本發(fā)明涉及可見(jiàn)光通信，具體涉及一種基于led陣列光電熱特性的照通一體光通量?jī)?yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，為解決無(wú)線通信頻譜資源匱乏和快速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求的問(wèn)題，亟需更高頻段的通信方式。可見(jiàn)光通信充分利用380nm-780nm的光載波實(shí)現(xiàn)通信，在拓展頻譜資源的同時(shí)，還具有安全性、深覆蓋、抗電磁干擾、兼容基礎(chǔ)照明設(shè)施等天然優(yōu)勢(shì)，目前已成為第六代移動(dòng)通信的重要備選技術(shù)。

2、在可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，發(fā)光二極管(led)通常作為照明光源和通信基站。在實(shí)際應(yīng)用中，需要在led的前向電流上耦合調(diào)制信號(hào)，以輸出強(qiáng)弱變化的光通量用于提供照明并傳輸數(shù)字信息；led的照明能力通常由光通量的平均值表示，光通量的波動(dòng)可用于信息傳輸。然而，led的電光響應(yīng)存在嚴(yán)重的非線性，額外的信號(hào)調(diào)制可能引起照明性能和通信性能的損失。

3、為了研究調(diào)制對(duì)led性能的影響，需要構(gòu)建合理的led模型，一方面，led的偏置電流與消耗功率呈凸函數(shù)關(guān)系，而另一方面，led的偏置電流與光通量呈凹函數(shù)關(guān)系。而在早期的文獻(xiàn)分析中，通常基于線性化的led電氣模型進(jìn)行分析，并忽略了led陣列對(duì)溫度的依賴性，使得該方法在實(shí)際應(yīng)用中價(jià)值有限。

4、在實(shí)際應(yīng)用中，led通常以陣列的形式存在，以提供更強(qiáng)的照明和通信能力，多個(gè)led燈珠集成在面積有限的散熱板上，這使得溫度對(duì)led性能的影響更加嚴(yán)重。為研究溫度對(duì)led性能的影響，通用的方式是構(gòu)建led陣列的光電熱模型，并分析電流、溫度、光通量之間的相互關(guān)系。

5、目前，已有研究者展開(kāi)了led光電熱機(jī)制的相互影響的綜合建模，有學(xué)者從微觀載流子復(fù)合機(jī)制出發(fā)，并考慮溫度對(duì)復(fù)合機(jī)制的影響，得出了led電光響應(yīng)特性方程，但這種模型是物理學(xué)理論模型，具有嚴(yán)重的非線性，較難直接應(yīng)用于通信設(shè)計(jì)；還有學(xué)者建立了led的靜態(tài)光電熱模型，但未考慮調(diào)制對(duì)led性能的影響；也有學(xué)者分析了不同調(diào)制模式的平均光度和瞬時(shí)光度，然而，該研究是假定led的溫度恒定進(jìn)行設(shè)計(jì)的，忽略了調(diào)制信號(hào)引起的功率變化和溫度變化，所得到的成果只在調(diào)制深度較小時(shí)具有準(zhǔn)確性。因此，現(xiàn)有技術(shù)缺乏一個(gè)合理的模型來(lái)表征led陣列的電流、溫度、光通量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，從而不能有效的對(duì)led陣列進(jìn)行優(yōu)化。

6、此外，led陣列的優(yōu)化還要關(guān)聯(lián)vlc(visible?light?communication，可見(jiàn)光通信)的目標(biāo)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)。在室內(nèi)應(yīng)用中，lifi(light-fidelity，光保真技術(shù))應(yīng)用需要滿足照明標(biāo)準(zhǔn)，而通信設(shè)計(jì)則需要避免可能引起的閃爍和較為明顯的照度損失，在此基礎(chǔ)上盡可能的提升信號(hào)分量，如何在滿足照明需求基礎(chǔ)上最大化信號(hào)分量是需要解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種基于led陣列光電熱特性的照通一體光通量?jī)?yōu)化方法，以動(dòng)態(tài)電光熱陣列模型為基準(zhǔn)，實(shí)時(shí)考慮調(diào)制模式、調(diào)制深度對(duì)led陣列輸出瞬時(shí)光通量的動(dòng)態(tài)影響，并結(jié)合led的陣列數(shù)量，室內(nèi)的照明需求和通信需求為約束，進(jìn)行綜合性的歸納設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)具備實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值的led陣列照通一體設(shè)計(jì)方法。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

