面陣光電傳感器輸出信號的移動跟蹤方法

2023-05-29 20:22:21

專利名稱：面陣光電傳感器輸出信號的移動跟蹤方法
技術領域：
本發明屬於光無線通信領域，特別涉及光接收機面陣光電傳感器輸出信號的一種移動跟 蹤方法。
背景技術：
光通信系統的接收機主要由光學系統、光電探測器和信號處理電路組成。光學系統收集、 過濾空間的光信號，使其匯聚在光電探測器上；光電探測器將光信號轉換為電信號輸出到信 號處理電路；信號處理電路進行相應的放大、濾波、檢測、解調、解碼等最終形成接收數據。 在這樣的光通信系統中光接收機通常用的是單元光電探測器，信號輸出只有一路。
採用面陣/線陣光電傳感器的光接收或探測裝置， 一般應用於圖像採集系統，如數碼照相 機、數碼攝像機、光電掃描儀等；採用多元光電傳感器的光接收機， 一般應用於光電定位、 測量、跟蹤設備，如雷射準直儀和導引系統的四象限光電探測器等。面陣光電傳感器是由大 量像元組成的傳感器，每一個像元除了包含一個光電轉換器外，還有它的外圍電路，如同CMOS 圖像傳感器和CCD圖像傳感器那樣，其像元的排列一般為矩形。面陣傳感器的輸出方式一般 是取樣輸出，輸出的是離散模擬信號。多元光電傳感器是由多個獨立的光電轉換器單元組成 的傳感器，單元數量一般不會太多，光電轉換器的排列根據應用也呈不同形狀。多元光電傳 感器的輸出方式一般是連續的並行模擬信號。
在本專利中並不特意區分面陣與多元傳感器，最小組成單位都稱為像元。
光無線通信最常見的技術是用於便攜設備近距數據交換的IrDA (國際紅外數據協會)點 對點紅外通信標準，所用的光接收器件是單元光電轉換器，接收和發射視場比較大。在這種 情況下，通信過程中終端之間的有限度地相對移動不會造成通信中斷。發射光源只要在接收 機的視場內，光電轉換器都可以獲取並輸出信號。
但是，當使用面陣/多元光電傳感器作為光接收機的探測器時，為了滿足高速通信的要求， 只選擇響應了通信光信號的像元輸出，當收發機之間存在移動時，響應通信光源的像元位置 隨之而變，因此必須具有跟蹤輸出像元的能力，以保證通信不被中斷，否則實用性將受到比 較大的限制。在實際應用中，室內通信終端主要是便攜設備，如筆記本電腦、PDA (個人數字 助理)、手機等。在通信過程中它們的移動一般是限於室內範圍的有限度的移動，或者在固定 位置上手持時存在的晃動。通信光源應該始終處於光學系統的視場之內。
涉及面陣/多元傳感器輸出的跟蹤技術有幾種類型。 一種是視頻信號壓縮/解壓縮標準中 使用的運動估計技術。其目的是為了提取視頻信號幀與幀之間的相關信息，確定參考幀，以 實現高效壓縮。這種估計完全基於圖像信息，將圖像劃分為宏塊，追蹤宏塊的移動，這與硬 件方面相關的圖像傳感器的輸出方式沒有特別關係，屬於視頻處理技術，無法滿足選擇性輸 出的跟蹤。另外一種是基於四象限探測器的定位/跟蹤技術，這種技術根據光斑投射在光電探 測器四個象限上的位置不同導致的輸出幅度不同，計算光斑相對中心位置的偏移，從而進行 調整，使光斑投射到四象限探測器的中心。但這種技術依賴於探測器的規格，不存在選擇性。 還有一種是數位相機的防抖動技術。在按下快門的時刻，抖動會造成像在傳感器上的移動， 從而引起輸出圖像模糊。抗抖動的方法之一是附加一個加速度傳感器檢測快門按下時相機的 位移，根據加速度信號調整光軸使圖像傳感器上的像保持相對不動。這種技術適應於單次、 慢速、小範圍的移動處理。
