本發(fā)明屬于可見(jiàn)光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種含有鏡面反射的室內(nèi)可見(jiàn)光功率分布仿真計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)的室內(nèi)可見(jiàn)光建模方式只采用漫反射模式的方法不同，該建模方法將漫反射和鏡面反射結(jié)合起來(lái)，之所以采取這種方法，原因一：在實(shí)際場(chǎng)景中很多地方都會(huì)裝飾一面鏡子來(lái)達(dá)到擴(kuò)大空間的作用；原因二：相比漫反射，鏡面反射可以獲得更高的功率；原因三：對(duì)于鏡面反射來(lái)說(shuō)一條入射光線(xiàn)只可能產(chǎn)生一條出射光線(xiàn)，所以從某一點(diǎn)經(jīng)過(guò)墻面反射到另一點(diǎn)只有一條路線(xiàn)，與漫反射相比可以在一定程度上減弱多徑干擾所帶來(lái)的影響，從而可以實(shí)現(xiàn)更快的傳輸速度，為可見(jiàn)光通信帶來(lái)更多的可能。
1979年，gfeller和bapst建立了室內(nèi)漫散射紅外通信系統(tǒng)模型，通過(guò)系統(tǒng)脈沖響應(yīng)來(lái)表示室內(nèi)信道的特性，他們認(rèn)為室內(nèi)信道分為兩個(gè)部分：los和nlos。los指從發(fā)射器直接達(dá)到接收器的路徑；nlos指從發(fā)射器經(jīng)過(guò)墻壁、天花板、地面即物體的漫反射后到達(dá)接收器的路徑。1993年，barry在gfeller提出的漫反射模型基礎(chǔ)上，又提出了一種基于朗伯輻射模型的室內(nèi)紅外通信信道模型。該模型把所有的平面都劃分成更小的單元，對(duì)于第一次反射，每個(gè)單元都被看光源的接收器，求得los光功率；對(duì)于第二次反射，則把第一次的每一個(gè)接收單元看做新的光源，然后重復(fù)計(jì)算，得到反射的功率。2010年，北京郵電大學(xué)丁舉鵬針對(duì)上述信道模型在計(jì)算多次漫反射時(shí)過(guò)于復(fù)雜和精度不足的情況，提出反射源獨(dú)立交互式方法來(lái)計(jì)算墻壁多次反射，該方法避免了大量重復(fù)性遞歸運(yùn)算，降低計(jì)算的復(fù)雜程度，提高運(yùn)算效率。2014年，chowdhury等人將deterministicmethod和modifiedmontecarlomethod這兩種算法結(jié)合起來(lái)，第一次反射采用deterministicmethod，其余反射采用modifiedmontecarlomethod，在保障準(zhǔn)確度的同時(shí)也提高了算法的運(yùn)行效率。
從第一次仿真開(kāi)始，雖然所有的仿真一步一步提高了結(jié)果的精度，但是由于只采用了漫反射的反射模式，而忽略了鏡面反射這一重要部分，所以仿真結(jié)果與實(shí)際情況相比不免有一定程度的誤差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)背景技術(shù)的不足提供了一種含有鏡面反射的室內(nèi)可見(jiàn)光功率分布仿真計(jì)算方法，其對(duì)于鏡面反射來(lái)說(shuō)一條入射光線(xiàn)只可能產(chǎn)生一條出射光線(xiàn)，與漫反射產(chǎn)生多條反射光線(xiàn)相比，可以克服多徑效應(yīng)所帶來(lái)的干擾，實(shí)現(xiàn)信息的準(zhǔn)確傳輸。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案
一種含有鏡面反射的室內(nèi)可見(jiàn)光功率分布仿真計(jì)算方法，具體包含如下步驟：
步驟1，設(shè)定所需要的參數(shù)；
步驟2，從s點(diǎn)向鏡面作垂線(xiàn)，并延長(zhǎng)該線(xiàn)使延長(zhǎng)線(xiàn)段的距離等于s點(diǎn)到垂點(diǎn)的距離，從而求出s點(diǎn)關(guān)于鏡面的虛擬點(diǎn)s'的坐標(biāo)；
步驟3，連接虛擬點(diǎn)s'與反射點(diǎn)a，并延長(zhǎng)s'a與地面相交；
