通信行业专题报告：光器件行业研究框架与投资机会梳理

（报告出品方/作者：国信证券，马成龙、陈彤、付晓钦）

一、光器件市场概述

光电技术是信息技术的重要分支，应用广泛

光电技术是信息技术的重要分支，信息化时代下光电产业发展迅速。光电技术是获取光子信息或借助光子提取其他信息的重要手段，涉及光子与电子两大信息化社会的关键支柱。自上世纪80年代以来，光电子产品应用日益广泛，从产业链角度看包括光辐射（激光）、光探测、光传输、光处理、光显示、光存储、光集成及光转换（光伏）等多个领域。光电产业市场规模日益增长，据中国光学光电子行业协会，2019年中国光电行业总产值已突破1.5万亿元。当前，一些新兴的应用亦在快速发展，例如AR/VR、激光雷达等。

光通信应用场景：电信网络和数据中心

应用趋势：随着移动互联网和云计算的发展，数据中心的计算能力和数据 交换能力呈指数级增长，光通信的应用主体从运营商网络转向数据中心。电信网络的光通信应用：1980年代光纤诞生以来，光通信应用从骨干网到 城域网、接入网、基站。目前国内传输网络基本完成光纤化，但数据在进 出网络时仍需要进行光电转换；未来向全光网演进。以光模块为例，据 LightCounting数据，电信市场（FTTx+无线前传/中回传+CWDM/DWDM）占比 约为40%-45%。

数通市场：受海外云厂商资本开支驱动，增长稳定性强

整体来看，海外云厂商资本开支维持稳定增长态势。22Q1，海外三大云厂商及Meta资本开支合计355.18亿美元（同比+30%，环比-2.8%）。在全球数据流量快速增长背景下，云厂商资本开支整体呈稳定增长态势。短期来看，据Dell’Oro Group，大多数主要云服务提供商2022年将经历一个扩张周期，驱动2022年全球数据中心资本开支预计超过2400亿美元。

电信市场：受运营商资本开支周期变动影响，波动性较大

u 电信市场是光通信最早发力的市场，主要用于无线接入、固网接入和承载网等，市场受运营商资本开支周期变动影响显著。电信运营商的Capex具有周期性特点，在代际升级的主建设期，运营商Capex会有明显的上升——例如国内13-15年的4G主建设期及19年至今的5G主建设期，运营商资本开支有明显提升。受此影响，电信侧光通信市场的波动性较数通侧更为显著，仍以光模块为例，据LightCounting数据，2013-2015年期间随着4G建设加速，国内电信侧光模块市场快速增长，相同的趋势也在2019年5G建设开启时出现。因此，电信侧光通信市场增长与通信技术代际升级，也即运营商重点投入时期高度相关，相关时点的市场表现更为优异

二、光模块

光模块主要用于实现光、电信号的转换

光模块是用于设备与光纤之间光电转换的接口模块。光模块主要用于实现光电信号的转换。光模块主要由光学器件和辅料（外壳、插针、PCB与控制芯片）构成。光学器件（包括光芯片和光学元件组件）约占光模块成本70%以上，辅料（外壳、插针、PCB与电路芯片等）占光模块总成本近30%。

光发射组件TOSA一般包含激光二极管、背光监测二极管、耦合部件、TEC以及热敏电阻等元件。一定速率的电信号经驱动芯片处理后驱动激光器（LD）发射出相应速率的调制光信号，通过光功率自动控制电路，输出功率稳定的光信号。光接收组件ROSA一般包含光电探测器、跨阻放大器、耦合部件等元件。一定速率的光信号输入模块后由光探测器转（PD/APD）换为电信号，经前置放大器（TIA)放到后输出相应速率的电信号。

光模块规格型号繁多，适用于不同应用场景

光模块种类繁多，有多种分类方式，包括按封装方式、光口速率、传输距离、调制格式、是否支持 波分复用、适用的光纤类型、光接口工作模式、光芯片类型、连接器接头类型、使用方式、工作温 度范围等。例如，400G光模块按照封装方式可以分为CDFP、CFP8、QSFP-DD和OSFP方案。按信号调 制方式可分为NRZ和PAM4调制。按传输距离，可分为SR、DR、FR、LR等。早期的400G光模块用16路 25Gbps NRZ的实现方式，现在主流是4路106Gbps PAM4（400G-DR4,FR4,LR4）的实现方式。

光模块技术升级路线：向更高速率和更低成本演进

光模块速率升级的方法有两种：1、提高单通道的比特速率；2、增加通道数。10G到40G，提升的是通道数；从40G到100G，提升的是单通道波特率；从100G到400G，可用16*25G、4*100G（100G激光器的波特率存在瓶颈，可用50G激光器叠加更高的调制方式，即PAM4；对比传统NRZ调制，PAM4单个脉冲可以传递两比特信息，相同条件下信道容量可以提升一倍），或者采用8*50G方案。

光模块市场空间：预计2026年超过170亿美元

2020年全球光模块市场规模80亿美元，未来五年预计稳步增长。根据LightCounting预测，2016-2018年光模块行业增长平缓，2019年后光模块升级加速，尤其2020年受疫情和新基建政策催化，电信和数通市场需求强劲，全年光模块市场规模为80亿美元，同比增长23%。预计到2026年，全球光模块市场将超过170亿美元，2021-2026年的五年CAGR为14%。

市场结构：数通市场成为光模块需求的核心驱动

光模块按应用场景可以区分为以下几类。以太网光模块：主要用于数通市场，包括数据中心网络、运营商的城域网、骨干网。光纤通道光模块：主要用于数通市场，用于存储和高性能计算网络。光互连光模块：包括AOC，主要用于数通市场，用于短距离（20m以内的)机柜内部的服务器和TOR交换机互联。CWDM/DWDM光模块：用于各类光传输设备，包括数据中心互联和运营商网络；无线前传、无线（中）回传：主要用于电信市场，用于电信运营商网络中的无线接入网。有线接入光模块：主要用于电信市场，用于电信运营商网络中的点对多点光模块。

