1、面向測量和通信的光技術及應用概要激光技術在電力、公安與安全、機器人及激光技術在電力、公安與安全、機器人及無人駕駛系統中的應用無人駕駛系統中的應用LEDLED可見光通信關鍵技術和應用案例可見光通信關鍵技術和應用案例（一）激光三維掃描雷達在機器人及無人駕駛系統中應用激光三維掃描雷達在軍民領域有廣泛的應用，可用于導彈導引頭、月球車、地形測繪、激光三維掃描雷達在軍民領域有廣泛的應用，可用于導彈導引頭、月球車、地形測繪、機器人、無人飛機及廣義的無人駕駛系統機器人、無人飛機及廣義的無人駕駛系統（一）激光三維掃描雷達在機器人及無人駕駛系統中應用案例案例1：地形測繪視頻播放（：地形測繪視頻播放（40s）案例案

2、例2：機器狗視頻：機器狗視頻播放播放（135s）案例案例3：無人飛機視頻：無人飛機視頻播放播放（155s）案例案例4：無人駕駛汽車視頻：無人駕駛汽車視頻播放播放（200s）Lidar vs. Radar(Light Detection and Ranging)（一）激光三維掃描雷達在機器人及無人駕駛系統中應用激光三維掃描雷達原理激光三維掃描雷達原理:是一種以激光為載波，光學望遠鏡為天線，光電探測儀是一種以激光為載波，光學望遠鏡為天線，光電探測儀為接收器的雷達。為接收器的雷達。通過向目標發射激光束，再由雷達接收器準確地接收從目標反射回來通過向目標發射激光束，再由雷達接收器準確地接收從目標反射回來

3、的信息，通過對比發射信號和反射信號之間的差異，并進行適當的信的信息，通過對比發射信號和反射信號之間的差異，并進行適當的信號處理，從而獲取目標的相關數據：目標的相對距離、相對速度、絕號處理，從而獲取目標的相關數據：目標的相對距離、相對速度、絕對速度、高度、方位角、俯仰角、形狀等信息。對速度、高度、方位角、俯仰角、形狀等信息。優點：分辨率高、抗有源干擾能力強、優點：分辨率高、抗有源干擾能力強、 低空探測性好、體積小、質量輕。低空探測性好、體積小、質量輕。（一）激光三維掃描雷達在機器人及無人駕駛系統中應用激光三維掃描雷達關鍵技術激光三維掃描雷達關鍵技術:激光器（硬件，材料）激光器（硬件，材料）高性能

4、、高分辨率光電混合焦平面陣列高性能、高分辨率光電混合焦平面陣列高速處理電路（高速成像、高速圖像處理器，高速處理電路（高速成像、高速圖像處理器， 成像速度慢易造成圖像運動失真）成像速度慢易造成圖像運動失真）光電探測器的光電混頻能力光電探測器的光電混頻能力高反射率目標信號處理（避免造成探測器飽和高反射率目標信號處理（避免造成探測器飽和 或損毀）或損毀）回波信號回波信號噪聲干擾抑制噪聲干擾抑制環境自適應能力環境自適應能力等等等等.（二）激光光纖互感器應用：應用：遠距離直流輸電系統遠距離直流輸電系統優點：優點：體積小便于集成、成本低、絕緣性好、無磁飽和現象體積小便于集成、成本低、絕緣性好、無磁飽和現象

5、原理：原理：利用利用法拉第磁光效應法拉第磁光效應原理，線偏振光在光學晶體中傳播時，若在平行于光的傳原理，線偏振光在光學晶體中傳播時，若在平行于光的傳 播方向上加一磁場，則光的偏振方向將發生偏轉，偏轉角度播方向上加一磁場，則光的偏振方向將發生偏轉，偏轉角度與磁感應強度與磁感應強度B 和光穿越介質的長度和光穿越介質的長度d的乘積成正比，即的乘積成正比，即=VBd，比例系數，比例系數V稱為費爾德常數。稱為費爾德常數。CVOCT（Crystal-Valve Optical Current Transformer）晶體光閥光學電流互感器使用晶體）晶體光閥光學電流互感器使用晶體光閥將一次電流信號調制成光強

