为了提高现行室内可见光定位系统的定位精度，提出考虑噪声干扰的动态惯性权重及认知因素的改进型粒子群算法。首先，将决定定位精度的欧式距离转换为目标函数最小值优化问题; 其次，利用惯性权重动态赋值，增强粒子群算法初期的全局搜索能力和后期的局部搜索能力; 然后，利用正弦函数使得个体认知因素值非线性地减小，利用余弦函数使得群体认知因素值线性地增加，以进一步提升定位精度; 最后，通过仿真与实验测试对所提定位算法进行验证。仿真测试结果表明，在5m×5m×3m和5m×4m×3m两种定位模型中，在0，0.5，1.0和1.5m四个高度平面的空间定位平均误差分别为0.65和0.54cm; 实验结果显示，在搭建的1m×1m×0.8m和1m×0.8m×0.8m室内空间中的平均定位误差分别为2.67和1.81cm。

为了能够进一步减小系统发射端和接收端的体积, 实现高速通信, 提升系统的抗干扰能力, 以STC12微控制器为主控芯片, 设计了一套基于单片机的可见光字符传输系统。通过采用视距链路、光幅度调制-直接检测技术对发光二极管(LED)高速调制, 并对系统的抗环境噪声能力进行了测试。实验结果表明: 该系统能够实现3 m距离内中英文字符的高速数据通信, 准确度达90%以上, 具有良好的抗干扰性能且便于携带。

针对室内可见光通信中光学天线存在的视场小、接收面光能分布不均匀,以及低功率光源条件下接收功率低的问题,设计了作为可见光通信系统光学天线的平板型聚光器,推导出适用于平板型聚光系统的光学增益理论公式。在一个(5×5×3) m房间中对平板型聚光器作为光学天线的接收功率分布进行仿真,得到直射和非直射链路信道下视场角为50°的平板型聚光器接收房间内各位置的光功率比直接探测时分别提升了16.2411 dBm和16.4956 dBm。

激光雷达不仅可用于分析目标光谱特性, 还能够获取空间目标方位、距离、三维形貌及运动特征。常规激光雷达测量的目标特征单一, 难以同时具备以上所有的探测能力。针对激光雷达的多种功能需求, 设计了一种同时具备以上多种测量能力的激光雷达, 采用发射/接收共光路系统结构形式, 极大地简化了光学系统结构, 光学系统为特殊的折反射结构, 在仅使用两种光学材料的情况下即可实现400~1400 nm宽波段的发射与接收。为实现多谱段探测, 激光光源采用光参量振荡器单脉冲可调谐激光器, 光谱调节范围覆盖整个探测波段。激光发射系统的激光等效扩束比达到12.6, 单色回波接收系统等效F数为8, 采用光电倍增管, 20 μm内的径向能量接近100%。为满足对目标的跟踪与精细结构测量, 在共光路的基础上, 加入可见光接收系统, 使多谱段激光雷达还具备可见光成像能力, 可见光接收系统全视场为1.6°, 所设计的调制传递函数在37 lp·mm-1处优于0.5。系统各项设计指标满足探测需求。

在室内可见光通信系统(VLC)中,为解决传统光源布局方式中因照度分布不均匀而存在通信盲区的问题,提出考虑墙面反射的光源LED优化方案。以照度均方差作为评价标准分析LED布局,通过积分推导出接收面照度和功率的表达式,构建了矩形布局优化模型函数F(l,x,y)和圆形布局优化模型函数F(r,x,y),并根据优化函数研究了照度均方差与房间尺寸、最佳布局与视场角的关系。仿真结果表明：LED矩形布局光源的位置存在最优点l=1.6 m,视场角为ψFOV=80°,照度均匀性由传统布局的80.5%提升到84.3%；圆形布局光源的位置存在最优半径r=2 m,视场角为ψFOV=80°,当LED位于最优点半径时,圆形布局的照度均匀性随着光源LED数量的增加由85.2%增加到89.2%。

LED兼具照明和数据通信功能,在室内可见光通信(VLC)中,LED的布局对维持接收面上接收功率的稳定分布有重要作用。室内LED矩形布局下的接收功率分布并不能覆盖整个接收面,存在接收功率中断区,无法实现最优的VLC系统性能。考虑室内墙面及地板的一次反射,研究LED在不同位置的布局方案,采用粒子群优化(PSO)算法分析LED布局方案,设计了能耗最小的LED圆形布局方案。仿真分析了LED矩形布局和圆形布局下的接收功率分布、信号中断率、能量损耗以及信噪比分布,仿真结果表明LED圆形布局的VLC系统性能优于矩形布局,需要的LED数量几乎为矩形布局的一半,减小了VLC系统的码间干扰。

基于Rytov方法并采用von-Karman模型对艾里光束的光强闪烁进行了分析。根据接收器接收面上光强度分布不均匀的现象, 提出了艾里光束的面光强闪烁模型, 推导了艾里光束在大气湍流中的面光强闪烁的表达式。数值仿真结果表明: 当光束宽度一定时, 相同光束传播距离下指数截断因子越小, 光强闪烁越小; 当传播距离为3 km、指数截断因子为0.2时, 艾里光束的宽度约为1.6 cm, 光强闪烁最小。此外, 光源强度和接收光强相同时, 将艾里光束与高斯光束进行了对比, 发现艾里光束的光强闪烁小于高斯光束的光强闪烁。

为了探索振动环境对离轴反射式光学系统的影响, 本文对其系统结构部分进行了随机振动响应分析以及疲劳分析。利用有限元软件MSC/Patran建立光学系统结构的整体模型并进行模态分析, 以实际装配时基体框架前端连接法兰盘的连接孔部位作为边界条件, 通过对其每个节点的六自由度进行约束并进行模态响应分析。分析结果表明在X、Y与Z三个方向上平移及旋转变化量均很小, 满足空间环境中测量系统的精度要求。通过对光学结构整机部分在三个方向随机振动载荷作用下进行了有限元分析, 结果表明光学结构内部最大应力分别为151、267和280 Mpa, 都小于材料的抗拉强度, 且有足够的安全阈度。根据所选的铝合金A709的 疲劳曲线,以及应力响应PSD谱, 利用Palmgren-Miner假设, 对本文所选定的光学结构及其主框架结构在动力学环境下进行疲劳分析, 结果表明其满足系统使用要求。