三、光电芯片

光芯片分类和供应环节

光芯片是实现光电信号转换的核心，光器件在性能提升、成本控制等方面很 大程度上依赖于光芯片。光芯片可以按使用原理分为无源光芯片和有源光芯 片，有源光芯片可以进一步按功能划分为激光器芯片、探测器芯片、调制器 芯片和放大器芯片，无源光芯片可以按功能划分为PLC芯片、AWG芯片、光开 关芯片等；光芯片也可以按基板（衬底）材料划分为磷化铟（InP）、砷化 镓（GaAs）、硅基（Si）等。光芯片的原材料包括衬底材料、电子特气、光 刻胶、湿电子化学品等。

激光器芯片：光发射组件核心

激光器芯片按发光类型可分为面发射芯片（VCSEL）和边发射芯片（FP、DFB、EML）。VCSEL，即垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser），其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制成，激光由边缘射出的边射型激光（EEL）有所不同。

高速率光芯片：国产化率很低

国内高速率光芯片严重依赖进口，与国外产业领先水平存在一定差距。 25G及以上速率属于高速率光芯片，目前由欧美日领先企业占主导，如Oclaro、Avago、NeoPhotonics具备50G EML芯片能力，DFB和VCSEL激光器芯片大规模商用的最高速率已达到50G，Finisar、AAOI、Oclaro具备50G PAM4 DML芯片的能力。

VCSEL：非通信领域应用广泛

除光通信外，VCSEL主要应用领域包括消费电子以及激光雷达。（1）光通信方面：由于850nm的氧化物限制型的VCSEL具有低阈值电流、较高的弛豫振荡频率等优点，在高速数据传输以及光通信中有望广泛应用；（2）消费电子方面：VCSEL常作为红外光源用于3D成像与传感应用，可分为3D结构光（常用于人脸识别，如iPhoneFaceID）及飞行时间技术（ToF，在AR/VR领域有较大应用需求，如iPhone 12后置D-ToF Lidar）；（3）激光雷达方面：多结VCSEL技术的出现，充分发挥其高功率、高效率、高斜率、集成难度低、可靠性高、低功耗等方面的优点，在高性能全固态、远程汽车激光雷达的应用中具有重要意义，有望替代EEL成为未来激光雷达主流激光器。（报告来源：未来智库）

四、光器件

光器件：光模块的重要组成部分，起到光信号处理的重要功能

光器件指的是应用在光通信领域，利用光电转换效应制成的具备各种功能的光电子器件，细分领域众多。按照工作时是否发生光电转换分类，可分为光有源器件和光无源器件两大类，前者需要电源驱动，后者无需电源驱动。

光器件：工艺经验、对光学系统的理解是核心竞争力

工艺经验的积累、对光学系统的理解以及精密、精益加工制造能力是光器件行业核心竞争力。光器件种类多样，产品品质来源于工艺经验的积累、对光学系统的理解以及精密加工制造能力。以天孚通信为例，得益于公司多年积淀并持续改善的工艺技术，保障了产品制造的尺寸精度、生产质量和生产效率。例如公司对陶瓷套管的精密加工可以达到1µm以下的尺寸精度；对光收发接口组件所需的不锈钢零件的精密加工可以达到5µm以下的尺寸精度；拥有高精度贴合，金丝键合技术能力，自动化贴片设备精度可达±0.5um。

光器件竞争格局：格局分散，厂商规模小，行业收购兼并频发

光器件竞争格局：无源光器件市场和有源光器件的中低端领域处于完全竞争阶段，高端有源光器件领域处于相对完全竞争状态。国内光器件厂商多，竞争格局整体较为分散，受限于单个细分市场规模小，多数光器件厂商收入规模小。主要因为光器件定制化程度高，生产需要较多人工，较难形成规模效应，大部分厂商聚焦于个别品类，厂商营收超过10亿元企业较少。

趋势1：光器件向光引擎形态演进

什么是光引擎？光引擎指的是光电转换功能中负责光信号处理的部分。根据天孚通信公司公告，高速光引擎是在高速发射芯片和接收芯片封装基础上集成了精密微光学组件、精密机械组件、隔离器、光波导器件等，实现单路或者多路并行的光信号传输与接收功能。光引擎不仅可以用传统分立式元器件来集成，也可以通过硅光技术来实现，硅光方案涉及的光器件产品包括隔离器、光学透镜、微光学器件、FA产品、PM产品等。

趋势2：光通信器件厂商跨领域布局，寻找新成长曲线

以全球光器件代工龙头Fabrinet为例，其底层核心能力在于其精密机电制造服务能力和精密光学生产和封装能力。公司的应用领域以光通信业务为主，依托在光通信市场积累的能力，积极向非光通信领域步扩张，包括工业激光、智能驾驶、医疗等领域。目前非光通信业务收入占比约20%，根据公司CEO Seamus Grady表示，未来非包括工业、汽车和医疗在内的非通信业务收入有望占到50%。

五、光学元组件

光学元件是光学系统的基础，应用广广泛

光学元件组件是光器件光模块的基础。光通信行业常用的光学元件主要包括滤光片、偏振分束器、微透镜、柱面镜、窗口片、棱镜、波片、反射片等。

除了光通信领域，光学元件广泛应用于视频及图像等成像、传像的光学系统中。光学元件是实现成像和传像的基础，由光学材料加工而成，包括各种球面、非球面、平面、异形的透镜、棱镜、反射镜、滤光片、光栅等，发挥着反射、成像、分光、滤光、传输等作用；光学镜头及模组则是成像和传像的核心，是各下游应用领域的“眼睛”，重要地位日益凸显。同时，高功率光纤激光器的研发和产业化需要泵源、隔离器、合束器等光电子元器件的支撑，光电子元器件直接决定了光纤激光器输出的激光功率水平和性能参数。

