国之重器出版工程 可见光室内定位技术

1. 该书是国家重点研发计划项目“可见光通信关键技术及系统研发”研究团队的集体成果。 2. 本书是国之重器出版工程系列书之一。 3. 本书呈现了可见光定位的原理、算法和全新技术进展，既有理论深度，又有应用示例，是一本紧密联系实际应用的参考书。

 

本书对可见光室内定位技术进行了详细的论述，介绍了非成像定位、成像定位、传感器辅助定位、融合定位、新型可见光通信与定位技术等内容，主要包括可见光室内定位技术的基本原理、设计方法、实现思路和应用案例，对可见光室内定位领域进行了较为完整的总结与归纳。

冯立辉 北京理工大学光电学院副教授、博士生导师，主要研究方向为定位与导航、光电信号处理、微纳传感等。主持或参与了包括国家“863”计划、国家自然科学基金、前沿科技创新计划等课题30余项，在惯性传感领域的合 作研究成果得到了广泛应用。在国际、国内期刊及会议上合 作发表论文90余篇，获授 权国家发明专利18项，合 作出版译著1部。 江明，博士，中山大学“百人计划”教授、博士生导师，物联网芯片与系统技术国家地方联合工程实验室副主任、IEEE高 级会员、广东省通信技术高 级工程师、广东省“海外高层次留学人才”、广州市首 批“创新创业领军人才百人计划”入选者。博士毕业于英国南安普顿大学电子与电气工程专业，有多年海外经历及全球500强通信外企经验，历任三星电子（英国）工程师、北电网络广东分公司经理与技术主管、新邮通信集团研究院副院长兼系统与标准部总监等职务。主要研究方向为现代移动通信技术，熟悉4G/5G系统、产品架构及标准，曾主导或主要参与了欧盟FP6/FP7、英国MVCE、国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划等项目。参与编著由美国Wiley/IEEE出版的专业著作5部，发表知名国际期刊与会议论文60余篇，申请国内外发明专利80余项，提交3GPP国际标准提案400余篇等。 韩大海 博士，北京邮电大学国家重点实验室博士生导师，物联网与传感器网络工业应用领域专家，移动互联网及智能制造信息化领域专家。近3年，承担了国家“863”计划“新一代高可信网络”重大项目课题“新一代光网络标准、测试和组网应用研究”子课题；作为负责人和主研人（排名第 二）完成了4项国家自然科学基金项目，结题成绩为“优”；作为主研人参与完成国家“973”课题1项、国家“863”计划课题4项、军口“863”项目5项。已申请发明专利4项，实用新型2项，参与完成ITU-T标准文稿2篇，出版专著3本，独立或合 作发表论文SCI检索10余篇、EI检索20余篇。 杨爱英，北京理工大学光电学院教授、博士生导师。长期在光信息科学技术领域从事教学和科研工作，主要研究方向为光通信、室内定位与导航、人工智能。主持和参与多项国 家级项目，包括国家“863”计划、国家自然科学基金项目等。共发表论文100余篇，多次应邀在国际会议上做报告，获授 权国家发明专利20余项。指导的博士生、硕士生先后多次获得国家奖学金以及优 秀毕业生称号。 张民 北京邮电大学教授、博士生导师、光电信息学院副院长、信息光子学与光通信国家重点实验室副主任。主要从事光通信系统与网络的科研和教学工作，先后承担了国 家级科研项目10余项，牵头建设了国 家级双语教学示范课程Electronic Systems。发表SCI论文100余篇，发明专利授 权40余项，在学术会议上做特邀报告10余次。先后获得教育部新世纪优 秀人才、北京市科技新星、北京市师德先锋、霍英东基金高校青年教师奖，并获得教育部、中国通信学会等科技进步奖10余项。