步驟4，利用三點(diǎn)共線(xiàn)的方法求出延長(zhǎng)s'a與地面交點(diǎn)b點(diǎn)的坐標(biāo)；
步驟5，根據(jù)鏡面反射率r計(jì)算b點(diǎn)功率，并且計(jì)算從s點(diǎn)到b點(diǎn)的時(shí)間t；
步驟6，當(dāng)光線(xiàn)到達(dá)b點(diǎn)后，把b點(diǎn)看做光源并采用漫反射模式向各個(gè)方向發(fā)射光線(xiàn)，進(jìn)而獲取地面上的功率分布情況以及地面各點(diǎn)的脈沖響應(yīng)；
步驟7，通過(guò)改變鏡面的大小以及鏡面的位置，重復(fù)步驟2到步驟6，獲取不同鏡面參數(shù)下地面上的功率分布情況。
作為本發(fā)明一種含有鏡面反射的室內(nèi)可見(jiàn)光功率分布仿真計(jì)算方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟1中，所述參數(shù)包含房間的長(zhǎng)寬高、光源的位置、各面的反射率以及鏡面的位置大小。
作為本發(fā)明一種含有鏡面反射的室內(nèi)可見(jiàn)光功率分布仿真計(jì)算方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟4中，所述三點(diǎn)共線(xiàn)的具體方法為
其中ax，ay，az為a點(diǎn)坐標(biāo)，bx，by，bz為b點(diǎn)坐標(biāo)，s'x，s'y，s'z為s'點(diǎn)坐標(biāo)。
作為本發(fā)明一種含有鏡面反射的室內(nèi)可見(jiàn)光功率分布仿真計(jì)算方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟5中，b點(diǎn)功率的具體計(jì)算如下：
其中，n為光源的朗伯模式，r為鏡面反射率，ps為光源功率，θ為sa與光源所在平面法線(xiàn)的夾角，ψ為sa與a點(diǎn)所在平面的夾角，ar為a點(diǎn)所在最小單元的面積，dsa為s與a的距離。
作為本發(fā)明一種含有鏡面反射的室內(nèi)可見(jiàn)光功率分布仿真計(jì)算方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟5中，t的具體計(jì)算如下：
本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
1、本發(fā)明主要將只考慮漫反射的傳統(tǒng)反射模式轉(zhuǎn)變?yōu)榭紤]漫反射和鏡面反射組合的反射方式，并且給出了計(jì)算鏡面反射所采用的方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)信道建模仿真過(guò)程中考慮不全面的弊端，從在一定程度上更加符合實(shí)際的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)可見(jiàn)光建模的進(jìn)一步優(yōu)化；
2、本發(fā)明利用到達(dá)地面的反射點(diǎn)的鏡像來(lái)計(jì)算這些光線(xiàn)的反射光線(xiàn)的傳播方向，與傳統(tǒng)只采用漫反射的方法相比，可以大大減少計(jì)算量；
3、本發(fā)明主要針對(duì)反射模式進(jìn)行了調(diào)整，在單一的漫反射模式中引入了鏡面反射，并且對(duì)鏡面反射的信號(hào)傳輸路徑問(wèn)題給出了解決的方法，從而不需要再考慮漫反射的反射光線(xiàn)角度不確定的問(wèn)題，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，并且在一定程度上可以克服多徑干擾，提高了系統(tǒng)的精確度。
附圖說(shuō)明
圖1是鏡面反射的反射光線(xiàn)方向。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：