上述三種技術針對不同的應用都非常成熟有效，但均無法直接用於實現高速可見光通信 的面陣光電接收機上。

發明內容
本發明的目的是在以面陣傳感器為探測器的光接收機中，實現選擇性地輸出，並在收發 機之間有相對移動的情況下跟蹤輸出。
本發明的主要特徵是接收機採用面陣光電傳感器，面陣光電傳感器的部分像元響應有用 的通信光信號，接收機選擇其中一些或全部像元作為輸出。同時，定義其中處於通信光光斑 邊緣的像元作為定位像元，當接收機或者發射機移動時，通過對比定位像元輸出的信號幅度， 估計出通信光斑移動的方向和位置，將輸出選擇切換到新位置的像元上。
在光無線通信系統中，光源相對而言可看作是點光源，比如LED就是最常用的點發射光 源，無論是什麼波段，通過光學系統成像於面陣傳感器上後，直射光都顯示為比較規則的光 斑。當面陣傳感器的解析度比較高時，光斑往往會覆蓋幾十個甚至幾百個像元。這些像元中 的光電轉換器都會對照射的光信號做出反應。接收機通過識別它們的位置，選擇其中部分像 元或者全部像元的響應作為輸出。當發射光源以及光接收機都不移動，也不需考慮光信道中 其它物體的影響時，這種輸出位置不會改變。但是，只要收發機任何一方有移動，甚至只是 抖動，就會造成通信光源成像光斑的位移，由此導致響應通信光的像元改變。如果此時不能 快速切換輸出，就會發生通信中斷。
為了保證整個通信過程能夠動態適應收發機之間的相對運動，需要實時監控通信光斑的 位置變化並及時調整輸出通道，即需要動態選擇輸出像元。本發明對光斑位置監控的方法是 選擇處於光斑邊緣4個不同方向上的像元作為定位像元，通過實時對比定位像元的輸出大小 的變化，估計移動的方向和移動量，並根據估計結果，隨時切換輸出像元，即讓輸出像元的 選擇跟蹤光斑中心位置的移動。
當光發射機採用LED陣列作光源時，它在光接收機面陣傳感器上的成像有兩種情形。一 是當它距離光接收機較遠時，陣列LED在面陣傳感器上的成像由於解析度的關係，成為一個 光斑，比如是矩形光斑；另外一種情形是當它距離光接收機較近，且陣列的平面與光接收機 的光軸之間角度接近垂直時，LED陣列的每一個LED單元在面陣傳感器上能夠單獨成像。那 麼對第一種情形，定位像元可以在整個光斑的邊緣覆蓋像元上選取，而對第二種情形，定位 像元可以在任一單元LED光斑的邊緣選取。


圖1是基於面陣光電傳感器的光通信系統示意圖。發送端一個LED光源(也可以是LED 陣列)通過攝影光學系統在面陣傳感器上成像，所覆蓋的象元對LED光信號響應，轉換為電 信號被選擇輸出。
圖2是本發明實現跟蹤光斑移動的方案。當通信光源投射的光斑移動時，從4個定位像 元的輸出變化對比估計移動位置，切換輸出到新的像元。像元坐標(義,力在X方向用字母表 示，Y方向用數字表示。
圖3示意定位像元與輸出像元的設置與選擇方案。像元坐標(a/)用X、 Y方向的數字 表示，X代表橫向坐標。
圖4是跟蹤光斑移動切換數據信號輸出的流程。
具體實施例方式
基於面陣光電傳感器的光接收機，其基本組成如圖1所示，這是一種簡化的例子。在光 發送端，發送的數據流經過調製器(1-1)調製成脈衝信號通過發光二極體LED (1-2)發送 出去。在光通信中應用的調製方法， 一般是脈衝幅度調製、脈衝頻率調製、脈衝寬度調製等。 光學系統(1-3)將視場內的光匯聚在面陣光電傳感器(1-4)上，其中通信光源(1-2)成像 在面陣傳感器上的l-5位置形成一個光斑。光斑並非就是實際顯示情況，實際中不會有分明 的邊緣，在周邊由於存在光源的散射很可能邊緣比較模糊。