水下無線LED光通信中圓形陣列光源性能研究

汪 鋒，饒炯輝，向小梅

(1.中國人民解放軍91388部隊(duì)，湛江524022;2.海軍工程大學(xué)兵器工程系，武漢430033)

引 言

水下無線光通信系統(tǒng)一般可應(yīng)用于潛艇、無人水下航行器(unmanned underwater vehicle，UUV)、蛙人等［1］。隨著光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，很多技術(shù)門檻得到解決，對(duì)水下無線光通信展開研究的機(jī)構(gòu)越來越多，水下可見光通信技術(shù)更是近幾年才被開發(fā)和研究的一項(xiàng)新技術(shù)［2］。以發(fā)光二極管(light-emitting diode，LED)作為光源的水下無線光通信設(shè)備具有體積小、能耗低、工作時(shí)間較長、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，尤其適用于UUV、蛙人等小型的水下平臺(tái)［3］。但是要實(shí)現(xiàn)長距離的通信要求，則必須使得發(fā)射光束盡量的窄，這給發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的對(duì)準(zhǔn)造成了困難［4］。對(duì)準(zhǔn)是建立和維持水下無線光通信鏈路的基本條件，所以在滿足水下載體接收機(jī)小型化、輕量化、低功耗的前提下，需要研究怎樣的光源能在遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)高精度、快速的對(duì)準(zhǔn)［5-6］。本文中在一定的理論推導(dǎo)和仿真基礎(chǔ)上，以試驗(yàn)手段展開水下無線LED通信中圓形陣列光源性能研究。

1 LED光源特性及LED圓形陣列光源的空間照度分布模型

光源是水下無線光通信的核心部件，流明公司的K2綠光LED光源(型號(hào)LXK2-PM14-U00)是一種典型的大功率LED，在1000mA的測試電流下，它的最小功率為87.4mW，典型功率為100mW，其主要參量如表1所示。以其為對(duì)象展開水下無線LED通信圓形陣列光源性能研究。大功率LED作為一種新型光源，它與傳統(tǒng)的照明光源相比較有自己獨(dú)特的特性。由于要分析它的光源特性，所以先對(duì)表征LED光學(xué)特性的幾個(gè)主要參量進(jìn)行介紹［7］。

Table 1 Parameter of LED

(1)光通量:單位時(shí)間內(nèi)輻射的能量，用Φ表示，單位為流明(lm)。

(2)光照度:單位面積接收的光通量，可其表達(dá)式為:

光照度的單位為勒克斯(lx)。1lx=1lm/m2。(3)發(fā)光強(qiáng)度:點(diǎn)光源在給定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)射出的光通量，其表達(dá)式為:

發(fā)光光強(qiáng)的單位為坎德拉(cd)。

發(fā)光強(qiáng)度與LED的封裝有關(guān)，是與光照度密切相關(guān)的參量。參考文獻(xiàn)［8］中對(duì)LED的發(fā)光強(qiáng)度分布特征有詳細(xì)的論述。對(duì)LED光源的研究可以歸類為非成像光學(xué)的范疇，因?yàn)樗魂P(guān)注成像的質(zhì)量，關(guān)注的是光能量傳遞或?qū)饽芰窟M(jìn)行再分布。對(duì)于LED光源在空氣中的照度空間分布特性，MORENO和SUN有深入的研究［9］。LUXEON K2型是綠色LED，由參考文獻(xiàn)［9］可知其空間輻射的典型分布如圖1所示，采用MORENO和SUN建立的適用于LXK2-PM14-U00的理論模型，則對(duì)于單個(gè) LXK2-PM14-U00型號(hào)LED光源，其相對(duì)強(qiáng)度公式(采用相對(duì)強(qiáng)度，以便將輻射強(qiáng)度和發(fā)光強(qiáng)度的變化趨勢歸一化到一個(gè)公式)［10］為:

Fig.1 Typical representative spatial radiation for green LED

(3)式對(duì)應(yīng)典型上界(typical upper bound)，(4)式對(duì)應(yīng)典型下界(typical lower bound)。

由于光強(qiáng)分布是基于角度來描述，是在極坐標(biāo)中表示的，當(dāng)研究多個(gè)LED組合成的陣列時(shí)，如仍然討論光強(qiáng)分布，則計(jì)算十分復(fù)雜;而照度分布是在直角坐標(biāo)中表示的，通過計(jì)算陣列的照度分布來研究LED陣列性質(zhì)自然簡單些。為此首先將單個(gè)LED光輻射模型的光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為照度在空間的分布。設(shè)光強(qiáng)為I(θ，φ)，接收面中心離光源中心的距離為r，則相對(duì)照度的分布為［7］:

進(jìn)一步以光源中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，設(shè)照射面與光源的距離為z，則(5)式中的θ可以化為:

所以相對(duì)照度在空間的分布的公式為:

