煤矿工作面可见光通信分布式光源布置方法

1.一种煤矿工作面可见光通信分布式光源布置方法，其特征是：将煤矿井下工作面长方体形通信空间分割成顶部为方形的若干小通信空间，小通信空间采用每个LED光源与其相邻光源或者边界相隔距离等同的方式在液压支架上均匀分布大功率本质安全型白光LED光源，即在煤矿工作面长方体形通信空间等功率均匀分布式LED光源布局方法；在此基础上，进一步修正边缘光源功率，以光探测器接收平面信噪比偏离平均值均方误差最小为准则调整可见光通信空间位于边缘或四边位置LED光源功率，为基于边缘功率修正法的均匀分布式LED光源布局方法；两种方式均以建立构建煤矿工作面光接收面的接收信号模型为分析基础。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿工作面可见光通信分布式光源布置方法，其特征是：所述的煤矿工作面长方体形通信空间等功率均匀分布式LED光源布局方法：
采用均匀空间分割的方式是以煤矿工作面液压支架顶板组成的平面为上平面，以液压支架顶板的长度为边长，将煤矿工作面可见光通信空间分割成顶部为方形的若干通信空间，每个通信空间采用均匀方式分布大功率本质安全型白光LED光源；
划分后的通信空间光照度在达到国际标准化组织设立的300～1500lx照明标准的条件下，通信过程中发射端到接收端无障碍物遮挡，且LED光源功率足够大以满足接收端接收设备光电探测器可以接收到LED光源信息，每个LED光源与其相邻光源或者边界以相隔距离等同的方式在液压支架上均匀分布大功率本质安全型白光LED光源。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿工作面可见光通信分布式光源布置方法，其特征是：所述的基于边缘功率修正法的均匀分布式LED光源布局方法：
基于边缘功率修正法的标准差最小化调整方法，在边缘一圈的LED光源具有相同的发射功率，其它LED光源仍采用相同大功率LED光源；
点光源阵列为L行N列，接收点r(x，y，z)接收信号功率Ps为：
式中：x，y，z为三维空间位置坐标，平均接收功率为Pr＝PtH(0)，其中Pt为LED的平均发射功率，假设LED发射信号为pt＝Pt(1+M*f(t))，M为调制系数，f(t)为OOK调制双极性信号，接收信号st＝R*H(0)Pt*M*f(t)，R为光电探测器的响应增益常数；
H(0)为信道直流增益 m＝ln(1/2)/ln(cosφ1/2)，φ1/2为
LED的半功率角，出厂LED属性参数中可以查得，LED型号确定，参数m就已确定，φ为光发射角，A为光电探测器的光接收面积；
Pt(i，j)为光源阵列中第i行j列点光源的平均发射功率；
信噪比偏离其平均值的程度用标准差D表示，
时，求得Pt的值即为边缘光源的功率值；
其中，s为整体光接收平面面积s＝max(x)*max(y)，max(x)，max(y)为通信空间的长和宽；
以光探测器接收平面信噪比偏离平均值均方误差最小为准则调整可见光通信空间位于四边或者边缘位置LED光源功率，使得接收平面的光信号接收功率均匀性最好，边缘LED光源发射功率为同一可调值，其余LED光源功率保持不变：
步骤1、统计整个通信空间在某一接收平面光电探测器的平均信噪比；
步骤2、将光电探测器置于通信空间某边边缘LED光源下方得出相应信噪比大小，调整边缘LED光源功率，利用PC机判定当信噪比偏离平均信噪比误差在可接受范围时的最小功率，将该功率设为此边缘LED光源发射功率；
步骤3、按次规则分别调整四个边边缘LED光源功率，四个顶角LED光源功率按其中一个边缘功率值调整；
利用PC机判定当信噪比偏离平均信噪比误差在可接受范围时的最小功率包含以下步骤：
步骤1、将边缘LED光源初始功率值与非边缘LED光源设置相同；
步骤2、计算边缘LED光源下方光电探测器接收平面信噪比及其与整个通信空间平均信噪比标准差；
步骤3、每次增加固定值调整边缘LED光源功率值，即每次增加0.3W，直到计算得出标准差小于可接受误差范围，即误差范围为0.01，则将该值设为边缘LED光源功率值；
