一种用于光通信的时钟同步装置与方法

技术领域

本发明属于信息处理技术领域，提出了一种用于光通信的时钟同步装置与方法。

背景技术

光通信是一种利用光源的高速闪烁传递编码信息的新型通信技术。在无线电频谱资源日益紧张的背景下，光通信以其独有的频谱资源宽、人体辐射小、通信速度快等优点得到了研究人员的广泛关注，在医院、机场等辐射敏感场所以及物联网、室内定位领域具有广阔的应用前景。

光通信根据使用场景可划分为室内光通信和室外光通信两种类型。室内光通信由于具有信号强度较强、传输链路简单、可借助无线电等手段辅助通信等特点，目前已经取得了相当多的研究成果和实际应用，如2013年，海因里希·赫茲研究所在实验室将可见光通信速率提高到3Gbps，2015年5月，飞利浦和零售连锁巨头家乐福在法国的一个商场通过智能手机集成VLC系统给顾客提供定位服务。目前室内光通信的研究重点主要在于高速短距离传输方面。对于室外光通信而言，由于通信距离较长，且通信信道受到大气衰减效应、大气湍流效应和背景光干扰的影响，因此在信噪比、传输链路、辅助手段等方面相比室内光通信都有明显的差距，因此实现难度较大，研究成果相对较少。

目前室外远距离的光通信系统主要研究的问题有：(1)光源信号的同步接收；(2)光源的识别与跟踪；(3)光链路的研究；(4)光调制解调技术的研究。其中首先要解决的光源与接收机的同步接收问题，在接收机与光源时钟未对准的状态下，即使选用帧率与光源闪烁频率相同的高速相机，在拍摄闪烁光源时也极易出现信号丢失、错码、移位等问题。当前解决时钟同步问题的方案主要包括无线电辅助对准、在信号中设置一段专门的同步识别帧等，但这些方案在室外复杂干扰场景下仍然存在效果不佳、占用通信容量等问题，因此这一技术还有相当大的发展空间。

综上，为了解决室外光通信的时钟同步问题，本发明提出了一种时钟同步装置与方法，相比现有技术具有可靠性强、占据通信容量小等优点，很适合室外长距离条件下的高速光通信场景，在室内光通信领域也有一定的应用价值。

发明内容

(一)发明目的

为了解决室外光通信的时钟同步问题，本发明提出了一种时钟同步装置与方法，相比现有技术具有可靠性强、占据通信容量小等优点，很适合室外长距离条件下的高速光通信场景，在室内光通信领域也有一定的应用价值。

(二)技术方案

本发明的时钟同步装置由三个模块组成，分别是闪烁光源、光接收机和微型计算机。所述模块的详细功能包括：

闪烁光源模块，可以包括但不局限于可见光波段，通过OOK调制方法高速闪烁传递二进制“01”信号。光源设置两种闪烁模式，分别是身份识别模式和通信模式，身份识别模式下的光源按照预先设定的身份识别码进行周期性闪烁，通信模式下则将需要传递的信息转化为二进制ASCII码进行传输，两种模式下的闪烁频率一致，对于光导航等只需要光源身份信息的应用场景，通信模式和身份识别模式的闪烁情况相同。光源携带无线电通信模块，在MIMO等利用多个光源传输信息的场景下，由于接收机与光源的距离较远，难以通过无线电通信辅助时钟同步，而光源间距离相对较近，可以通过无线电信号实现同时闪烁，避免了接收机无法同时接收多个光源传输信号的问题。

光接收机模块，通过可延时触发的高速相机进行图像采集，并将采集到的图像传递到微型计算机完成时钟同步和身份识别等处理工作，选择相机时应选取最大帧率等于或大于光源闪烁帧率的帧率可调相机。

