天孚通信：光模块产业链重构下的一体化领导者

随着光模块技术的迭代和应用场景的丰富，无源器件在光模块中价值占比持续提升，光模块的封装形式日渐增多，其中光组件的封装为核心和壁垒所在，光模块企业出于成本控制的考虑，逐渐将光器件前端光学部分的耦合及封装外包委托给高质量封装代工企业。

招商证券通信首席分析师余俊在进门财经路演中为机构投资者汇报了天孚通信的深度研究，余总看好天孚通信在光通信领域的产业链定位升级，天孚通信具备一站式提供多种高速率器件、多种封装方案的光通信平台型公司的潜力。

一、无源器件持续升级，新一轮高速成长周期确立

公司目前是业界领先的高端无源器件垂直整合方案提供商、高速光器件封装ODM/OEM厂商。

2015年上市前，公司一直专注于光无源器件的研发、生产和销售，上市之后，通过内生研发、外部合资及并购等多种方式并举，从基础的陶瓷套管、适配器和光收发组件，扩展到拓展型光模块所需其他高附加值无源器件LENS、隔离器、MPO等线缆，再到有源代工及整体高速光模块解决方案。

目前围绕OMS平台的战略定位，形成了十大产品线、七大产品解决方案的综合布局，具体包括高速率同轴器件封装解决方案，高速率BOX器件封装解决方案，AWG系列光器件无源解决方案等，产品广泛应用于电信通信、数据通信、物联网等领域。

公司业绩从2018年三季度开始出现明显反转拐点，四季度继续向上加速，公司经营出现拐点性机会，主要是受益于公司10G/100GOSA、MPO/MTP隔离器等新产品线持续上量，带动面向海外高端客户的收入持续增长，同时也受益于美元升值带动的汇兑损益及理财收入增加。

今年一季度由于季节原因和公司产线战略调整，单季度增速有所下滑，在新产能逐步释放后，二季度公司业绩重回高增长通道，单季度同比增长44.0%-73.7%，奠定全年业绩高增长基础。

分业务来看，光无源器件在总营收占比较高，总体略有下滑趋势，从2015年的97.9%下滑到2018年的88.3%，光有源器件占比在不断提升，从2016年的5.2%提升到2018年的9.9%。随着2019年5G牌照发放，5G投资在19年进入落地阶段，光通信市场有望进入高速成长时期。

在经历扎实的系列产品认证之后，新产品正逐步放量，封装代工规模也在不断扩大，根据公司股权激励承诺条件，未来三年收入利润复合增长有望超过35%，新一轮高速成长周期确立。

公司海外客户占比在不断提升，海外市场销售持续保持高增长。公司从2018年四季度开始做了大量内部调整，坚持大力实施大客户战略，尤其加大优质海外客户的开发力度，海外客户占比从2015年的14.3%提升到2018年的33.2%，实现翻倍增长。

2018年12月，公司董事会审议通过投资设立美国子公司，公司未来将进一步提升对海外大客户的本地化服务能力，同时更紧密地配合客户进行前期高速率产品的研发，同时公司积极参加美国OFC，深圳CIOE等各类全球光通信展会，不断推进国际化战略，我们预计未来海外客户占比将持续提升。

从成立之初，公司即以高端精细化作为经营准则，不过分追求产品规模化，而是以盈利为导向。从盈利能力上看，海外市场毛利率显著高于国内市场，公司加大对海外市场的开拓力度对于公司维持高毛利率经营战略具有重要支撑效用。

二、垂直整合需求提升，光器件封装重要性凸显

1、技术不断演进，光模块封装形式日益丰富

光模块主要用于实现电-光和光-电信号的转换，通常由光组件OSA、驱动电路和光、电接口等组成，其中光组件OSA为核心。光组件包括光发射组件TOSA（含激光器）、光接收组件ROSA（含探测器）、双向光组件BOSA或者光学引擎等。

光发射组件内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；光接收组件内一般包含光电探测器（PIN或者APD）、跨阻放大器（TIA）、耦合部件等元件。