3、一種基于led陣列光電熱特性的照通一體光通量?jī)?yōu)化方法，包括以下步驟：

4、s1.建立led陣列的動(dòng)態(tài)光電熱模型；

5、s2.根據(jù)被調(diào)制led輸出光通量的特性，建立用于評(píng)估led照明能力和通信能力的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；

6、s3.在不損失照明能力的前提下，以最大化led陣列的通信光通量為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行l(wèi)ed偏置電流、調(diào)制模式的最優(yōu)組合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)。

7、進(jìn)一步地，步驟s1中，先不考慮通信調(diào)制，建立led陣列的靜態(tài)光電熱模型；然后，在靜態(tài)光電熱模型的基礎(chǔ)上，考慮通信調(diào)制對(duì)光通量的影響，建立led陣列的動(dòng)態(tài)光電熱模型。

8、進(jìn)一步地，所建立的led陣列的動(dòng)態(tài)光電熱模型能夠描述led的數(shù)量、結(jié)溫、偏置電流、功率、以及調(diào)制方案與led陣列的動(dòng)態(tài)瞬時(shí)光通量之間的關(guān)系。

9、進(jìn)一步地，在構(gòu)建動(dòng)態(tài)光電熱模型時(shí)，采用理想二極管串聯(lián)led等效電阻的線性模型進(jìn)行建模。

10、進(jìn)一步地，在構(gòu)建動(dòng)態(tài)光電熱模型過(guò)程中，將調(diào)制信號(hào)耦合在led的直流偏置上，所述調(diào)制信號(hào)采用穩(wěn)定遍歷的隨機(jī)調(diào)制信號(hào)。

11、進(jìn)一步地，所述led陣列的動(dòng)態(tài)光電熱模型中，通過(guò)調(diào)制電流的均方值和調(diào)制電流的瞬時(shí)值共同決定led陣列的瞬時(shí)光通量輸出。

12、進(jìn)一步地，步驟s2中，所述的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是指，采用led陣列的動(dòng)態(tài)瞬時(shí)光通量的期望值表示led陣列的照明光通量，采用led陣列的動(dòng)態(tài)瞬時(shí)光通量的的均方根值表示led陣列的信號(hào)通量。

13、進(jìn)一步地，步驟s3具體為，以led陣列的動(dòng)態(tài)電光熱模型為基準(zhǔn)，根據(jù)室內(nèi)照明需求、通信需求、陣列數(shù)量、led電熱特性及調(diào)制方式，在標(biāo)定的照明光通量下，以最大化led陣列的信號(hào)通量為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

14、進(jìn)一步地，優(yōu)化時(shí)，要限制led陣列的溫度的最小值和最大值，以及l(fā)ed的電流的最大值和最小值。

15、進(jìn)一步地，步驟s3中，優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果能夠獲得led陣列的最優(yōu)偏置電流，在該偏置電流進(jìn)行調(diào)制，能夠使led陣列的照明性能不損失，并獲得最大的通信光通量。

16、有益效果：

17、(1)本發(fā)明充分考慮陣列規(guī)模和溫度對(duì)led陣列的照明通信性能的影響，并考慮調(diào)制對(duì)led陣列的輸出光通量的影響，建立了led陣列的動(dòng)態(tài)光電熱模型，該模型可以描述led的數(shù)量、結(jié)溫、偏置電流、功率、調(diào)制方案與光通量之間的關(guān)系，破解溫度、電氣、光度三者相互制約的函數(shù)關(guān)系，具有較高的準(zhǔn)確性和工程應(yīng)用價(jià)值。

18、(2)本發(fā)明根據(jù)led陣列的照明特征和通信特征，構(gòu)建可表征led照明光通量和通信光通量的表達(dá)方法，采用變化光通量的期望值表示led陣列的照明能力，用led陣列光通量的動(dòng)態(tài)波動(dòng)的均方根值表示led陣列的通信能力，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)室內(nèi)led陣列的照明需求，提出在標(biāo)定照明通量下的最大通信光通量的設(shè)計(jì)方法。

19、(3)本發(fā)明根據(jù)室內(nèi)照明通信的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)不損失照明能力的可見(jiàn)光通信應(yīng)用方案，根據(jù)室內(nèi)照明需求、通信需求、陣列數(shù)量、led電熱特性及調(diào)制方式，獲得led陣列的最優(yōu)偏置電流，在該偏置電流進(jìn)行調(diào)制，可以獲得最大的通信光通量。