微型计算机模块，事先存储所有闪烁光源的身份序列信息，并烧录入多种算法保证系统正常工作，算法包括：相机触发算法，主要用于对相机图像采集进行延时控制；图像差分算法，主要用于将相机采集到的图像序列进行帧间差分，从而找到灰度出现变化的疑似闪烁区域；连通域筛选算法，主要在光源大小和与相机的距离已知的条件下计算闪烁光源在图像上的大小，从而初步筛选出图像中疑似闪烁光源的区域；光源识别算法，主要利用帧间差分得到的疑似区域灰度序列与光源闪烁差分序列做相关性计算，从而识别出我方闪烁光源和干扰光源。

为快速、准确的完成时钟同步，本发明采用的同步方法如下：

一种用于光通信的时钟同步方法，基于闪烁光源高速闪烁发送二进制序列，所述二进制序列为将光源身份信息以及其他需要传递的数据信息通过LS编码得到的序列。当前的时钟同步方案常在光源身份信息之前添加专门的一段二进制序列用于时钟同步，这无疑降低了有效信息的容量上限，本发明取消了专门的时钟同步序列，利用可延迟触发的高速相机，在触发拍照时通过遍历光源的闪烁周期，可以同时实现时钟同步和光源识别环节，相比现有技术提高了通信容量和可靠性，所述方法包括：

将所有光源的身份识别编码事先存储到触发相机拍摄的微型计算机中，当光源按照身份识别编码进行周期性闪烁时，首先不考虑时钟是否同步，直接通过微型计算机触发相机按照与光源闪烁频率相同的帧率拍照，当触发信号的长度为一个闪烁周期时，将采集到一组图像序列，由于视场中可能存在常亮或闪烁的干扰光源，因此须将采集到的每一帧图像与前一帧图像进行差分，利用帧间差分得到多个灰度值出现变化的连通区域，并利用事先已知的闪烁光源大小、光源与相机距离等信息对连通区域的大小做初步判断，初步筛选出所有可能为我方闪烁光源的连通区域并记录其位置和在每一帧差分图像上的灰度信息，将高于设定阈值的灰度值记为“1”低于阈值的记为“0”，对于在前n张差分图像上都未出现灰度变化，在第n+1张差分图像上出现灰度变化的区域，需要新建一存储空间存储其位置和灰度信息，并将其在前n张差分图像上的灰度信息都赋值为“0”。

当采集到的图像序列达到一个光源闪烁周期的预定帧数时，将此时拍摄得到的图像序列通过微型计算机进行帧间差分，此时仍然利用微型计算机继续触发相机按照当前帧率拍照，但不对拍到的图片进行差分处理。在微型计算机中将所有疑似位置的灰度信息序列与之前存储的光源身份识别码差分序列做对比，计算相关程度，如计算疑似位置的差分序列x和合作光源闪烁查分序列y的互相关函数：

互相关函数值越大，表明疑似位置的差分灰度序列与闪烁光源的差分灰度序列越相似，当相关函数值大于设定的阈值时，即可以判定疑似连通区域位置是我方闪烁光源的位置，从而同时完成了时钟同步和身份识别，当一组图像序列中所有疑似位置的差分灰度信息都与我方合作光源的差分灰度信息不相关时，可判定时钟同步未完成，此时通过微型计算机将用于触发相机拍照的触发信号向后延时1ms，并得到一个新的周期图像序列进行帧间差分和相关性判别，若仍未得到具有高度相关性的差分序列，则继续重复以上步骤，当前光通信采用的光源和接收机常为可高速调制的LED光源和高速相机，因此一个周期的时间极短，以光源按120Hz频率闪烁为例，一个闪烁周期的时间仅为8.3ms，因此我们的时钟同步方法最多只需要8次延时拍摄和图像处理即可完成时钟同步和光源身份识别功能，且为了提高通信容量，光源身份识别编码的长度通常也设置较短，多为8位二进制编码，因此8次延时至多需要处理64张照片，以当前微型计算机的算力而言，仅需几秒钟即可完成这一功能，换言之本发明仅需几秒钟即可完成室外远距离光通信的同步接收和光源识别两个步骤，相较原有方法消耗的时间并未显著增加，而取消了原有的时钟同步码则明显提高了通信容量，相较当前方法具有显著优势。