因?yàn)閱蝹€(gè)LED無論照射距離還是光源強(qiáng)度在實(shí)際水下無線光通信設(shè)備中都不適用，而圓形陣列可以彌補(bǔ)單個(gè)LED的不足，本文中重點(diǎn)分析6個(gè)LED(如圖2所示，在半徑為R的圓內(nèi)均勻排布組成的陣列)。為了寫出它的照度表達(dá)式，令其中任意一顆LED在x軸上，這樣光接收面上的相對(duì)照度分布為:

Fig.2 6 LEDs arranged in a circle

根據(jù)(9)式，用MATLAB畫出典型上界與典型下界分別對(duì)應(yīng)在z=1m，z=5m，z=10m和z=20m光線接收面上的相對(duì)照度3維分布模型，如圖3和圖4所示，其空間照度分布呈現(xiàn)對(duì)稱性。

Fig.3 3-Dmodel of relative illumination distribution of receiving surface about typical upper bound

2 LED圓形陣列光源水下空間照度分布的實(shí)驗(yàn)研究

以德克薩斯儀器公司的TLC5922LED驅(qū)動(dòng)芯片為核心的驅(qū)動(dòng)模塊為該LED圓形陣列光源提供驅(qū)動(dòng)電流，并在數(shù)據(jù)通信時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的調(diào)制，即先由數(shù)據(jù)編碼模塊完成加載信號(hào)的編碼，以數(shù)字電平的形式送至LED光源及其驅(qū)動(dòng)模塊，再由驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)大功率LED陣列發(fā)光，采用數(shù)字調(diào)制形式，驅(qū)動(dòng)電路工作流程如圖5所示。在長寬深分別為22m×5m×2m的室內(nèi)水池中進(jìn)行了水下無線光通信6 LED圓形陣列光源水下空間照度分布實(shí)驗(yàn)，以水下照度計(jì)為工具，采取點(diǎn)陣測量法研究該光源水下空間照度分布情況，實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中所用照度計(jì)為上海嘉定學(xué)聯(lián)儀表廠的ZDS-10W型水下照度計(jì)，三位半液晶顯示，其使用深度為15m，測量范圍:0lx～1999×102lx，共分4個(gè)量程，根據(jù)光照大小自動(dòng)切換，測量精度為±4% ±1個(gè)字，零點(diǎn)漂移為4h內(nèi)不大于±1個(gè)字。實(shí)驗(yàn)時(shí)共測量5組數(shù)據(jù)，分別為:不加載信號(hào)直接由光源系統(tǒng)發(fā)光;加載100kHz方波信號(hào);加載500kHz方波信號(hào);加載1MHz方波信號(hào);不加載信號(hào)但相對(duì)于前組數(shù)據(jù)光源順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，并由發(fā)射模塊將其加載到光波上發(fā)射出去。光波經(jīng)水池中的水體衰減后被水下照度計(jì)探測模塊接收，直接顯示出照度，每測量點(diǎn)多次測取數(shù)據(jù)，取平均值，以減少偶然誤差。

以光源出射口中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，與出射口等高的水平面為x-O-z面，與水池短邊平行的線為x軸，與水池長邊平行的線為z軸，過原點(diǎn)O與面x-O-z垂直的線為y軸，建立空間坐標(biāo)系如圖7所示，平面x-O-z上各線交點(diǎn)即點(diǎn)陣的測量點(diǎn)，等間距且為0.4m，對(duì)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

Fig.4 3-Dmodel of relative illumination distribution of receiving surface about typical lower bound

Fig.5 Flow chart of LED drive circuit

Fig.6 Schematic diagram of experimentaboutunderwater intensity of illumination distribution

Fig.7 Diagram of spatial coordinates

2.1 光源加載不同頻率信號(hào)時(shí)在水下沿光軸的照度分布

如圖8所示，圖中分別表示不加載信號(hào)和加載100kHz，500kHz，1MHz的方波信號(hào)時(shí)，沿光軸方向即上述笛卡爾坐標(biāo)系z(mì)軸正半軸向的照度的變化情況。圖8中4個(gè)小圖首先表明了光在水下傳播時(shí)基本呈指數(shù)衰減，到距離光源18m時(shí)，照度值基本都趨于0.5lx或者更小，衰減了4000多倍，衰減幅度大約80dB左右。另外圖8b、圖8c、圖8d中其初始照度值分別為2700lx，3000lx，3650lx，因此該光源出射端口處光照度值隨著加載信號(hào)的頻率增加而增加。

2.2 光源在水下其照度的空間分布

LED圓形陣列光源在實(shí)際使用中安裝了會(huì)聚透鏡，其發(fā)散角修正為12°。為了得到該光源在水下空間光照度分布具體情況，進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究光源垂直照射面的照度分布。