在发送端，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，在接收端，一定速率的光信号输入模块后由光探测器（PD）转换为电信号，经前置放大器后输出相应速率的电信号。

光芯片及组件和电芯片占光模块成本超60%，其中光芯片及组件占比超50%，且越高端的模块，芯片成本占比越大。

光模块市场竞争激烈，新产品量产后，价格下降较快，像Finisar这样的大企业毛利率也会大幅下滑，从成本控制角度来看，无源器件（分立器件，降价空间较小）和电芯片降价空间不大，光芯片存在规模效应，模块成本的下降主要靠光芯片成本的下降以及光组件封装技术的改良。

从光模块的封装来看，光收发组件的封装是核心和壁垒所在。从封装工序来看，首先将LD（Laserdiode用于光源发射光信号）、封焊管体、陶瓷插芯、陶瓷套管、适配器等元件封装即可组装成TOSA；

将PD（PhotoDetector用于接收光信号并转化为电信号）、适配器、封焊管体、闭口套筒等元件封装可组装成ROSA，再把光收发组件（TOSA、ROSA）封装成光模块。

光收发组件的封装工艺路线目前主要包括气密封装、非气密封装等，气密封装包括TO-CAN同轴封装、蝶形封装等形式，IC产业中非气密封装技术包括COB等。

气密封装的优点是使用能完全防止液体或固体侵蚀的封装材料(金属、陶瓷和玻璃)及工艺，缺点是组装工艺较长、部件较多、成本较高等，同时使得光子集成（光混合集成或者硅光等）较困难，不能满足当前数通市场迅速发展的需求。

非气密封装的前提条件是光芯片必须满足非控制环境下的可靠性要求条件，要在光器件中使用IC产业的非气密封装技术，还必须提高各种封装方法的可靠性。

1）TO-CAN： 将激光二极管、光电探测器等有源部分密闭封装，其它的元部件集成在其中一起，在TO-CAN封装的基础上，又会配套耦合和接口部分，整体上成为同轴型的封装结构。

2）蝶形封装： 将激光器或者探测器管芯直接安装在一个子装配上，然后再粘接到一个更大的基底上面以提供热沉，上面可能还有热敏电阻、透镜等元件，这样的单元一般称为光学子装配。在此基础上连接耦合和接口系统，整体上就形成了蝶形封装结构。

3）COB： 该封装最开始使用在半导体封装领域，是一种将裸芯片用导电或非导电胶粘附在互连基板上，然后进行引线键合实现其电气连接的封装技术。

之后被引入到LED的封装技术中，可以很好地降低制造成本，节约空间，并且解决LED的散热问题，提高发光效率。

在传统的COB基础上，将原来独立的驱动器与发光体进行整体式集成所形成的LED产品就是所谓的光引擎，光引擎非常适合在结构紧凑、空间有限的产品中使用。

2、新技术普及带来更多无源器件封装形式

光模块内部含有光收发组件、电路控制部分等，随着光模块波分复用技术（WDM）的出现，光收发组件里面加入波分复用器（MUX）和波分解复用器（DEMUX）等无源器件，提升光收发组件封装难度，用于MUX和DEMUX封装的AWG技术逐渐成为主流。

早期的光模块从一开始的155Mb/s发展到10Gb/s，用的是时分复用（TDM）技术，即在单位时间内传输更多的比特数，后来又演进到并行传输（parallel）技术；

但对于长距离通信来说，TDM与并行传输技术都有其瓶颈，于是演进到波分复用技术（WDM），及用一根光纤传输多个波长的技术，WDM又可以分为20nm间隔的粗波分复用（CWDM）技术和0.8nm间隔的密集波分复用（DWDM）技术。

波分复用WDM光模块的光发射组件里面含有波分复用器（MUX），光接收组件里面含有波分解复用器（DEMUX），MUX和DEMUX均属于光无源器件，目前光模块行业内，100GCWDM4QSFP28光模块的波分复用组件，主要有两种：

基于空间光学的薄膜滤波器(Thin-FilmFilters，TFF)和基于集成平面光波导的阵列波导光栅(ArrayedWaveguideGrating，AWG)。