(三)优点

本发明提供的一种用于光通信的时钟同步装置与方法的优点在于：

①只利用接收机采集图像实现时钟同步，不需要额外添加无线电通信等模块。

②不需要在通信编码中加入专门的时钟同步码，提高了通信容量。

③本发明可同时应用于室外远距离光通信和室内光通信两种场景，应用范围广。

附图说明

图1是本发明的时钟同步装置中各模块的关系示意图。

图2是本发明的时钟同步方法流程图。

具体实施方式

下面描述为了便于本领域普通技术人员更好理解和实现本发明。现以单一红外光源与可延时触发的高速红外相机间的光通信场景为例，描述本发明实现时钟同步的过程，各模块间的连通关系如附图1所示。以下实例仅作为举例，不应理解为本发明局限于这里描述的示例性实例。

在当前场景下，红外光源通过OOK调制方法高速闪烁传递二进制“01”序列信息，其中“0-1”分别对应光源闪烁时的“灭—亮”状态，闪烁频率设为120Hz。设置接收机按照与光源闪烁频率相同的帧率进行图像采集，在未进行时钟同步的条件下，此时采集的图像信息可能无法正确反映光源的闪烁情况。

保持高速相机按照相同的帧率持续采集图像，而从中任意抽取出一个光源闪烁周期长度下采集到的图像序列，对其中的相邻两帧进行差分，由于常亮干扰光源和背景信息基本不存在亮度变化，因此可从差分图像中提取出亮度变化的区域，可能包括我方闪烁光源、干扰闪烁光源、运动物体等，将亮度变化的区域利用聚类算法分割成单个的连通域。此步骤中还可执行以下优选环节：当提前已知我方闪烁光源亮度、大小、距离等先验信息时，可以以此对连通域按照大小、灰度等条件进行进一步筛选，得到最可能是我方闪烁光源的几个疑似连通域，若事先不知道此类先验信息可以忽略此环节。

记录下所有疑似位置的差分灰度信息。将高于设定阈值的灰度值记为“1”低于阈值的记为“0”，对于在前n张差分图像上都未出现灰度变化，在第n+1张差分图像上出现灰度变化的区域，需要新建一存储空间存储其位置和灰度信息，并将其在前n张差分图像上的灰度信息都赋值为“0”。在微型计算机中将所有疑似位置的灰度信息序列与之前存储的光源身份识别码差分序列做对比，计算相关程度，如计算疑似位置的差分序列x和合作光源闪烁查分序列y的互相关函数：

互相关函数值越大，表明疑似位置的差分灰度序列与闪烁光源的差分灰度序列越相似，当相关函数值大于设定的阈值时，即可以判定疑似连通区域位置是我方闪烁光源的位置，从而同时完成了时钟同步和身份识别，当一组图像序列中所有疑似位置的差分灰度信息都与我方合作光源的差分灰度信息不相关时，可判定时钟同步未完成，此时通过微型计算机将用于触发相机拍照的触发信号向后延时1ms，并得到一个新的周期图像序列进行帧间差分和相关性判别，若仍未得到具有高度相关性的差分序列，则继续重复以上步骤，当前光通信采用的光源和接收机常为可高速调制的LED光源和高速相机，因此一个周期的时间极短，在本例所述光源按照120Hz频率闪烁的场景下，一个闪烁周期的时间仅为8.3ms，因此我们的时钟同步方法最多只需要8次延时拍摄和图像处理即可完成时钟同步和光源身份识别功能，且为了提高通信容量，光源身份识别编码的长度通常也设置较短，多为8位二进制编码，因此8次延时至多需要处理64张照片，以当前微型计算机的算力而言，仅需几秒钟即可完成这一功能，换言之本发明仅需几秒钟即可完成室外远距离光通信的同步接收和光源识别两个步骤，相较原有方法消耗的时间并未显著增加，而取消了原有的时钟同步码则明显提高了通信容量，相较当前方法具有显著优势。