精密光学元组件技术成熟、定制化程度高、差异化竞争为主

光学元组件按照精度和用途可分为传统光学元组件和精密光学元组件。传统光学元组件主要应用在传统照相机、望远镜、显微镜等传统光学产品，精密光学元组件主要用于光学检测仪器、医疗设备、激光器、建筑测绘、军用设备等。精密光学元组件具有高精度、高性能的特点，在生产技术、生产工艺以及设备等方面与传统光学元组件存在较大差异。精密光学元组件产业链附加值相对较低，中低端产品受劳动力成本影响较大，目前生产企业主要集中在中国大陆以及部分东南亚国家。

新兴市场：智能驾驶推进，汽车电子领域大有可为

汽车智能化增加车载摄像头、激光雷达等传感器，光学元件/组件有望受益。随着汽车智能驾驶逐步发展，车载传感器搭载数量、种类逐步增多，其中车载摄像头、激光雷达已成为核心传感器： 车载摄像头已成为智能汽车标配，据ICV数据，2021年全球单车摄像头平均配置数量为2.3颗，前装车载摄像头总量将达约1.65亿颗，预计2026年将达3.7亿颗，市场规模达到306亿美元。根据BOM成本，车载摄像头中光学镜头、滤光片等光学元/组件成本占比约20%，另据舜宇光学，2021年其光电产品毛利率约10-15%，由此估计，2026年车载摄像头对应光学元/组件（滤光片与车载镜头）市场规模超50亿美元。

报告节选：

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】。未来智库 - 官方网站

65周年 李广云：可见光通信室内定位技术进展与应用

本文内容来源于《测绘学报》2022年第6期（审图号GS京（2022）0149号）

可见光通信室内定位技术进展 与应用

李广 云 , 孙森震 , 王力 , 冯其强

信息工程大学地理空间信息学院, 河南 郑州 450001

基金项目 ：国家自然科学基金(41501491);地理信息工程国家重点实验室开放基金(SKLGIE2020-Z-2-1)

摘要 ：可见光通信定位(VLP)技术具有低成本、高精度、无电磁干扰、部署便捷、兼顾通信定位和照明的优点, 在室内定位领域展现出良好的应用前景。本文首先分别总结了基于可见光通信的成像和非成像室内定位方法, 分析和讨论了两种方法的关键技术、研究进展及应用情况; 然后, 提出了一种基于自相关序列的VLP光源匹配识别方法, 并介绍了一种基于普通成像传感器和矩形平板光源的定位系统构建方法; 最后, 对室内VLP技术的研究发展方向进行了展望。

关键词：可见光通信 室内定位 关键技术 自相关序列 ID识别 成像定位

引文格式：李广云, 孙森震, 王力, 等. 可见光通信室内定位技术进展与应用[J]. 测绘学报，2022，51(6)：909-922. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20220007

LI Guangyun, SUN Senzhen, WANG Li, et al. Research and application of indoor visible light communication positioning technology[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(6): 909-922. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20220007

阅读全文 ：http://xb.sinomaps.com/article/2022/1001-1595/20220612.htm

引 言

随着城市化的发展，大型建筑场馆、自动化工厂及地下空间等区域对室内定位技术的需求日益增长。全球卫星导航系统基本满足室外大部分区域的导航定位需求，但在室内却难以接收卫星信号，无法工作。因此，基于Wi-Fi、蓝牙、超宽带、伪卫星、射频等基站式的无线定位技术应运而生[1]。但由于室内结构多样、电磁环境复杂，基站式的无线定位方案需要平衡定位精度和运行成本，规模化应用存在困难。其他室内定位技术方法，如地磁指纹、运动捕捉、声波测距[2]等的研究应用也取得了成果。众多室内定位技术在定位精度指标、系统成本、工程化部署的便捷性方面各有优缺点。随着照明系统的升级，LED光源的广泛应用为可见光通信定位(visible light positioning, VLP)技术在室内定位领域的研究与应用提供了有利条件。VLP技术利用室内广泛存在的LED光源作为定位信标，兼顾通信定位和照明，具有系统部署简单、无电磁干扰、定位精度较高、成本较低的优点，在室内定位领域展现出良好的应用前景[3]，成为近年来国内外相关高校和企业机构研究应用的热点。国内外高校如复旦大学、清华大学、信息工程大学、暨南大学、华南理工大学、香港中文大学、美国马里兰大学、英国牛津大学、德国海英里希赫兹研究所等科研机构在高速可见光通信研究的基础上进行了VLP技术研究；国际大型企业如高通、飞利浦、松下、谷歌、华为、中兴等纷纷布局VLP系统专利。2017年，飞利浦将研制的可见光通信室内导航定位系统用于大型商场购物导航。2020年，国家标准化管理委员会发布了由中国电子技术标准化研究院、深圳市海思半导体有限公司、清华大学、信息工程大学、北京大学、北京全电智领科技有限公司、东莞信大融合创新研究院、东莞芝捷智能科技有限公司起草的信息技术可见光通信系统室内定位传输协议标准(GB/T 36628.4—2019)，标志着国内可见光通信定位应用产业化进入实施阶段。可见光通信(visible light communication, VLC)是一种新型通信技术，主要利用LED快速的亮灭响应特性调制发送信息，接收端通过光敏二极管(photodiode，PD)等器件接收光信号。随着VLC技术的发展，单个光源的VLC通信速率已经达到Gbit/s量级[4]，成为6G通信的重点研究技术之一。VLP技术是低速VLC技术的一种应用，按照定位终端接收VLC信号所用传感器类型的不同，可分为成像法和非成像法[5]。非成像法简称PD法，主要利用PD接收解析可见光信号和光强信息(received signal strength, RSS)，并根据RSS进行测距交会[6-11]或指纹匹配[12-13]，实现对PD终端的位置估计，定位精度可达亚米级甚至厘米级。文献[14—15]分别研究了基于VLC的到达时间法(time of arrival, TOA)和到达时间差法(time difference of arrival, TDOA)的VLP系统。其中基于TDOA的方法在5 m× 5 m×3 m环境中的仿真精度达3.6 cm。文献[16]使用环形PD阵列构建了基于角度到达(angle of arrival, AOA)的VLP方法，并提出一种加权的角度感知计算方法。文献[17]提出了基于多LED元件AOA的VLP系统，采用卡尔曼滤波器实现了对接收装置的连续定位。文献[18—20]研究了多种方法组合的VLP方法，提高了系统的抗干扰性和定位精度。基于PD的VLP方法通信速率高，定位速度快；但对光源系统的控制要求较高，系统设计较为复杂，可移植性较差，定位精度受环境影响较大。针对这些问题，文献[21—24]进行了定位算法优化研究，文献[24]采用自适应滤波的方法抵抗环境光干扰，提高定位精度，为基于PD的VLP系统的推广应用提供了一种方案。基于成像的VLP法简称图像(image sensor，IS)法，主要利用CMOS传感器对VLP光源成像，利用CMOS传感器的卷帘快门效应获取VLP光源的条纹图像，并通过条纹图像获取光源ID对应的坐标信息[25-27]；然后通过摄影测量原理计算摄影点相对VLC光源的空间坐标，从而实现定位[28-31]。IS法通信传输容量小，但定位精度较高，可移植性强。随着CMOS成像传感器在智能终端的广泛应用，基于智能手机和视觉移动机器人的IS法取得了较多的应用成果[32-34]。文献[31]将PD和IS两种方法相结合，利用双目视觉实现了基于单个圆形VLC光源的厘米级定位。文献[33]提出了一种基于智能手机的可见光通信与改进的行人航迹推算融合的室内定位方法，在3 m×3 m×3 m小空间、单光源条件下实现了厘米级定位精度。文献[34—35]研究了VLP系统在地下停车场的定位应用。VLP技术的发展使其在煤矿、隧道、电厂、超市等场景也取得了良好的应用效果[7, 33-38]。当前，多数VLP系统主要注重基于圆形LED光源的定位问题，随着矩形平板光源的广泛应用，相关研究已经逐渐展开[29]。矩形平板光源普遍尺寸较大，具有显著的视觉信息，更适合作为VLP系统的定位参考。本文首先介绍VLP_PD和VLP_IS两种定位方法的基本原理和关键技术，并结合应用研究现状分析两种方法的优缺点；然后，介绍一种基于普通成像传感器和矩形平板光源的定位系统构建方法；最后，对VLP技术的研究应用发展方向作一些探讨。