面陣光電傳感器主要有排成陣列 的光電轉換器及其外圍電路組成，光電轉換器將作用在傳感器上光信號轉換為電信號。面陣 光電傳感器的輸出由行地址選擇電路(1-6)及輸出電路(1-8)控制。在接收機的主控制器/ 信號處理器(1-7)的控制下，可以選擇面陣傳感器上的任一行或任一個像元的信號輸出。在 圖1中情形，應該選擇光斑(1-5)覆蓋下的像元之一或者幾個作為輸出。輸出的模擬信號， 經過模數轉換器(1-9)後，送到DSP (數位訊號處理器)(1-7)進行後續處理，得到接收數 據。
上述方案，當收發機之間的位置固定不動時，忽略空間傳輸信道的影響，通信光源的成 像光斑(1-5)也不會變動，因此固定輸出像元就可以保證通信的正常進行。但是，當接收機 有任何移動時，光斑(1-5)的位置就隨之變化，只要變化導致輸出像元超出光斑覆蓋範圍， 通信就發生中斷。
為了解決這個問題，本發明採用了一種實時定位方法，能夠估計光斑的移動方向和位置 並實施切換。實施方案之一如圖2所示。這裡忽略了系統的其它組成部分，包括通信光源(假 設是LED)、成像光學系統等。圖2中的2-l是面陣光電傳感器，2-2表示通信光源的成像光 斑，2-4是行地址選擇器，2-5是輸出移位寄存器，2-6是多輸出的多路選擇器，2-7和2-9 是信號放大器，2-8和2-10是模數轉換器，2-ll是數位訊號處理器。
在圖2所示方案中，針對接收面陣傳感器輸出信號的移位寄存器的工作方式，系統有兩 種工作模式 一種是串行輸出模式， 一種是選擇輸出模式。
串行輸出模式是常規圖像傳感器的輸出方式，對應視頻信號的行、場掃描順序，行地址 選擇器每次選擇一行像元，將其響應信號同時輸出到移位寄存器(2-5)中，然後在位時鐘的 觸發下，逐位通過連接線B1串行輸出到DSP。在行時鐘的觸發下，通過順序改變行地址，便 可以得到一幀信號。
選擇輸出模式是實施通信時的工作方式。在這種方式下，除了有行地址選擇器(2-4)夕卜， 還有列地址選擇器(圖2中沒有畫出，應該在標示列坐標的字母處，與行地址選擇器的功能 相同)，像元可以被單獨選擇，可同時選擇一個或者多個。這兩個地址選擇器，不同於一般的 地址解碼器，它們每次可以選擇多條地址線。在行、列地址選擇線的交叉點上，就是被選中 的輸出像元。像元一旦被選中，它的響應信號就被按列輸出到對應的移位寄存器(2-5)位上。 為了不使同一列上的像元重疊輸出到移位寄存器(2-5)中，應該保證每次所選的多個像元處 於不同列上(但可以處於同一行上)。
現在假定系統工作在通信模式。圖2中的2-2是最初通信光源的成像光斑，DSP選定像 元(< , W)(圖中表記為0的像元)作為通信信號的輸出(為簡化說明這裡假設只選擇了一個， 實際中可以選擇多個以增強信號輸出)，當行地址選擇器(2-4)輸出第13行的觸發信號後， 該像元信號輸出到移位寄存器(2-5)的對應位中。移位寄存器(2-5)的每一位均連接到多 路選擇器(2-6)上。多路選擇器(2-6)的選擇功能類似一個交換機，根據選定的數據輸出 像元坐標，可以將移位寄存器的任意一位連接到特定的輸出通道上。多路選擇器(2-6)在圖 中共有5路輸出通道，中間的一個通道是數據信號通道，其輸出經過放大器(2-7)放大調理 後，通過模數轉換器(2-8)變成數位訊號送到DSP中處理；另外4路是多功能輸出通道，可 作為定位信號的輸出通道，也可作為數據信號的輸出通道。如果光斑(2-2)不存在移動，那 麼多路選擇器(2-6)的數據輸出通道就一直連接在移位寄存器的第9位上(面陣傳感器的列 標記向下一直對應到2-5， 2-6上)，其輸出通過2-8轉換為數位訊號後，DSP做進一步的處