本發(fā)明的思路是對(duì)現(xiàn)有的可見(jiàn)光室內(nèi)通信信道模型進(jìn)行改進(jìn)，引入鏡面反射以后，對(duì)于到達(dá)該鏡面的光線(xiàn)，將采取鏡面反射的反射模式，一條入射光線(xiàn)只產(chǎn)生一條出射光線(xiàn)，從而一定程度上克服多徑效應(yīng)帶來(lái)的干擾，并且不需要考慮漫反射反射光線(xiàn)的復(fù)雜問(wèn)題，大大簡(jiǎn)化了信號(hào)傳輸?shù)膹?fù)雜程度，也可以得到更精確的室內(nèi)功率的分布。
一種含有鏡面反射的室內(nèi)可見(jiàn)光功率分布仿真計(jì)算方法，如圖1所示：具體包含如下步驟：
步驟1，設(shè)定所需要的參數(shù)；所述參數(shù)包含房間的長(zhǎng)寬高、光源的位置、各面的反射率以及鏡面的位置大小。
步驟2，從s點(diǎn)向鏡面作垂線(xiàn)，并延長(zhǎng)該線(xiàn)使延長(zhǎng)線(xiàn)段的距離等于s點(diǎn)到垂點(diǎn)的距離，從而求出s點(diǎn)關(guān)于鏡面的虛擬點(diǎn)s'的坐標(biāo)；
步驟3，連接虛擬點(diǎn)s'與反射點(diǎn)a，并延長(zhǎng)s'a與地面相交；
步驟4，利用三點(diǎn)共線(xiàn)的方法求出延長(zhǎng)s'a與地面交點(diǎn)b點(diǎn)的坐標(biāo)；所述三點(diǎn)共線(xiàn)的具體方法為
其中ax，ay，az為a點(diǎn)坐標(biāo)，bx，by，bz為b點(diǎn)坐標(biāo)，s'x，s'y，s'z為s'點(diǎn)坐標(biāo)。
步驟5，根據(jù)鏡面反射率r計(jì)算b點(diǎn)功率，并且計(jì)算從s點(diǎn)到b點(diǎn)的時(shí)間t；則b點(diǎn)脈沖響應(yīng)為：由于有很多路徑經(jīng)過(guò)反射可以到達(dá)b點(diǎn)，最終將各脈沖響應(yīng)累積起來(lái)即是b點(diǎn)接收的總功率；b點(diǎn)功率的具體計(jì)算如下：
其中，n為光源的朗伯模式，r為鏡面反射率，ps為光源功率，θ為sa與光源所在平面法線(xiàn)的夾角，ψ為sa與a點(diǎn)所在平面的夾角，ar為a點(diǎn)所在最小單元的面積，dsa為s與a的距離。
t的具體計(jì)算如下：
步驟6，當(dāng)光線(xiàn)到達(dá)b點(diǎn)后，把b點(diǎn)看做光源并采用漫反射模式向各個(gè)方向發(fā)射光線(xiàn)，進(jìn)而獲取地面上的功率分布情況以及地面各點(diǎn)的脈沖響應(yīng)；
步驟7，通過(guò)改變鏡面的大小以及鏡面的位置，重復(fù)步驟2到步驟6，獲取不同鏡面參數(shù)下地面上的功率分布情況。
漫反射，是投射在粗糙表面上的光向各個(gè)方向反射的現(xiàn)象。當(dāng)一束平行的入射光線(xiàn)射到粗糙的表面時(shí)，雖然入射線(xiàn)互相平行，由于各點(diǎn)的法線(xiàn)方向不一致，造成反射光線(xiàn)向不同的方向無(wú)規(guī)則地反射，鏡面反射和漫反射的唯一區(qū)別就是鏡面反射的反射面比較平，因而光束比較統(tǒng)一而且反射方向比較一致。
鏡面反射遵循光的反射定律，其所成像的性質(zhì)是正立的，等大的，位于物體異側(cè)的虛像，會(huì)左右相反。
光的反射定律：1.反射角等于入射角；
2.入射光線(xiàn)，反射光線(xiàn)在同一平面內(nèi)；
3.入射光線(xiàn)和反射光線(xiàn)位于法線(xiàn)兩側(cè)。
傳統(tǒng)的仿真方法中漫反射的反射光線(xiàn)可以向各個(gè)方向進(jìn)行傳播，所以沒(méi)有一個(gè)確定的角度，而鏡面反射的反射光線(xiàn)只有一條，并且根據(jù)其反射定律，其反射方向是一定的，這也是引入鏡面反射以后仿真需要解決的問(wèn)題。由于直接求光源到某一點(diǎn)的反射光線(xiàn)，不僅要考慮法線(xiàn)方向，同時(shí)還必須考慮共面的問(wèn)題，這無(wú)疑需要很多的限制條件。