1 非成像VLP方法

非成像VLP方式主要通过PD接收解析可见光通信信号特征实现，定位速率高，计算量较小，定位终端容易集成，但需要对光源发送端进行同步信号调制，对光源分布有一定要求。其定位方法可分为信号ID识别法、光强RSS指纹分析法、光强RSS几何交会法、TOA法、AOA法等。1.1 基于PD的LED_ID识别法基于PD的LED_ID识别法[39]也称为邻近法，如图 1所示。该方法将LED通信光源有限的照射范围作为定位区域，不断广播自身的ID信息，当定位装置中的PD接收识别到该ID信息时，即确定其位于该光源的定位区域内。该方法定位精度依赖光源密集程度，需要考虑光源布局，避免相邻光源重叠的干扰。基于PD的光通信接收能力较强，速率通常在几十Kbit/s以上，因此LED_ID可以附加一些其他信息，以满足位置服务的需要。图 1 可见光通信LED_ID识别定位Fig. 1 LED_ID identification and positioning based on visible light communication图选项 1.2 基于光接收强度RSS的测距交会法基于强度调制和直接检测技术接收信号强度RSS以估算定位距离时，通常使用广义朗伯模型建立信号RSS与距离的关系[6-7]，如图 2所示。图 2 光强信号接收链路关系Fig. 2 Reception link relationship of light intensity signal图选项 对于直射链路(line of sight，LOS)信道，VLC光源发射端与定位接收机PD端之间的信道直流增益见式(1) (1)式中，AD表示接收机PD的有效感光接收面积；dL为LED和接收机之间的距离；θT和φR分别表示发射光源的辐射角和接收机PD的入射角；GF(φR)为链路中光滤波的增益；gC(φR)为链路中光集中增益，与探测器视场角ψFOV和器件使用的材料折射率nc有关。由式(1)可知，建立RSS与VLC光源之间的距离关系并未考虑光反射的影响和其他噪声干扰，但在实际应用需要考虑这些因素。基于光强RSS的距离交会定位方法如图 3所示。通常使用4个VLC光源作为定位参考，定位终端在同一时刻接收4个光源的RSS信号转换为距离，并通过式(2)组成距离交会方程组，从而计算定位终端P的位置 (2)图 3 基于光强测距的空间定位Fig. 3 Spatial positioning based on light intensity ranging图选项 1.3 基于光接收强度RSS的指纹定位利用多个VLC光源在空间中形成的信号场作为定位参考，信号空间场中任意两点的信号存在差异形成特定指纹，这种将特定指纹与空间位置建立对应关系的定位方法称为指纹定位法[12]。基于RSS的指纹定位方法如图 4所示。图 4 光强指纹定位原理Fig. 4 The principle of fingerprint positioning based on light intensity图选项 4个ID不同的VLC光源成矩形分布，信号覆盖范围形成重叠区域，可以接收4个光源的ID信号并记录相应的光强RSS信号。光功率计算模型为 (3)式中，PT(i)表示第i个光源的发射光功率；PR←T(i)LOS为接收机接收到来自第i个光源的直射光功率；HR←T(i)LOS(0)表示接收机与第i个光源之间的LOS信道直流增益。因此，指纹位置可以表示为向量P j=[PT(LED_ID1)jPT(LED_ID2)jPT(LED_ID3)jPT(LED_ID4)j]，通过采集空间中特定位置的光功率RSS构建指纹空间数据模型，事先在定位空间中采集信号进行离线训练建立指纹匹配数据库，即可构建指纹匹配定位系统。1.4 光信号时间到达方法光信号时间到达法分为TOA法和TDOA法。其中，TOA法首先测量信号在发射端和接收端之间传播时间，然后利用信号传播时间与信号传播速度相乘得到信号传播距离，从而确定收发终端之间的距离[14]，最终通过测量接收端与多个发送端的距离进行距离交会定位。由于TOA通信载体为可见光，对收发两端的时间同步精度要求极高，否则难以达到测量精度要求。基于TDOA的VLP系统无须在接收端和发射端进行严格时间同步，但在发射端不同光源的信号调制需要严格同步[15]。如图 5所示，4个光源空间坐标已知，组成的TDOA系统的定位终端在一个周期内接收到4个VLC光源的延时信号{T1, T2, T3, T4}。设接收端的坐标为P(x0, y0, z0)，系统各个光源距离定位终端的距离计算见式(4) (4)图 5 到达时间测距交会定位Fig. 5 Time-of-arrival ranging and rendezvous positioning图选项 根据到达时间差组成方程组关系见式(5) (5)式中，C为光速信号角。求解该方程组即可得到P点的三维坐标。1.5 光信号角度到达方法光信号角度到达法的VLP系统有两种构成方式。一种方法是使用环形PD阵列[16]，在接收到LED的信号时可以判断光源相对接收机定义的方位角和俯仰角，从而通过角度交会计算接收机相对光源的空间位置。图 6(a)为平面AOA原理。环状PD阵列传感器组成自身的坐标系，已知3个VLP光源的中心坐标构成定位系统，分别用A、B、C表示3个光源的中心，O点为接收机位置，当仅考虑平面坐标时，接收机与3个光源形成的平面角度分别为∠1、∠2、∠3，从而可以通过∠AOC、∠BOC计算O点的平面位置，即角度后方交会法。另一种方法是发射端使用阵列光源系统[17]，如图 6(b)所示，阵列光源信号能测量出接收机相对光源的方位角度，当接收机接收到多个光源的相对角度信号后，进行角度交会实现定位，其本质为角度前方交会法。图 6 AOA定位原理Fig. 6 The principle of AOA positioning图选项