步骤4、若标准差始终大于可接受误差范围，将得出标准差值最小，即标准差不再降低时的功率作为边缘LED光源功率。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿工作面可见光通信分布式光源布置方法，其特征是：所述的构建煤矿工作面光接收面的接收信号模型，从单点LED光源接收光信号的信号强度、光信号的信噪比计算模型推广到多点LED光源接收光信号的信号强度、光信号的信噪比计算模型；
接收光信号的信号强度、光信号的信噪比计算模型有单点LED光源和多点LED光源：
(1)单点LED光源
LED光源为单个点光源时，光源空间坐标位置即发射点三维空间坐标为(xs，ys，zs)，光接收点中心三维空间坐标位置为(xr，yr，zr)，Φ表示LED发出可见光的光通量，点光源的发光强度为 式中Ir表示光通量dΦ与光源在给定方向dw角度上的比值；
光接收器的光接收面积dA、角度dw、光源与接收点的距离d和光入射角θ，之间几何关系为：
2
d*dw＝dA*cosθ (2)
接收平面上光照度E，定义为单位面积上的光通量，即
式(1)，(2)代入式(3)得
LED的发光强度Ir与特定的LED生产工艺和封装相关，假定白光LED符合朗伯辐照，LED发光强度
式中：m＝ln(1/2)/ln(cosφ1/2)，φ1/2为LED的半功率角，出厂LED属性参数中可以查得，LED型号确定，参数m就已确定，φ为光发射角,
将式(5)代入式(4)，则光照度
煤矿井下工作面LED光源安装于液压支架，采用垂直与水平面的安装方式，接收平面平行于水平面，即LED光源的顶平面与接收平面平行，此时光入射角与光发射角相等，即θ＝φ；
此时，
则光照度E为
可见光通信系统中，接收平面接收的光来源于两部分，一部分为直线接收(line of sight)，来源于光源的直接照射；一部分为非直线接收(not line of sight)，主要来源于光源发出的光照射到地面、四壁、阻碍物等反射回的光线被接收检测器接收，对于LOS直视-jwτ
路径，光功率为：H(w)＝H(0)e
H(0)为信道直流增益
式中：A为光电探测器的光接收面积，τ为时间延迟；
平均接收功率为Pr＝PtH(0)，其中Pt为LED的平均发射功率，假设LED发射信号为pt＝Pt(1+M*f(t))，M为调制系数，f(t)为OOK调制双极性信号，接收信号st＝R*H(0)Pt*M*f(t)，R为光电探测器的响应增益常数；
系统噪声比SNR为
当信号发送功率、调制系数和调制双极性信号平均功率稳定时，接收信号功率Ps正比与H2(0)，从而与光源到接收点的距离、光发射角、光入射角大小相关；
(2)多点LED光源
光源为多个分布式LED光源时，接收平面接收点(xr，yr，zr)处照度为 为第i行第j列顶部光源为此接收点的照度之和，点光源阵列为L行N列；
接收点r(x，y，z)接收信号功率Ps为：
接收点r(x，y，z)的信噪比SNR为：
接收平面信噪比SNR均值为： 其中s为光接收平面面积s
＝max(x)*max(y)，max(x)，max(y)为通信空间的长和宽；
信噪比偏离平均值的程度用标准差D表示：
标准差D越小，则光信号分布均匀性越好。

煤矿工作面可见光通信分布式光源布置方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种煤矿工作面光源布置方法，特别是一种煤矿工作面可见光通信分布式光源布置方法。\n背景技术\n[0002] 目前，煤矿音频、视频、数据信息传输主要借助于有线与无线相结合的通信方式实现井下井上的实时通信，随着采煤机的掘进工作面通信空间不断变化，铺设有线十分不便，无线通信是最优通信方式。传统的无线电泄漏、小灵通、CDMA、WiFi通信技术在井下应用都存在一定的局限性。无线电泄漏通信技术成本高，能耗大，小灵通也逐渐退出市场，WiFi是目前最新的无线通信技术，这几种无线通信技术都是借助无线电波通信，煤矿井下通信空间为有限空间，无线电波传输时多径现象严重，为了克服多径现象保证数据准确性，信号调制方式、通信设备等复杂程度大大增加，同时，数据速率限制在100Mbps以内，无法达到高速数据速率。