所以本文提出一種解決的方法：只需要考慮光源關(guān)于鏡面的虛像，該虛像與反射點(diǎn)的連線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)就是該處的反射光線(xiàn)(如圖1)，所以只要求延長(zhǎng)線(xiàn)與地面的交點(diǎn)便可以確定該光線(xiàn)的傳播路徑，也就可以省去共面、法線(xiàn)等更重條件的計(jì)算。當(dāng)光線(xiàn)到達(dá)地面后，由于地面仍采用漫反射模式，根據(jù)deterministicmethod，該點(diǎn)將對(duì)每個(gè)單元發(fā)射一束光線(xiàn)，而要計(jì)算到達(dá)鏡面的光線(xiàn)的傳播方向，可以采取與光源相同的方法，利用到達(dá)地面的反射點(diǎn)的鏡像來(lái)計(jì)算這些光線(xiàn)的反射光線(xiàn)的傳播方向。
步驟一：在某一墻壁上人為設(shè)定鏡面的大小，如圖1所示，在5m*5m*3m的房間中，我們?cè)O(shè)定整個(gè)左面墻壁為鏡面，反射率r1＝0.9，其余三面墻壁以及天花板采用漫反射的方式，反射率r2＝0.8，地面的反射率r3＝0.3；
步驟二：設(shè)定基本參數(shù)后好，對(duì)于鏡面反射我們只需要考慮光源關(guān)于鏡面的虛像，該虛像與反射點(diǎn)的連線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)就是該處的反射光線(xiàn)，所以只要求延長(zhǎng)線(xiàn)與地面的交點(diǎn)便可以確定該光線(xiàn)的傳播路徑。位于天花板上的led作為一個(gè)光源s，位于地面的b點(diǎn)就是經(jīng)過(guò)鏡面上a點(diǎn)反射后光線(xiàn)到達(dá)的位置，所以s點(diǎn)到b點(diǎn)具有兩種路徑：los和nlos。由于led采用朗伯光源，所以其los功率可以直接求出。對(duì)于nlos功率，沒(méi)有到達(dá)鏡面的光線(xiàn)仍然采用漫反射的方式，而到達(dá)鏡面的光線(xiàn)則采用鏡面反射的方式，經(jīng)過(guò)對(duì)鏡面劃分，我們可以求出led到達(dá)每個(gè)單元的功率，例如p(a)則可以根據(jù)los方法求出，又由于入射光線(xiàn)sa與反射光線(xiàn)ab共面，s'為s的鏡像，根據(jù)光的傳播性質(zhì)，s'a與ab應(yīng)該共線(xiàn)，由公式
已知ax，ay，az，bz，很容易求出bx，by，從而可以得到b點(diǎn)的坐標(biāo)，而b點(diǎn)的功率p(b)＝p(a)*r1，r1為鏡面的反射率。
而且光線(xiàn)從s到b的傳播時(shí)間也很容易求出，
由上式可知，與傳統(tǒng)的仿真方法中漫反射的反射光線(xiàn)可以向各個(gè)方向進(jìn)行傳播，沒(méi)有一個(gè)確定的角度相比較，鏡面反射的反射光線(xiàn)只有一條，并且根據(jù)其反射定律，其反射方向是一定的，經(jīng)過(guò)本文中提出的方法，可以直接求光源到某一接收器的光線(xiàn)傳播過(guò)程，并且很容易求出傳輸所需要的時(shí)間以及到達(dá)接收器時(shí)的接收功率，而且不需要考慮法線(xiàn)方向以及共面的問(wèn)題，這無(wú)疑大大減少了所需要的計(jì)算量。
而對(duì)于更高次的反射時(shí)到達(dá)該鏡面的光線(xiàn)則可以采用相同的方法，比如當(dāng)光線(xiàn)到達(dá)地面后，地面采用漫反射模式，根據(jù)deterministicmethod，該點(diǎn)將對(duì)每個(gè)單元發(fā)射一束光線(xiàn)，那么就會(huì)有一部分光線(xiàn)要到達(dá)鏡面，而要計(jì)算該部分光線(xiàn)的到達(dá)鏡面后反射光線(xiàn)，則可以利用b點(diǎn)的鏡像b’來(lái)計(jì)算這些光線(xiàn)的反射光線(xiàn)的傳播方向。
步驟三：我們可以根據(jù)實(shí)際需要改變鏡面的大小，比如某一部分需要集中一些來(lái)達(dá)到更快的傳輸速度，這樣我們就可以只在某些部分裝上鏡面，而不用整面墻都裝上，在節(jié)約成本的同時(shí)也能達(dá)到相應(yīng)的效果。
從上述處理可知，本發(fā)明提出的含有鏡面反射的室內(nèi)可見(jiàn)光建模方法可以有效減少仿真過(guò)程中需要考慮的光線(xiàn)的數(shù)量，并且很容易求出光線(xiàn)的傳播路徑，在減弱多徑干擾的同時(shí)，也彌補(bǔ)了傳統(tǒng)室內(nèi)可見(jiàn)光信道建模過(guò)程中只考慮漫反射的不足之處，使信道建模得到進(jìn)一步完善。