6、信號，即可準確測量一次電流。光閥將一次電流信號調制成光強信號，即可準確測量一次電流。（二）激光光纖互感器 激光通過光纖被引入到測量系統中，經過起偏成為線偏光后被引入到磁光介質中，磁光介質在磁場影響下使偏振光的偏振面發生旋轉，通過磁光介質后的檢偏器可將偏振旋轉的角度轉換為光強度變化 由于導線周圍的磁場與其承載的電流有確定的關系，電流和磁場的關系安培定律 從而通過分析光強來測量電流電流變電流變化產生化產生的磁場的磁場信號信號晶體磁光閥晶體磁光閥（磁光調制功能）（磁光調制功能）光光信信號號通訊光纖通訊光纖光電光電轉化轉化設備設備原始原始電流電流信號信號提取提取（二）激光光纖互感器前景前景遠距離直流輸

7、電工程的光學電流互感器遠距離直流輸電工程的光學電流互感器國家特高壓電網建設戰略開始加速推進，特高壓直流工程建設。國家特高壓電網建設戰略開始加速推進，特高壓直流工程建設。（三）激光語音捕獲系統激光干涉監聽技術，光學偵察技術激光干涉監聽技術，光學偵察技術 激光干涉偵聽是一種新型的偵聽技術，在針對公共安全、安全偵查、反恐等方面激光干涉偵聽是一種新型的偵聽技術，在針對公共安全、安全偵查、反恐等方面的重大需求時，該技術手段可有效解決由于事發地點不確定性，不能將偵聽傳感頭預的重大需求時，該技術手段可有效解決由于事發地點不確定性，不能將偵聽傳感頭預埋在事發地，以及正反射激光偵聽的對準難等諸多問題。埋在事發地

8、，以及正反射激光偵聽的對準難等諸多問題。激光多普勒干涉測量激光多普勒干涉測量零差激光干涉法、基于光學相零差激光干涉法、基于光學相位位調制和鎖相技術的抗干擾干涉法、自混頻外差激調制和鎖相技術的抗干擾干涉法、自混頻外差激光振動測量、激光光源電流調制法、聲光調制器（光振動測量、激光光源電流調制法、聲光調制器（AOM）外差干涉法、雙波長激）外差干涉法、雙波長激光外差干涉法測量方法等。光外差干涉法測量方法等。（三）激光語音捕獲系統漫反射激光語音獲取漫反射激光語音獲取技術參數（樣例）：技術參數（樣例）：（三）激光語音捕獲系統基于窄線寬光纖激光器波長編碼外差干涉偵聽技術原理框圖基于窄線寬光纖激光器波長編碼外

9、差干涉偵聽技術原理框圖雙波長激光獲取，單一激光雙波長激光獲取，單一激光器輸出雙波長器輸出雙波長脈寬控制與精確光纖延時脈寬控制與精確光纖延時外差頻率無關解調算法外差頻率無關解調算法穩定干涉場中雙波長激光變頻穩定干涉場中雙波長激光變頻自適應解調自適應解調關鍵技術：關鍵技術：（三）激光語音捕獲系統前景前景在安全、航天、醫療等領域的廣泛應用，為安全、預警、反恐等提供強有力保障，在安全、航天、醫療等領域的廣泛應用，為安全、預警、反恐等提供強有力保障，為減少災難給社會造成的巨大損失。為減少災難給社會造成的巨大損失。漫反射激光語音獲取技術的實現，還可以打破西方列強的技術優勢和技術封鎖，漫反射激光語音獲取技術

10、的實現，還可以打破西方列強的技術優勢和技術封鎖，減少裝備購置費用、增強自力更生的能力和信心，對提高軍事現代化水平有著重減少裝備購置費用、增強自力更生的能力和信心，對提高軍事現代化水平有著重大的作用。大的作用。漫反射激光語音獲取技術的實現為各級指揮員迅速、準確、全面地掌握敵情、運漫反射激光語音獲取技術的實現為各級指揮員迅速、準確、全面地掌握敵情、運籌帷幄、克敵制勝提供前提條件，對保障國家安全、了解國外經濟、科技動態具籌帷幄、克敵制勝提供前提條件，對保障國家安全、了解國外經濟、科技動態具有重要意義。有重要意義。概要激光技術及其在電力、公安與安全、機器人及無人駕駛系統中的應用LEDLED可見光通信關

11、鍵技術和應用案例可見光通信關鍵技術和應用案例LEDLED可見光通信可見光通信器件簡介：器件簡介：1、可見光發射、可見光發射LED器件器件 主流傳統照明（藍光激發黃色熒光粉型白光主流傳統照明（藍光激發黃色熒光粉型白光LED）的響應緩慢限制帶寬（）的響應緩慢限制帶寬（10dB帶寬帶寬 不到不到20MHz）。）。2、新型、新型Micro-LED器件器件 在一個芯片上集成了高密度小尺寸在一個芯片上集成了高密度小尺寸LED陣列，像素可定址、單驅動點亮，像素點距陣列，像素可定址、單驅動點亮，像素點距 從毫米級降低到微米級。從毫米級降低到微米級。3、可見光探測器、可見光探測器 傳統硅基探測器主要在紅外波段敏