理，解出接收數據。然而，當收發機之間發生相對移動時，對應的光斑也發生移動。假設從 原來的2-2位置，沿圖中箭頭方向移動到了2-3的位置。那麼，原先選定的數據輸出像元(ft/J)
將不再被光斑覆蓋，輸出中就不再是有用的數據信號為主，而是背景光幹擾信號為主。
為了能夠適應接收機移動/抖動的影響，必須能夠實時切換像元輸出，使多路選擇器(2-6) 的數據輸出通道始終連接在響應了通信光信號的像元輸出上。對此，本實施方案設定了 4個 定位像元來估計通信光斑的移動。這4個像元的初始位置以光斑(2-2)的中心位置為參考點， 沿4個不同的方向上(上、下、左、右)在光斑的邊緣選定，如圖中標示的像元l (t,7力、 2 (島W)、 3 O,/7)、 4 (p, 9人並且和像元O相互之間都不在同一列。按照選定的像元位置 所在的列，多路選擇器(2-6)將輸出通道分別連接到對應的像元輸出上。對應的規則為定 位輸出通道1、 2、 3、 4 (與2-10的通道標號一致)始終按照上、下、左、右順序對應定位 像元。圖2情形即多路選擇器(2-6)的4個定位輸出通道1、 2、 3、 4分別對應像元1、 2、 3、 4所在列。當光斑(2-2)不動時，這4個像元的輸出不發生變化，輸出值的差別也不大。 而當光斑移動時，處於一邊的像元首先移出光斑覆蓋範圍，而另外一邊的像元會向光斑中間 靠近，不會一下全部移出。在放大的圖3中顯示了這個過程。圖3中3-1表示面陣傳感器的 一部分，像元坐標在橫向和縱向都用數字表示。通信光源光斑的初始位置是3-2，當接收機識別出來這個位置後，選擇像元0 ( 5^6) 作為數據輸出像元，選擇像元1 (站")、2 (W ")、 3 (忍7幻、4 (兆")作為定位像 元，3-6顯示了此時對應的行地址觸發位置，3-9顯示了此時對應的列輸出位置，即多路選擇 器(2-6)輸出通道的選擇位置。當光斑沿圖中箭頭方向從3-2移到3-3時(大約移動了一個 像元尺度)，選定的5個像元中像元4移出了光斑覆蓋範圍、像元2部分移出了光斑覆蓋範圍、 數據輸出像元0 (35, 76)向邊緣靠近。對比4個定位像元輸出變化，就可以定量估計光斑的 移動位置，其參考方向是選定的4個定位像元確定的坐標，如圖中虛線(3-10)所示。此時， 數據像元並仍舊在光斑覆蓋之下，能夠正常輸出數據信號。但是，為了在連續移動的情況下 不會被突然移出，數據像元應該在移出之前根據所判斷的移動方向和量切換到最佳輸出位置。 根據圖3中所示，即像元0 上。這個切換能夠保證連續切換，在數據脈衝間隙內多
路轉換器的數據輸出通道從圖3中的35列切換到34列即可。這個過程也可以採取分集切換 的方式，只需要在多路轉換器中增加一個數據通道。在切換的過程中，這兩個通道同時工作， 並將輸出合併。等到像元0 (J^/。完全移出後，這個通道就成為切換的備用通道，等待下 一個新確定像元的位置。
除了實時調整數據像元外，定位像元跟隨光斑的移動也做相應調整，以保證能夠動態監 控光斑的移動。如圖3中情形，新的定位像元將分別選擇為N ")、 S (範W)、 W (觀7《)、 E( 7,/5)。同時，多路轉換器也及時將定位輸出通道切換到對應新定位像元的位置上，圖3 情形即， 麼M、 S0、 J7列上。如3-7所示輸出選擇關係，3-8是新的行地址觸發位置，其中