基于集成平面光波导的阵列波导光栅（AWG）器件由两个多端口耦合器和连接它们的阵列波导构成，输入/输出星形耦合器采用类似凹面反射式光栅和罗兰圆的结构，输入/输出波导的端口位于罗兰圆的圆周上，分别对光进行限制和传到，阵列波导位于凹面光栅的圆周上。

AWG器件可用作N*1波分复用器和1*N波分解复用器及N*N型的波长路由器等，具有尺寸小、易于集成、性能稳定、制造成本低廉等特点，利用它可以制造出成百上千信道的WDM器件，是高密集型WDM器件的首选方案。

基于AWG方案的CWDM4QSFP28光模块内部光发射组件的实现方案中的一种方案具体为：

将各个波长的分布式反馈激光器(DFB)芯片、耦合透镜、隔离器，阵列波导光栅复用组件AWGMUX芯片的输入端和输出端，分别做光纤耦合；

将四只Tx器件尾纤和耦合好的AWGMUX输入端进行光纤熔接来连接光路；将熔接好的光学组件，经过盘纤工艺，盘到QSFP28的壳体里。

直接耦合无源对准方案，即不需要输出反馈，仅仅依靠高精度定位与贴片，实现LD与AWG波导的对准。这要求定位系统达到亚微米精度。此外激光器厚度本身的误差都超过了亚微米，所以激光器必须倒装。

基于空间光学的薄膜滤波器（TFF）波分复用器的核心是多层介质薄膜滤光片，由反射介质薄膜隔开的两个或多个腔构成，腔的反射膜由具有不同折射率的多层介质膜堆积而成，每层膜厚都为1/4波长厚度。只允许特定波长的光通过而让其他所有波长的光反射。

AWG作为复用/解复用器与传统TFF波分复用器相比，具有以下优势：

1）通道数大；

2）波长分辨率高，较容易实现50Ghz的波长间隔；

3）集成度高，能在很小的镜片上实现40通道以上的100Ghz间隔的波长滤波；

4）性价比高，通道数与价格不成正比，成本和性能与信道数无太大联系，适合量产。

2007年时AWG与TFF的市场份额相当，随后AWG市场份额不断扩大，目前AWG成为WDM光模块的主要封装平台，未来随着CWDM光模块在数据中心、5G等场景的大量应用，AWG无源器件需求将进一步爆发。

3、光模块产业链重构，IDM模式向垂直模式转变

光模块厂商以前往往倾向于类似于芯片厂商的IDM模式，从外部采购芯片，无源器件等原材料，自己进行封装测试，并形成最终光模块产品。

随着光模块应用场景的丰富，光模块封装类别及形式都在发生较大的变化，光模块厂商，尤其对于一些海外的光模块厂商，更加愿意把光器件前端光学部分的耦合及封装外包委托出去。

这样一方面可以降低自己的投资成本，不需要各种封装形式都逐个投入，另一方面，也可以让专业的器件封装厂商发挥自己成本和工艺平台的优势，提高产品良率，降低产品成本，于是就出现了像Fabrinet、天孚通信这样的封装代工企业。

从需求角度看， 对于光器件厂商特别是海外光模块厂商而言，其优势在于对光器件的设计和研发，一般不自己建立产能，所以寻找到良率较高、成本较低的代工企业对降低产品成本至关重要。

同时，光器件厂商对代工企业能够提供一站式服务和解决方案的偏好也在增强。一是价格相对优惠，二是各类元器件的质量控制、标准统一、供应时效更具保证，能够提高效率、降低供应链管理的难度。

从供给角度看， 代工上游目前资源零散、封装设备投入门槛高，往往一条样品线就将涉及数千万元的投资，建立完整的产能则需要上亿元的投资；

同时，光器件封装的工艺难度大，既涉及到无源器件的技术，又要涉及到有源器件的技术，批量代工的门槛很高，因此目前市场上高质量的光器件封装代工产能稀缺，这充分保证了公司在产业链环节中的议价权。