2 非成像VLP系统关键技术研究与应用

非成像高精度VLP系统对光源信号调制发送的同步性要求较高，需要考虑光源布局优化、去除背景光干扰、具体应用等因素进行信号调制，其关键技术主要包括光源信号调制、定位算法优化、多传感器融合、方法融合等。

2.1 光源信号调制方式高精度非成像VLP系统中的PD需要接收多个VLC光源的信号，如果多个光源发送定位信息在时域和频域上存在重叠，会造成互相干扰，无法构成通信定位系统。因此，基于多个光源的非成像VLP系统需要统一光源编码调制[3]，利用信道复用的方式完成信号传输。VLC信号复用分为时分复用、频分复用、波分复用及码分复用。其中，时分复用需要系统内的光源轮流发送信号，将造成一定的时间延时，当系统内光源数量增多时，延时更为明显，难以满足照明需要。波分复用VLC系统意味着要使用可见光不同的波段，需要RGB光源和特殊的感光PD。正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技术具有抵抗多径干扰的特点，是一种常用的VLC调制方式。文献[8]利用非对称限幅光OFDM调制奇载波，将调制后的子载波进行成对编码，并在接收端使用RSS技术获取位置信息，提高了定位精度。文献[9]提供了一种基于高速VLC系统的定位方案，即利用离散多音(discrete multi tone, DMT)调制技术，在不影响通信效率的情况下通过功率衰减模型确定每个子载波信号RSS，从而实现距离估计，得到厘米级定位结果。文献[10]提出了基于CDMA调制的方法，即利用CDMA调制中扩频码的正交性，对每个VLP光源的ID定位信息进行特定的正交码直接扩频处理，然后在接收端经自适应滤波器分辨出各VLP光源的ID码和对应的信号强度。2.2 定位算法优化针对VLP系统易受背景光和漫反射影响的问题，文献[6]提出了使用相关函数检测和小波分析降低信号噪声的方法。文献[24]针对散粒噪声和热噪声等干扰因素，采用自适应滤波和互相关检测等数字信号处理方法提高了系统定位精度，将系统定位误差控制在0.01 m以内，一定程度上克服了环境光对定位结果的影响。针对指纹定位匹配效率的问题，文献[12]使用机器学习方法提高了指纹定位的效率。文献[21]采用粒子群优化重构信号，提高了指纹定位的稳健性。为了减少指纹库数量，基于光RSS指纹匹配的定位方法通常只考虑平面定位计算。针对基于光RSS测距三维定位的精度和计算效率问题，文献[11, 23]采用机器学习与智能算法，降低了环境对接收功率的影响，提高了定位精度和计算效率。2.3 定位方法融合在基于PD的VLP方法中，相较于单一定位方法，混合信息定位方法能够提高定位精度和稳健性。文献[18]提供了一种基于混合TOA+RSS信息融合的定位方法，采用前置无迹卡尔曼滤波的粒子滤波算法将TOA信息与RSS信息进行融合，然后修正由于多路径效应产生的非线性误差，在5 m×5 m×3 m的测试条件下平均误差达2 cm。文献[19]提出了一种基于TDOA+AOA的混合定位算法，通过引入半定松弛因子(semi-definite relaxation，SDR)的方法寻找最优解，在10 m×10 m×3 m的仿真环境中平均定位误差为1.39 cm。文献[20]研究了基于混合AOA+ RSS的方法，根据RSS信息采用加权最小二乘法，从而提高AOA的定位精度。2.4 多PD传感器终端定位方法文献[16]基于圆形PD阵列实现了基于AOA的VLP系统，系统的测角定位精度受PD数量的影响。文献[22]研究了基于多PD传感器的VLP定位方法，并应用在电网巡检工作环境中。如图 7(a)所示，将5个PD分布在四棱台表面组成接收机，通过探索接收功率和相对位置建立多PD接收定位的通用模型，在信道去噪后根据泰勒公式和隐函数存在定理提出线性迭代方法，在确保计算效率的情况下提高了定位结果精度。文献[25]针对移动机器人定位需求，提出了一种基于旋转云台的多PD定位系统。如图 7(b)所示，在云台旋转过程中，接收机可以感知到空间中定位光源的光强功率值并接收光源的定位信息，当接收到某个光源的光强最大时，认为此时PD正对该光源，进而记录此时相对该光源的方位角，基于AOA方法实现定位，在5 m空间距离内定位误差小于15 cm。多PD定位方案在一定程度上克服了基于单个PD的接收角度限制，具有较好的场景适用性。图 7 多PD接收机Fig. 7 Multi-PD receiver图选项 2.5 技术应用实践LED_ID方法逻辑简单、实现方便、系统简洁，定位精度取决于光源的布设密度，是一种最先商用化的可见光定位方式之一，主要用于文博展馆定位导览，但定位精度低。基于时间到达方法的定位系统对时间同步要求较高，系统复杂度和成本较高，难以推广应用。基于角度达到的多PD传感器方案，定位适应性较强，但对光源定位信息发送端和接收端都具有较高要求，目前仍处于研究阶段。基于光RSS测距的方法对PD光功率测量的精度要求较高，且需要建立离线标定关系，定位系统容易受背景光干扰，可移植性较差，但适用特定封闭环境，如隧道环境下对地铁列车的定位[7]、电厂高压电线路巡检[22]、无人化超市定位导引[38]等场景。