圖9中分別表示與光照射面上即z分別為0.4m，6.0m，10.0m和18.0m的平面上沿x軸的照度分布。因?yàn)樗氐纳疃扔邢?，為了測得沿y軸的照度分布，測完沿x軸的照度分布后，將陣列光源順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，即可測得圖10中 z分別為0.4m，6.0m，10.0m，18.0m的光照射平面上沿y軸的照度分布。首先對(duì)比分析同一個(gè)z平面上沿x軸和y軸的照度分布，例如z=0.4m時(shí)，對(duì)比圖9、圖10，x軸和y軸上與光源中心即原點(diǎn)O等距處的照度值明顯不等，可以得出該光源在水下空間上的輻射能量非對(duì)稱分布的結(jié)論。單獨(dú)看圖9或圖10，因?yàn)楣庠创嬖谝欢òl(fā)散角，所以隨著z值大小即沿照射面與光源中心的距離的增加，光的輻射區(qū)域逐漸增大，且光照射面上的光能量分布不均勻，到z=10m時(shí)光接收射面上照度開始趨于均勻分布。

綜上得到關(guān)于LED圓形陣列光源在水下空間光照度分布的3條結(jié)論:(1)LED陣列光源雖然是對(duì)稱的，但水下輻射照度分布不對(duì)稱，這可能是LED封裝、水下環(huán)境等造成的，同時(shí)光信號(hào)在水下傳播衰減極快，在18m的距離內(nèi)強(qiáng)度衰減了80dB左右;(2)在水體吸收和散射等影響共同的作用下，當(dāng)光信號(hào)傳播到一定距離后，在光接收平面上，照度值是各向趨于均勻分布，以該光源做實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論為大約10m;(3)當(dāng)光源加載不同頻率的信號(hào)時(shí)，在同樣的坐標(biāo)體系下，光源輻射空間內(nèi)每點(diǎn)的照度值大小隨加載信號(hào)頻率的增加而增加，這是因?yàn)殡S著信號(hào)頻率增大，其直流分量同時(shí)增加，體現(xiàn)為照度值變大。

Fig.8 Change of illumination intensity at z axis

Fig.9 Illuminance distribution in different z plane on the x axis

Fig.10 Illuminance distribution on the y axis in different z plane

3 結(jié)論

基于單個(gè)LED空氣中照度分布模型，本文中推導(dǎo)出6個(gè)LED組成的圓形陣列光源的空間相對(duì)照度分布數(shù)學(xué)模型，由仿真結(jié)果可知其在空氣中空間照度分布呈對(duì)稱。以水下照度計(jì)為工具，用點(diǎn)陣測量法研究該光源在水下的空間照度分布，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:光源出射端口處光照度值隨著加載信號(hào)的頻率增加而增加，雖然LED陣列光源是對(duì)稱的，但水下輻射照度分布不對(duì)稱;當(dāng)光信號(hào)傳播到一定距離后，在光接收平面上，照度值是各向趨于均勻分布;在同樣的坐標(biāo)體系下，光源輻射空間內(nèi)每點(diǎn)的照度值大小隨加載信號(hào)頻率的增加而增加。該結(jié)論雖然只是由6只K2綠光LED組成的圓形陣列得出，但具有一定的代表性，對(duì)研究怎樣的光源適用于水下無線LED光通信具有參考價(jià)值。

［1］COCHENOUR M，MULLEN L J.Optical propagation in the underwater environment［J］.Journal of Oceanic Engineering，2008，33(4):513-521.

［2］DENG R，RAO JH，ZHANG X H，etal.Convolutional code design avoidingmalignant codes in underwater optical communication systems［J］.Laser Technology，2011，35(2):222-225(in Chinese).

［3］CHANCEY M A.Short range underwater optical communication links［D］.Raleigh，North Carolina，USA:North Carolina State University，2005:2-24.

［4］WANG F，RAO JH.Realize variable gain amplifier in the underwater opticalwireless communication systerm［J］.Laser Technology，2012，36(1):99-102(in Chinese).

［5］SUN Ch Y.Short range underwater visible optical communication［D］.Qingdao:Ocean University of China，2008:5-15(in Chinese).

［6］SUIM H.The key technology research on underwaterwireless optical communication systems［D］.Qingdao:Ocean University of China，2009:11-21(in Chinese).

［7］CHEN Ch.Study on optical system of warship LED lamp［D］.Wuhan:Naval University of Engineering，2010:10-20(in Chinese).

［8］TAN J J.Research on indoor MIMO visible light communication with white LED［D］.Wuhan:Huazhong University of Science ＆Technology，2011:7-30(in Chinese).

［9］PHILIPS LUMILEDS LIGHTING COMPANY.Technical datasheet DS51［EB/OL］.(2009-10-02) ［2013-07-30］.www.philipslumileds.com/uploads/54/DS51-pdf?.

［10］MORENO I，SUN Ch Ch.Modeling the radiation pattern of LEDs［J］.Optics Express，2008，16(3):1808-1819.