第1章 可见光室内定位技术概述 001

1.1　室内定位技术的发展现状　002

1.1.1　室内定位技术的特点和技术指标　003

1.1.2　常见的室内定位技术　007

1.2　可见光室内定位技术的研究现状　010

1.2.1　可见光通信技术的发展现状　011

1.2.2　可见光室内定位的优点　014

1.2.3　可见光室内定位技术的分类与研究现状　014

1.3　可见光室内定位技术的应用前景　019

1.4　本章小结　022

参考文献　023

第2章　基于光电器件的可见光室内定位技术　031

2.1　基于RSS的异步CDMA-nVLP系统　032

2.1.1　OCDMA码　032

2.1.2　基于RSS的异步CDMA-VLP系统　036

2.1.3　基于RSS的非线性估计定位　037

2.2　基于频分复用和FSOOK调制的异步nVLP系统　040

2.2.1　FDM VLP系统原型　040

2.2.2　伪密勒编码和窗口过采样机制　041

2.2.3　伪双相编码和窗口过采样机制　046

2.2.4　基于戈泽尔算法的LED-ID和幅度谱联合检测　048

2.2.5　基于窗口幅度谱的加权质心定位算法　056

2.2.6　系统平台搭建与实验测试　064

2.3　基于多PD孔径接收机的RSS/AOA定位系统　067

2.3.1　多PD孔径接收机可见光定位模型　067

2.3.2　多PD孔径接收机VLP系统在LOS信道下的性能分析　070

2.3.3　新型SAQD孔径接收机结构及其性能　076

2.4　基于不同朗伯辐射波瓣模数的双LED可见光定位系统　080

2.4.1　系统模型　081

2.4.2　理论界分析和数值分析　086

2.4.3　DM-LED-VLP系统的定位算法设计　093

2.4.4　仿真结果及分析　095

2.5　基于PD定位的误差分析及差分检测　101

2.5.1　光源发光功率波动引起的定位误差分析　102

2.5.2　基于双探测器的差分定位算法　105

2.5.3　实验结果分析　108

2.6　基于机器学习的可见光室内定位算法　109

2.6.1　定位系统设计　110

2.6.2　实验结果分析　114

2.7　本章小结　116

参考文献　117

第3章　可见光成像定位技术　121

3.1　基于CMOS图像传感器的条纹成像LED-ID信息传输技术　122

3.1.1　FSOOK频率检测算法　123

3.1.2　伪密勒编码辅助的LED-ID多帧图像传输技术　144

3.1.3　基于空时复用的LED-ID多帧图像传输技术　151

3.2　基于磨砂图形码的平板灯LED-ID信息传输技术　154

3.2.1　系统基本原理　154

3.2.2　图像采集与磨砂条形码目标区域的提取　156

3.2.3　条形码图像倾斜校正　162

3.2.4　图像优化、识别与译码　167

3.3　基于色温调制的LED阵列成像定位系统　174

3.3.1　RGB三基色LED色温调制原理　174

3.3.2　基于LED阵列和图像色温识别的LED-ID信息传输技术　176

3.4　基于摄影测量法的成像精准定位技术　182

3.4.1　摄影测量法的基本原理　183

3.4.2　可见光成像定位方法介绍　187

3.5　结合同色异谱光源的光源识别与成像型可见光定位　190

3.5.1　可见光定位系统对照明的要求及同色异谱原理分析　190

3.5.2　同色异谱光源识别原理　192

3.5.3　定位算法原理分析与定位流程　193

3.5.4　定位系统设计及实验　197

3.6　本章小结　205

参考文献　206

第4章　可见光定位系统中的光学天线设计　211

4.1　国内外VLC光学天线设计研究现状　212

4.1.1　发射天线　212

4.1.2　接收天线　214

4.2　RSS-nVLP系统的光学特性　217

4.3　基于自由曲面的光学天线设计　218

4.3.1　光学天线设计流程　218

4.3.2　光学天线设计理论　219

4.3.3　自由曲面透镜设计方法　220

4.3.4　基于线性照明模式的RSS定位算法　223

4.3.5　基于自由曲面光发射天线的可见光定位系统照明和定位分析　224

4.4　本章小结　228

参考文献　229

第5章　可见光与惯性传感器融合定位技术　231

5.1　传感器辅助定位技术与融合定位简介　232

5.1.1　室内融合定位技术简介　232

5.1.2　惯性传感器辅助定位技术与融合定位简介　233

5.2　基于姿态传感器的VLP联合定位技术　235

5.2.1　姿态传感器和PD-VLP联合定位技术　235

5.2.2　姿态传感器和图像传感器的iVLP联合定位技术　237

5.3　基于惯性传感器的PDR-VLP联合定位技术　240

5.4　可见光与惯性导航融合定位算法　241

5.4.1　基于扩展卡尔曼滤波的融合定位　241

5.4.2　基于无迹卡尔曼滤波的融合定位　248

5.4.3　基于粒子滤波的融合定位　251

5.4.4　几种融合定位算法比较　256

5.5　本章小结　257

参考文献　257

第6章　基于视觉的可见光通信与定位技术　261

6.1　基于可见光的相机通信　262

6.1.1　OCC技术特点与基本原理　262

6.1.2　图像传感器的结构及工作原理　264

6.1.3　OCC系统调制方式　265

6.1.4　提高OCC通信速率的方式　268

6.1.5　OCC应用场景　271

6.2　可见光屏幕通信技术　272

6.2.1　可见光屏幕通信的基本原理　273

6.2.2　可见光屏幕通信的特点与意义　277

6.3　移动中智能终端的可见光室内定位　278

6.3.1　图像处理和机器学习在可见光室内定位中的应用　278

6.3.2　基于接收信号强度测距的可见光室内定位系统　280

6.3.3　基于接收信号特征测距的可见光室内定位系统　288

6.4　基于视觉感知的可见光室内定位　290

6.4.1　编解码原理与方式　290

6.4.2　图像校正　294

6.4.3　距离计算　300

6.4.4　方向计算　304

6.5　本章小结　305

参考文献　305

中英文对照表　311

名词索引　315