3 基于成像的VLP方法

基于IS的VLP方式包括光源成像识别和测量定位两个阶段。成像识别阶段主要利用成像传感器卷帘快门效应获取VLP光源成像的条纹图像，然后通过分析光源条纹特征获取光源ID；成像定位阶段根据定位所参考光源的数量分为单光定位和多光源定位两种方法。3.1 基于IS的VLP光源识别定位方法成像法VLP系统一般使用CMOS成像传感器作为接收端，发送端将调制的LED_ID信息以亮灭闪烁的方式不断广播，CMOS成像传感器通过卷帘快门工作机制对VLP光源成像，卷帘快门从上到下按行依次曝光逐行感知VLP光源的明暗闪烁，得到灰度条纹图像。图 8(a)为不同形状光源的成像效果。成像识别阶段主要通过数字图像处理方法提取VLP光源的图像区域、几何特征点及明暗条纹信息(图 8(b))，然后对光源条纹进行解码，获取光源的LED_ID信息及其对应的光源坐标信息，为成像定位提供坐标参考。图 8 VLP光源识别定位方法Fig. 8 VLP light source identification and positioning method图选项 测量定位阶段根据摄影测量原理，利用相机内参数和VLP光源参考点坐标信息计算相机位姿实现定位。室内常用的LED光源主要分为小尺寸圆形灯和较大尺寸的矩形灯，布局方式多样。因此，根据VLP系统所用光源的形状、尺寸、数量及空间布局，分为单光源VLP方法和多光源VLP方法，同时根据VLP系统中所用的IS数量，分为单目VLP和双目VLP系统。基于单光源的VLP方法中，多数成像VLP系统的定位终端需要增加IMU姿态传感器辅助成像提高定位精度。3.2 基于IS的多光源VLP方法基于多个光源成像的VLP系统如图 9(a)所示，一般使用4个以上尺寸较小的圆形光源，要求定位终端成像范围至少涵盖3个以上光源，满足空间后方交会成像位姿计算需要。定位终端相机对多个VLP光源成像后，定位计算流程如图 9(b)所示。首先，分别提取每个VLP光源区域图像，计算每个VLP光源图像的中心坐标，并解析明暗条纹信息，获取光源LED_ID及其对应的空间坐标；然后，根据成像几何关系计算相机位姿，得到定位结果，光源图像的中心像点一般取光斑轮廓几何中心或重心，LED_ID可以根据条纹图像解码或基于规则匹配的方法识别；最后，进行成像位姿计算，输出定位结果。图 9 多光源成像定位原理及计算流程Fig. 9 The principle and calculation process of multi-light source imaging positioning图选项 成像几何关系如下 (6)式中，ZC表示相机坐标中目标点到摄影中心的距离；[u v]T表示像点坐标；fx、fy、s、u0、v0为相机内参数；R 3×3、T 3×1为相机坐标系与世界坐标系的旋转和平移关系；[XWYWZW]T为目标点世界坐标。成像位姿估计可以根据参与计算的光源数量采用不同的解法。当光源数量为3时，可以使用单像空间后方交会、角锥体等方法计算；当光源数量大于3时，可以采用EPNP、四元数等方法进行计算[29]。基于成像的VLP系统的定位精度与成像距离、成像分辨率、光源分布等因素有关，位置估计误差一般处于厘米量级，方位旋转角估计误差可小于1°[40]。3.3 单光源VLP_IS方法建筑走廊等室内区域光源分布距离较远，成像区域难以覆盖3个以上的VLP光源。当成像视野中仅有一个圆形VLP光源时，理论上只能提供一个定位参考，不能提供定向参考。针对单个小尺寸圆形VLP系统，文献[30]基于智能手机提供的方位角和倾斜角，结合CMOS传感器提出了一种AOA测量定位方法，文献[31]提出了一种基于双目视觉和IMU辅助的成像定位方法。如图 10(a)所示，将双目视觉传感器与IMU姿态传感器集成为成像定位模块，在双目视觉坐标系中测量模块圆点O到VLP光源中心P的空间距离L，同时记录此时IMU的空间姿态角，将OP转换为世界坐标系中的空间向量，从而得到O点的世界坐标，实现定位。当使用矩形光源作为定位参考时，可以直接利用矩形光源4个顶点实现成像定位，但需要在图像上能够确定矩形顶点的像点与其空间坐标的对应关系。文献[29]在光源上设置参考标记，解决光源4个像点与其世界坐标点的对应关系，实现基于矩形光源的成像定位，如图 10(b)所示。图 10 单光源成像定位Fig. 10 Visual positioning based on single light source图选项