技術(shù)特征：

1.一種基于led陣列光電熱特性的照通一體光通量?jī)?yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于led陣列光電熱特性的照通一體光通量?jī)?yōu)化方法，其特征在于，步驟s1中，在不考慮通信調(diào)制的前提下，建立led陣列的靜態(tài)光電熱模型；然后，在靜態(tài)光電熱模型的基礎(chǔ)上，考慮通信調(diào)制對(duì)光通量的影響，建立led陣列的動(dòng)態(tài)光電熱模型。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于led陣列光電熱特性的照通一體光通量?jī)?yōu)化方法，其特征在于，所建立的led陣列的動(dòng)態(tài)光電熱模型能夠描述led的數(shù)量、結(jié)溫、偏置電流、功率、以及調(diào)制方案與led陣列的動(dòng)態(tài)瞬時(shí)光通量之間的關(guān)系。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于led陣列光電熱特性的照通一體光通量?jī)?yōu)化方法，其特征在于，在構(gòu)建動(dòng)態(tài)光電熱模型時(shí)，采用理想二極管串聯(lián)led等效電阻的線性模型進(jìn)行建模。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于led陣列光電熱特性的照通一體光通量?jī)?yōu)化方法，其特征在于，在構(gòu)建動(dòng)態(tài)光電熱模型過(guò)程中，將調(diào)制信號(hào)耦合在led的直流偏置上，所述調(diào)制信號(hào)采用穩(wěn)定遍歷的隨機(jī)調(diào)制信號(hào)。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于led陣列光電熱特性的照通一體光通量?jī)?yōu)化方法，其特征在于，所述led陣列的動(dòng)態(tài)光電熱模型中，通過(guò)調(diào)制電流的均方值和調(diào)制電流的瞬時(shí)值共同決定led陣列的瞬時(shí)光通量輸出。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于led陣列光電熱特性的照通一體光通量?jī)?yōu)化方法，其特征在于，步驟s2中，所述的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是指，采用led陣列的動(dòng)態(tài)瞬時(shí)光通量的期望值表示led陣列的照明光通量，采用led陣列的動(dòng)態(tài)瞬時(shí)光通量的均方根值表示led陣列的信號(hào)通量。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于led陣列光電熱特性的照通一體光通量?jī)?yōu)化方法，其特征在于，步驟s3具體為，以led陣列的動(dòng)態(tài)電光熱模型為基準(zhǔn)，根據(jù)室內(nèi)照明需求、通信需求、陣列數(shù)量、led電熱特性及調(diào)制方式，在標(biāo)定的照明光通量下，以最大化led陣列的信號(hào)通量為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于led陣列光電熱特性的照通一體光通量?jī)?yōu)化方法，其特征在于，優(yōu)化時(shí)，要限制led陣列的溫度的最小值和最大值，以及l(fā)ed的電流的最大值和最小值。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于led陣列光電熱特性的照通一體光通量?jī)?yōu)化方法，其特征在于，步驟s3中，優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果能夠獲得led陣列的最優(yōu)偏置電流，在該偏置電流進(jìn)行調(diào)制，能夠使led陣列的照明性能不損失，并獲得最大的通信光通量。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于LED陣列光電熱特性的照通一體光通量?jī)?yōu)化方法，通過(guò)構(gòu)建LED陣列的動(dòng)態(tài)光電熱模型并考慮調(diào)制模式、調(diào)制深度、功率、溫度、陣列數(shù)量對(duì)光通量輸出特性的影響，在此基礎(chǔ)上，建立可用于評(píng)估LED照明能力和通信能力的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并根據(jù)室內(nèi)照明通信的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)不損失照明能力的可見(jiàn)光通信優(yōu)化方法，獲得LED陣列最優(yōu)的調(diào)制深度與偏置組合，實(shí)現(xiàn)在滿足照明需求基礎(chǔ)上最大化信號(hào)分量的優(yōu)化目標(biāo)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)研發(fā)人員：穆昱,劉春陽(yáng),張高遠(yuǎn),胡智磊,朱夢(mèng)婷,李奕瑋,鄭國(guó)強(qiáng),夏浩強(qiáng),李玉哲,陸曉瑩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：河南科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28