNR均值為：SNR‾=1s∫0max(y)∫0max(x)Ps(x,y)Pnoisedxdy,]]>其中S為光接收平面面積S=max(x)*max(y)，max(x)，max(y)為通信空間的長和寬；

信噪比偏離平均值的程度用標準差D表示：

D=1s∫0max(y)∫0max(x)(Ps(x,y)Pnoise-SNR‾)dxdy---(13)]]>

標準差D越小，則光信號分布均勻性越好。