未来随着光模块在数据中心、5G、骨干网等应用场景的多样化，光模块的需求数量和封装形式也将大幅增加，随之将带来光模块产业链的分工模式发生较大的变化。

三、无源器件再升级，垂直整合优势显著

1、从单件产品向无源系列解决方案跃变

2015年上市以前，天孚通信产品主要包括陶瓷套管、适配器和光收发组件等三大无源器件，上市之后，公司拓展到光模块所需其他高附加值无源器件如LENS、隔离器、MPO线缆等，开始向光模块其他无源器件领域进行新产品拓展。

同时公司逐步形成了五大高端无源器件整体解决方案，包括AWGWDM系列、TFF WDM系列、SR系列、AOC系列、PSM4系列无源光器件无源解决方案等。

公司于2018年完成非公开募集净资金1.83亿元，增加扩展了AWG等封装平台布局，其中AWG产品线目前已经进入批量交付阶段，产品良率效率处于行业领先水平。

AWG WDM系列光器件无源解决方案，利用MUX/DEMUX(AWG)耦合制造技术，具备解决方案优势：

1）拥有高速率同轴Mini型器件耦合组装能力；

2）拥有硅、二氧化硅等光学材料加工能力，可根据客户要求定制加工；

3）拥有玻璃切割、FA加工研磨能力，可根据客户要求定制各类型产品；

4）拥有光学模拟分析能力和自动化开发能力，可定制化开发自动光纤对准系统。

公司目前已形成了以苏州为总部和研发中心；日本、江西为研发分支和生产基地；美国、香港、深圳、武汉为销售分支的网状布局。

多地研发-制造-销售布局保证了公司可以在技术研发销售上更加靠近海外客户，在技术的迭代创新上，与全球主流光模块厂商同步；同时在制造上，充分发挥江西等内陆地区劳动力成本优势，进一步加强公司的成本控制能力。

公司拥有丰富的经验，掌握核心技术，拥有国际化的人才团队，具备领先的制造能力，可以实现规模化大批量角度，同时拥有专业的品质管理和运营能力，能进行全工序厂内生产，垂直整合产业链，经过10多年的积累，拥有了一批国际一流客户群。

2、单品占比提升显著，打开未来空间

随着波分复用技术等的大规模普及，无源器件在单个光模块中的成本占比越来越高，而天孚产品目前在单个光模块中占比也在持续提升。

我们以一个100GCWDM4的产品举例，目前一个100GCWDM4光模块的市场价格约为1000元左右，天孚之前制造的陶瓷套管、组件接口等传统无源器件占光模块成本比在1%-2%左右，随着光模块封装技术的演变，天孚开始布局隔离器、透镜、AWG等无源器件，在整个光模块中占比提升。

目前天孚提供的无源器件占整个光模块成本比超10%，我们认为随着光模块封装技术和类型的不断增加，无源器件在整个光模块中成本占比有望继续提升，行业垂直整合的重要性日益凸显。

未来天孚将形成多种光模块无源器件设计、加工及制造能力，并逐步形成光器件一站式平台，客户可以在天孚实现光模块无源部分一站式定制化采购和协同设计制造。

公司无源器件部分收入在2017年新产品尚未完全布局量产情况下，约为3亿元左右，主要集中在套管、收发接口组件等低单价产品，在单个光模块中总价约在10元左右。

我们做一个简单的估算，公司从2018年开始，隔离器、透镜、MPO线缆及AWG等新无源器件逐步上量，公司在波分复用（如CWDM4）等高端单个光模块中的总价上升到100元以上。

排除一些中低端光模块，公司在无源器件市场仍有数倍的增长空间，未来无源部分收入将达到10亿元以上，此外无源部分持续的高毛利水平将为公司盈利能力奠定扎实的基础。

四、高速光器件封装代工打开新空间

1、核心逻辑

新产品逐步放量以及海外收入占比提升，新一轮高速成长周期确立。公司上市以后从传统无源器件领域拓展到光有源器件市场，目前主要业务包括高端无源器件整体解决方案和高速光器件封装ODM/OEM解决方案。

公司新产品线的持续上量，以及海外高端客户占比的提升，带动公司业绩从2018年三季度开始出现明显反转拐点，根据股权激励承诺条件，未来三年公司收入利润复合增长有望超过35%，新一轮高速成长周期确立。