12、感，藍光效率比較低，且隨著距離增大及強烈背傳統硅基探測器主要在紅外波段敏感，藍光效率比較低，且隨著距離增大及強烈背 景噪聲和電路固有噪聲影響效果不佳；景噪聲和電路固有噪聲影響效果不佳； 新型高靈敏度、帶通光譜響應新型高靈敏度、帶通光譜響應InGaN可見光探測器及其陣列應用。可見光探測器及其陣列應用。LEDLED可見光通信可見光通信LEDLED可見光通信可見光通信 調制方式：調制方式：IEEE 802.15.7：開關鍵控（開關鍵控（OOK）單光源，PHY、PHY 可變脈沖位置調制（可變脈沖位置調制（VPPM）單光源，PHY、PHY 移色（移頻）鍵控（移色（移頻）鍵控（CSK）多光源，PHY 拓撲

13、結構：拓撲結構： IEEE 802.15.7： 11.67kbps-96Mbps室內外應用支持室內外應用支持 對等型對等型和和星型星型拓撲結構拓撲結構 無閃爍通信的調光機無閃爍通信的調光機制制 均衡技術均衡技術 信號恢復算法信號恢復算法技術優勢技術優勢1 1： 調制方案和調光支持：可見光譜調制方案和調光支持：可見光譜380-780 nm，支持數據速率，支持數據速率96Mbps，6GHz以下傳統以下傳統RF通信用于高速數據通信會快速耗盡頻譜，用于通信用于高速數據通信會快速耗盡頻譜，用于VLC的帶寬的帶寬300THz能為短距離提供多個能為短距離提供多個Gbps的數據速率（例如在的數據速率（例如在M

14、IMO方式中使用陣列方式中使用陣列LED）。）。LEDLED可見光通信可見光通信技術優勢技術優勢2 2：調光支持調光支持調制引起的光波動即光閃爍對人是不利的調制引起的光波動即光閃爍對人是不利的最佳的光閃爍頻率應最佳的光閃爍頻率應200Hz，即最大閃爍周期，即最大閃爍周期MFTP5msVLC的調制處理在數據幀內和幀間不能引起任何明顯的閃爍的調制處理在數據幀內和幀間不能引起任何明顯的閃爍LEDLED可見光通信可見光通信技術優勢技術優勢3 3：IEEE 802.15.7提供三種方式提供三種方式VLC.PHY：11.67kbps-266.6kbps，單光源，支持，單光源，支持OOK和和VPPMVLC.

15、PHY：1.25Mbps-96Mbps，單光源，支持單光源，支持OOK和和VPPMVLC.PHY ：12Mbps-96Mbps，不同頻率（顏色）多光源，使用，不同頻率（顏色）多光源，使用CSK調光條件下，使用調光條件下，使用OOK調制通過插入補償時間提供恒定的調光范圍和可變的調制通過插入補償時間提供恒定的調光范圍和可變的數據速率，而數據速率，而VPPM通過調節脈沖寬度形成固定的數據速率和可變調光范圍通過調節脈沖寬度形成固定的數據速率和可變調光范圍每個每個PHY采用采用RLL游程長度限制編碼和信道編碼用于前向糾錯游程長度限制編碼和信道編碼用于前向糾錯(FEC)IEEE 802.15.7也提供了類

16、似硬判決性能的也提供了類似硬判決性能的FEC方法方法光時鐘速率：光時鐘速率：PHY 400kHz，汽車道路行駛照明，汽車道路行駛照明 PHY 120MHz，移動和手持設備，移動和手持設備 PHY 24MHz，目前基礎設施，目前基礎設施LEDLED可見光通信可見光通信技術優勢技術優勢4 4：OOK調制和調光方法調制和調光方法光的光的通斷通斷或者或者強弱強弱（為了維持直流平衡）代表邏輯（為了維持直流平衡）代表邏輯1或或0。FEC：二級編碼方式，先外編碼，再級聯內編碼二級編碼方式，先外編碼，再級聯內編碼調光：方法一：重新定義調光：方法一：重新定義OOK符號符號ON 、OFF光強更低光強更低 恒定的比