4 成像VLP系统关键技术研究与应用

光源图像轮廓提取和ID识别是基于IS的VLP系统的关键性技术，不同性能的成像传感器获取的光源条纹清晰度存在较大差异。现有的成像法VLP技术多采用高性能成像传感器和圆形光源，基于普通成像传感器和矩形平板光源的VLP系统构建研究较少，限制了成像VLP方法的推广应用。针对这一问题，本节在总结成像VLP系统关键技术的基础上，介绍一种基于普通成像传感器和矩形平板光源的定位系统构建方法。4.1 光源图像提取VLP光源轮廓计算和光源条纹提取是IS方法的首要步骤，主要使用数字图像方法获取光源区域，截取光源区域条纹信息。针对圆形VLP光源，文献[31]采用自适应二值化方法分离出圆形光斑区域，然后计算图像中光源区域轮廓，并计算轮廓圆度，设定圆度阈值滤除非光源区域。矩形VLP光源区域的提取与圆形光源的流程类似，提取光源轮廓后，需要根据轮廓点序列之间的角度关系确定矩形的顶点[29]。圆形光源的中心像点和矩形光源的顶点像点称为视觉关键点，这些关键点的图像提取精度直接影响成像定位精度。4.2 基于成像的LED_ID识别4.2.1 VLP光源条纹特点VLP光源成像条纹明暗间隔与LED_ID信号调制发送频率、成像传感器的帧率及分辨率等因素有关，与成像距离无关；但VLP光源图像条纹的数量与光源尺寸和成像距离有直接关系，在同等成像条件下光源尺寸越大，成像距离越近，光源图像条纹数量越多，能够发送的LED_ID容量越大。多数CMOS相机有一个门限延时，导致条纹图像在规律性移动，给解码带来一定困难。条纹图像的清晰度与CMOS的性能有较大关系，如图 11(a)所示，左边条纹为高性能CMOS对VLP光源的成像条纹，右边为普通CMOS成像传感器对同一VLP光源的成像效果。将条纹图像转化为灰度曲线，如图 11(b)所示。高性能CMOS条纹灰度曲线区分度较大，周期性明显，容易转化为高低信号进行解码；普通CMOS条纹曲线区分度较小，虽然具有明显的周期特征，但难以设置固定阈值进行二值化区分高低信号，难以满足解码需要。因此，根据条纹图像是否清晰可以将基于成像的LED_ID识别分为成像解码法和信号模板匹配法。图 11 条纹图像与灰度曲线Fig. 11 The fringe image and grayscale curve图选项 4.2.2 基于高性能CMOS的LED_ID识别方法多数基于成像的VLP定位研究都使用较高性能的CMOS传感器。针对尺寸较小的圆形光源，文献[26]提出了一种基于频率调制的占空比法，通过控制光源调制频率得到间距不同的条纹图像，实现了对光源LED_ID的识别。该方法实现较简单，但为了兼顾照明需要，占空比法可用的LED_ID容量较小。文献[27]针对圆形小尺寸光源成像LED_ID容量小、识别率低的问题，提出了扩展LED_ID双频调制方法，能够得到C182种ID组合，具有较强的抗干扰能力。为进一步扩展成像法LED_ID容量，文献[28]使用RGB_LED光源引入颜色特征。当采用大尺寸矩形LED光源时，成像通信容量有一定提升，可参考ITF、ENA13等编码方式，使用更多规则的编码。目前基于大尺寸矩形VLP光源的成像识别研究较少。4.2.3 基于普通CMOS光源LED_ID匹配方法针对普通CMOS传感器对VLP光源成像的条纹难以解码的问题，本文提出一种基于信号自相关序列的匹配方法。根据数字信号处理方法离散周期信号序列{x(n)}与其自相关序列{rxx(l)}周期相同，只要离散周期信号序列数量n大于其周期数，即可计算其自相关序列，且自相关序列计算结果基本不受n的影响。因此，将VLP光源条纹图像的灰度值序列(visible light positioning light source imaging fringe signal sequence，VLP_IFS)抽象为离散周期信号，分析其自相关序列特征，可以克服CMOS传感器门限延时对信号分析的影响。使用普通CMOS传感器，4个不同LED_ID光源成像条纹灰度序列的自相关序列波动情况如图 12所示。周期对应光源信号调制频率，波动特征代表不同的LED_ID数据，可以通过周期数和波动特征作为光源LED_ID匹配依据。因此，可以通过VLP光源CMOS成像灰度信号的自相关序列(visible light positioning light source imaging fringe signal autocorrelation sequence，VLP_IFSAS)建立VLP光源LED_ID匹配规则。图 12 基于VLP_IFS的自相关序列分析Fig. 12 Autocorrelation sequence analysis based on VLP_IFS图选项 通过计算VLP_IFSAS的周期推断出VLP_ IFS的周期后，理论上提取一个周期数量的VLP_ IFS序列作为模板是一种理想的方式，但稳定提取一个周期的VLP_IFS信号对CMOS成像传感器和软件算法的要求较高；而一个周期的VLP_IFSAS能够直接计算，对成像质量要求不高，且具有一定抗噪声干扰能力，能够解决成像质量较差无法满足直接解码的CMOS传感器的可见光通信光源识别问题。基于VLP_IFSAS的光源识别匹配流程如图 13所示。运用数字图像处理方法提取VLP光源图像区域，根据条纹图像区域逐行计算灰度平均值，得到VLP_IFS序列v(n)={v1, v2, …, vn}, v∈[0, 255]；根据序列v(n)进行自相关计算，得到VLP_IFSAS rvv(l)={n1, n2, …, nT, …}，并计算rvv(l)的周期数T；提取序列rvv(l)中前T个数值，并进行归一化处理，得到标准化序列X={x1, x2, …, xT}, x∈[0, 1]；以{X, T}为LED_ID匹配模板，进行匹配计算得到对应LED_ID对应的光源空间信息。图 13 基于VLP_IFSAS的光源匹配流程Fig. 13 Light source matching process based on VLP_ IFSAS图选项 基于模板{X, T}信息，周期数T可作为模板匹配的初步条件，定义相同周期数的模板匹配度序列为 (7)式中，X为待匹配序列；XM为模板序列；DS={d1, d2, …, dT}, d∈(-1, 1)。显然，在建立光源模板时，采集多张光源图像平均化计算XM可提高模板的稳健性，若待匹配序列和模板光源一致，DS序列必然整体数值较小，反之会出现局部较大值。光源匹配判别可以视为SVM分类问题，使用多组光源数据相互计算DS序列，生成关于DS序列的正负样本进行SVM训练，匹配的DS序列视为正样本，非匹配的视为负样本，变换SVM核函数找到最佳的分类效果，进而实现基于VLP_IFSAS的光源匹配识别。4.3 基于矩形平板VLP光源的成像识别与定位方法基于多光源成像的VLP方法需要考虑光源布局与成像姿态，工程化应用受到较大限制。基于单个光源的成像定位方法需要使用IMU辅助成像定位计算[29-33]或限定成像姿态[34-35]。多数成像VLP系统均使用圆形光源，文献[29]研究了基于矩形平板光源的成像定位方法，在此基础上本文提出一种基于平板VLP光源的成像识别与定位计算方法。如图 14所示，通过数字图像处理和基于VLP_IFSAS方法已经完成光源的LED_ID识别，并提取了矩形角点的像点坐标，如何确定矩形角点的像点坐标与其世界坐标的对应关系是一个关键问题。针对这一问题，本文提出一种基于IMU磁方位角对应关系的判别方法，流程如图 15所示。在确定矩形光源的角点世界坐标与其像点坐标的对应关系时，首先假定一种对应关系进行成像定位计算，得到定位模块的航向角，然后计算航向角H与IMU传感器的地磁偏转角M的差值，如果差值角度E小于一定阈值，则为正确关系，否则继续假定计算。矩形VLP光源4个角点的逆时针像点序列与其世界坐标逆时针序列的对应关系共有4种，因此最多计算4次即可确定对应关系。图 14 矩形VLP光源视觉识别与顶点提取Fig. 14 Visual recognition and vertex extraction of rectangular VLP light sources图选项 图 15 基于IMU辅助的矩形光源角点匹配流程Fig. 15 The matching process of corner points of rectangular light sources with IMU assistance图选项 通常情况下，当参考点空间坐标与其像点坐标对应一致时，成像定位计算出来的航向角H与IMU提供的地磁方位角M相差不大，一般不超过10°，即E=|H－M| < 10。当磁方向传感器受到较强的磁场干扰时，会导致地磁方位角不准确。若地磁方位角误差大于45°，则基于磁方位角的判别方法将无法工作，出现系统判断错误的情况，因此偏差角度C的阈值设置为45°。4.4 成像VLP系统应用在VLP_IS系统中，每个光源都是一个独立的发射单元，无须进行光源同步，不同光源信号叠加对定位结果没有影响，因此光源系统布设便捷、成本较低、易于工程化应用。智能手机等搭载CMOS成像传感器终端的广泛应用，为基于成像的VLP系统奠定了硬件基础。文献[33]基于成像解码方法获取了光源LED_ID确定定位区域，然后根据光照度模型及手机陀螺仪获得的方向角推算出具体位置信息，用于室内定位导航。文献[29, 31]研究了针对不同形状光源的高精度成像VLP方法，用于室内移动机器人定位导航。文献[33—34]将成像VLP系统用于地下停车导航，兼顾照明与位置服务。文献[36]利用井下防爆摄像仪采集LED矿灯的可见光通信条纹图像，通过成像解码确定矿灯编号对应人员信息，结合成像几何原理实现了矿井人员监控定位。