随着光模块技术的迭代和应用场景的丰富，无源器件在光模块中价值占比持续提升，光模块的封装形式日渐增多。

其中光组件的封装为核心和壁垒所在，光组件中无源器件的封装技术难度不断加大，对高端无源器件垂直整合以及光组件封装代工需求提升，光模块企业出于成本控制的考虑，逐渐将光器件前端光学部分的耦合及封装外包委托给高质量封装代工企业。

无源器件垂直整合优势显著，光模块单品占比提升显著，无源器件打开未来空间。 公司从套管、接口组件等无源器件起家，具备优质的精密制造能力与成本控制能力，并逐步拓展到隔离器、透镜、MUX/DEMUX等高价值无源器件。

目前形成包括AWGWDM、TFFWDM在内的多种高端无源器件解决方案。在新产品逐步量产后，公司无源产品占光模块成本比从1-2%提升到10%以上，公司无源产品收入未来有望从2017年的3亿左右提升到10亿元以上，打开收入空间。

参考全球光器件代工龙头Fabrinet，天孚通信具备低成本高素质的产线工人，上游各类无源及有源器件的整合能力，精密加工及批量交付能力等多种优势。

公司切入有源光器件封装代工可以与公司现有齐全的无源器件高度协同，在为全球主流光模块厂商代工有源光组件的同时带动无源器件的销售，形成有源到无源的闭环良性循环，有源器件将带动公司收入再上新台阶。

2、基本假设

预计未来光通信行业仍将保持景气，尤其国外数据中心市场快速扩张，光器件作为上游产业受益明显。公司产品线不断丰富，传统业务增长稳定，新产品线客户反馈良好，2018年开始逐步放量。基于行业成长的确定性和公司核心竞争力的持续加强，我们坚定看好公司未来发展。

公司主营业务基本假设如下：

1)光无源器件-传统产品： 公司传统的三大光无源器件产品——陶瓷套管、光纤连接器、光接口组件继续保持平稳增长。预计2019-2021年相应收入增速分别为6%、5%和2%；毛利率为53.42%、53.41%、52.93%。

2)光无源器件-新产品： 包括MPO/MTP、隔离器、透镜等项目在2018年实现规模量产，产能增长明显，2019年继续明显放量；

2019年基于AWG/TFF平台的MUX/DEMUX开始上量。预计2019-2021年无源部分新产品相应收入增速分别为135%、67%和58%；毛利率为49.86%、48.96%、48.42%。

3)光有源器件： OSA在2017年下半年完成投产并开始量产，2018年继续明显放量，BOX封装产品在2019年开始量产，预计2019-2021年相应收入增速分别为91%、64%和59%；毛利率为30.42%、31.51%、31.71%。

4)其他业务： 预计2019-2021年相应收入增速分别为20%、20%和20%；毛利率为49.56%、49.56%和49.56%。

3、估值分析

从估值角度来看，天孚通信在目前光模块及器件行业里，属于估值中位数水平。公司2019、2020年动态估值分别为33/26倍。而其他A股上市的光模块/器件公司，2019/2020年平均动态估值分别为33和24倍，天孚通信的整体估值属于同行业平均水平。

4、投资建议

随着5G牌照的发放，19年5G投资进入落地阶段，数据中心光模块需求有望下半年回暖，随着新产品产能进一步放量以及光器件封装代工规模的扩大，公司未来三年收入利润复合增长有望超35%。

公司核心竞争力在于新产品研发拓展，原材料精密加工，光器件一站式供应，以及与全球主流光模块客户高度粘合能力，具备向光通信平台型公司跃迁的潜力。

预计2019-2021年净利润分别约为1.80亿元、2.35亿元和3.03亿元，对应2019-2021年PE分别为33X、26X和20X，给予2020年35倍估值，上调12个月目标价至41.3元，维持“强烈推荐-A”评级。从中长期角度，看好公司技术及产品升级和产业链价值转移带来的进口替代空间。

文章内容为招商整体通信首席分析师余俊在进门财经路演核心观点

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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