17、特率、傳輸范圍縮小、顏色易漂移恒定的比特率、傳輸范圍縮小、顏色易漂移 方法二：強度不變通過插入補償時間改變波形的平均占空比方法二：強度不變通過插入補償時間改變波形的平均占空比 恒定的傳輸范圍恒定的傳輸范圍、比特率比特率較低、接收機失步（補償時間過長）較低、接收機失步（補償時間過長）LEDLED可見光通信可見光通信技術優勢技術優勢5 5：VPPM調制和調光方法調制和調光方法改變脈沖位置。占空比改變脈沖位置。占空比（脈沖寬度）（脈沖寬度）50%時時, VPPM與與2-PPM類似。類似。VPPM脈沖占空比的變化對脈沖占空比的變化對應應所要求的調光電平所要求的調光電平VPPMVPPM模式發射機模式發射

18、機4B6B將4位隨機比特編碼為6位比特直流平衡碼,即6位比特中0和1的數目都等于3。比特率恒定與調比特率恒定與調光電平無關，調光時，傳輸距離光電平無關，調光時，傳輸距離取決于調光電平取決于調光電平LEDLED可見光通信可見光通信技術優勢技術優勢6 6：CSK調制和調光方法調制和調光方法PHYPHY的的CSKCSK系統框圖系統框圖兩種產生白色兩種產生白色LED光的方法：光的方法：1、藍色、藍色LED和黃色熒光體產生（響應和黃色熒光體產生（響應慢，帶寬窄）慢，帶寬窄）2、同步激勵紅、綠、藍、同步激勵紅、綠、藍LED產生產生（CSK使用）使用）CSK類似于移頻鍵控類似于移頻鍵控MFSKIEEE 80

19、2.15.7的的7個顏色帶劃分個顏色帶劃分由由CIE1931定義定義所有所有CSK光源總功率恒定光源總功率恒定不存在因幅度變化的閃爍問題不存在因幅度變化的閃爍問題較低光學時鐘頻率上使用高階調制實較低光學時鐘頻率上使用高階調制實現高數據速率現高數據速率LEDLED可見光通信可見光通信挑戰：挑戰：專用集成芯片非常缺乏專用集成芯片非常缺乏芯片集成度、芯片集成度、LED信號發射驅動、前端芯片的信號處理、后端芯片的信號恢復信號發射驅動、前端芯片的信號處理、后端芯片的信號恢復對于對于VLC,信道模型目前沒有被更好地提出，尤其戶外非視線信道模型目前沒有被更好地提出，尤其戶外非視線(NLOS)環境。環境。VL

20、C信道模型和平臺是目前研究的熱點，支持信道模型和平臺是目前研究的熱點，支持VLC的光源網絡化和升級目前的光源網絡化和升級目前的基礎設施也是一個挑戰。的基礎設施也是一個挑戰。LEDLED可見光通信可見光通信挑戰（續挑戰（續1 1）：）：視線視線LoS : 可見光無法穿透物體可見光無法穿透物體,只能被反射，反射吸收大量的能量，只能被反射，反射吸收大量的能量， 其覆蓋性和安全性不足。其覆蓋性和安全性不足。發射源發射源: 專用于專用于VLC的的LED光源價格昂貴，現有用于照明的光源價格昂貴，現有用于照明的LED可以考慮實現可以考慮實現VLC。多徑衰落多徑衰落: 由于寬波束發射會引起多徑衰落，碼間干擾由

21、于寬波束發射會引起多徑衰落，碼間干擾ISI會影響會影響VLC系統性能。系統性能。環境光干擾環境光干擾: 當寬波束發射時當寬波束發射時, 環境光干擾會出現在環境光干擾會出現在VLC中。中。 白天時環境光變化造成低信噪比。白天時環境光變化造成低信噪比。LEDLED可見光通信可見光通信挑戰（續挑戰（續2 2）：）：單向通信單向通信: VLC數據傳輸單向可以。數據傳輸單向可以。 利用不同的方式可提供上、下鏈路之間的隔離利用不同的方式可提供上、下鏈路之間的隔離 例如空間、光學隔離，也可時分、碼分、波分。例如空間、光學隔離，也可時分、碼分、波分。 也可以下行鏈路使用也可以下行鏈路使用VLC(高速高速)，而上行鏈路使用，而上行鏈路使用IR(紅外紅外)式式Wi-Fi。燈光燈光: VLC傳輸時，光源需要打開。傳輸時，光源需要打開。 需要照明正常開啟的區域，需要照明正常開啟的區域，VLC通信是無代價的。通信是無代價的。 有些區域有些區域,燈應是關的，如果光源的照度級低于環境光的照度級，燈應是關的，如果光源的照度級低于環境光的照度級， 用于用于VLC的光的光 源即使開著也不會注意到，源即使開著也不會注意到，