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包括了數據輸出通道(對應34列)。此時，如果光斑繼續移動，新的定位像元建立的參考座 標就可以繼續擔當移動位置的判定。如此反覆，就能夠實現動態的光斑跟蹤、輸出切換，保 證了通信的連續性。
圖4是上述流程的總結，並且包含了光斑是否靠近視場邊緣的判斷。當光斑靠近面陣傳
感器的邊緣時，就是通信光源靠近了光接收機的視場邊緣。如果是手持式通信設備，比如手 機，那麼發出這樣的告警信號，會提醒操作者注意調整位置，保持通信正常進行，或者如果 通信系統支持光源切換的話，控制接收機尋找並準備切換到另外的通信光源上，只要兩個光 源同時處於接收機視場之內，就可以實現無縫的轉移。
上述發明實施方案針對的面陣傳感器無論是取樣輸出還是連續輸出，無論組成的像素多 和少，均不影響實現方法的實質，所需改變的只是外圍電路。
上述發明實施方案中多路選擇器的輸出通道，包括數據輸出通道和定位輸出通道的數量 完全可以視應用需求改變。
上述在通信應用中的實施方案，其概念顯然還可以擴展到其他領域，如基於紅外或者雷 達成像的高速目標跟蹤、定位測量系統等，也可以有不同的實現方法，但是所有基於面陣傳 感器選擇性輸出的移動跟蹤都不脫離本發明的基本概念及保護範圍。
權利要求
1.一種光通信接收裝置，由成像光學系統、面陣光電傳感器和相應的輸出控制和信號處理電路構成。a)成像光學系統將視場內的一個或多個通信光源成像在面陣光電傳感器上；b)面陣光電傳感器由多個像元組成，像元的核心是光電轉換器；c)輸出控制電路選擇、控制面陣光電轉換器中各像元的輸出；d)信號處理電路接收並處理光電傳感器的輸出信號。
2. 權利要求l中所述的輸出控制電路-a) 選擇通信光源在面陣傳感器上成像光斑中心覆蓋像元作為數據輸出像元，並將其 輸出連接到所述的信號處理電路。b) 選擇通信光源在面陣傳感器上成像光斑邊緣處不同方向上的4個或者更多像元作 為定位像元，並將它們的輸出分別連接到信號處理電路。
3. 權利要求1中所述的信號處理電路根據權利要求2中所述的定位像元的輸出估計通信 光源在面陣傳感器上成像光斑的移動，當有移動發生時，輸出控制電路切換權利要求 2中所述的數據輸出像元到新的像元位置，同時切換所述的定位像元到新的像元位置。
4. 當權利要求2中所述的數據輸出像元有多個、到信號處理電路的連接通道有多個時， 權利要求3中所述的數據輸出像元的切換是分集切換，分集源是同一個通信光源或者 是不同的通信光源。
5. 根據通信光源成像光斑覆蓋的像元位置坐標，信號處理電路推定通信光源與接收機視 場邊緣的距離，當判斷出發送光源已經接近視場邊緣時，發出相應信號，此時當存在 可切換的其它通信光源時，實施權利要求4中所述的不同光源分集切換。
全文摘要
本發明提出一種面陣光電傳感器輸出信號的移動跟蹤方法。由成像光學系統和面陣光電傳感器組成的光接收機，存在輸出像元的選擇問題，並且當收發機之間有相對移動時，響應通信光的像元位置發生改變，此時需要跟蹤切換，避免通信中斷。本發明通過在選擇數據輸出像元的同時選擇跟蹤定位像元，監控計算它們的輸出變化、實時估計通信光源成像光斑的移動，實現了移動情況下對數據輸出像元的跟蹤。
文檔編號H04B10/06GK101170359SQ20071017165
公開日2008年4月30日 申請日期2007年12月3日 優先權日2007年12月3日
發明者樊凌濤 申請人:華東理工大學