5 总结

本文总结了基于PD和IS的VLP方法，系统分析了两种定位方法的关键技术与应用情况。两种方法在定位精度、对系统硬件的要求及可移植性方面的比较见表 1。表 1 不同VLP定位系统方法比较Tab. 1 Comparison of different VLP positioning system methodsVLP定位系统方法定位精度/m光源调制要求接收终端要求可移植性LED_ID0.5~2低低强RSS_测距法0.03~0.3较高较高中RSS_指纹法0.03~0.3较高较高弱光信号时间到达法0.04~0.3高高中光信号角度到达法0.15~0.3较高较高中点状光源单目成像法0.01~0.15低较低强点状光源双目成像法0.02~0.15低较低强矩形平板单目成像法0.03~0.15低较低强表选项 两种法均能达到厘米级定位精度，各有优点和不足。基于PD的VLP方法定位速率较高，计算量小，定位终端容易集成，但对光源发送端的信号调制要求较高，光源分布的密度对定位算法影响较大，适合专用场景部署，需要进一步研究抗环境光干扰的信号滤波方法，以提高定位系统的稳健性，基于多个PD与IMU传感器融合的定位方法是多传感器融合室内定位应用研究的方向之一。基于IS的VLP方法无须考虑光源之间的信号干扰问题，定位精度较高，但需要考虑光源布局并解决光源视觉跟踪识别等问题。基于IMU辅助的成像定位方法对光源布局要求不高，适合用于移动智能手机、移动机器人等终端的定位需求。受室内光源布局和成像视角的限制，基于成像的定位方案往往存在定位盲区，在移动定位中容易出现光源失锁情况，导致移动定位过程不够连续。针对这一问题，基于广角相机[41]的VLP光源成像识别与定位方法值得进一步研究。矩形平板光源具有尺寸大、视觉特征明显的特点，能够提供定位和定向参考，适合作为基于成像技术的VLP光源。光源视觉识别跟踪效率制约了成像定位的速率，VLP光源的快速视觉识别和跟踪是工程化应用研究的主要方向。光源作为空间位置固定的室内基础设施，可以作为全局定位参考。两种VLP定位方法相结合，以及视觉导航、惯性导航等系统相融合是室内多技术融合定位导航发展的主要方向之一。

作者简介

第一作者简介： 李广云(1965—), 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为精密工程与工业测量。E-mail：guangyun_li_chxy@163.com

通信作者： 孙森震, E-mail: sunsenzhen@126.com

初审：张艳玲复审：宋启凡终审：金 君

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