\n[0003] 可见光通信借助发光二极管收发设备简单，传输速度快，误码率低，多径现象弱，通信的同时提供照明，同时，煤矿井下工作面的可见光通信空间与地面通信空间相比没有太阳光等强背景噪声干扰，光源背景噪声小，光源就是信号源，同时黑色的煤壁对可见光的反射能力弱，反射光能量约为入射光照度的5％左右，经过空气媒介一定传输距离衰减后到达光接收器的光信号几乎可以忽略不计，可见光通信系统是解决煤矿井下无线通信一种有效通信技术。\n[0004] 可见光通信系统中多采用强度调制——直接检测的方式实现数据通信，直接检测由光电探测器直接探测LED发出的光波信号，因而要使通信效果达到最优，须使同一水平面上分布的光照信号变化越小，即同一水平面光信号分布越均匀通信均匀效果越好，从而降低通信接收设备的要求，使得通信接收设备得以简化。如何提高接收平面光信号的覆盖均匀性，与LED光源分布密切相关，有OMEGA工程研究团队提出的均匀方阵LED分布光源布局，日本庆应大学的Nakagawa研究团队为了工程实现的方便，提出了分组LED阵列光源布局，2012年新加坡南洋理工大学的Wang Zixiong等人提出了12+4的分布模式，12盏LED光源均匀分布于以r为半径的圆周上，4盏LED光源分布于方形通信空间4个角落，从而降低光接收平面信噪比的波动。\n[0005] 日本索尼株式会社申请的接收设备，发送设备和通信系统专利，专利号CN \n1316835A，给出了能可靠发送和接收高速光信号的一种接收设备和发送设备，以及采用该设备的通信系统，其中发送设备使用白光LED阵列，如4行4列LED阵列，所有发光二极管功率相同，用于办公室或者家庭内的照明和通信。南京邮电大学2012年申请基于白光LED的预编码MU-MIMO室内可见光通信系统经过信号预编码，再采用LED阵列发送光信号，接收电路经过信号输出处理单元输出，以此消除多用户干扰，有效降低接收端的复杂度，没有提到LED阵列的具体形式。\n[0006] 以上设计方法中存在的问题是：一是国内外对于可见光通信中LED光源分布的研究都限于对正方体形通信空间的研究，其光源分布方法不能直接适用于矿井工作面长方体形的通信空间，且布局方法较为繁杂，在狭小的工作面空间的液压支架顶板布局不易实现。\n二是所用LED光源均为等功率光源，通过改变LED布局达到提高光接收面信号的均匀性效果，这种方法不但效果有限，而且不能针对不同形状的通信空间，不具一般性且在煤矿工作面改变光源布局实施复杂。\n发明内容\n[0007] 本发明的目的针对煤矿工作面提供一种可见光通信分布式光源布置方法，该方法比现有方法简单，易实施，能有效适用于在狭小工作面空间的液压支架顶板布局。解决目前可见光通信中LED光源分布的研究方法复杂不易实施，不适用于矿井工作面布局的问题。\n[0008] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：将煤矿井下工作面长方体形通信空间分割成顶部为方形的若干小通信空间，小通信空间采用每个LED光源与其相邻光源或者边界相隔距离等同的方式在液压支架上均匀分布大功率本质安全型白光LED光源，即在煤矿工作面长方体形通信空间等功率均匀分布式LED光源布局方法；在此基础上，进一步修正边缘光源功率，以光探测器接收平面信噪比偏离平均值均方误差最小为准则调整可见光通信空间位于边缘或四边位置LED光源功率，为基于边缘功率修正法的均匀分布式LED光源布局方法；两种方式均以建立构建煤矿工作面光接收面的接收信号模型为分析基础。\n[0009] 所述的煤矿工作面长方体形通信空间等功率均匀分布式LED光源布局方法：\n[0010] 采用均匀空间分割的方式是以煤矿工作面液压支架顶板组成的平面为上平面，以液压支架顶板的长度为边长，将煤矿工作面可见光通信空间分割成顶部为方形的若干通信空间，每个通信空间采用均匀方式分布大功率本质安全型白光LED光源；\n[0011] 划分后的通信空间光照度在达到国际标准化组织设立的300～1500lx照明标准的条件下，通信过程中发射端到接收端无障碍物遮挡，且LED光源功率足够大以满足接收端接收设备光电探测器可以接收到LED光源信息，每个LED光源与其相邻光源或者边界以相隔距离等同的方式在液压支架上均匀分布大功率本质安全型白光LED光源。\n[0012] 所述的基于边缘功率修正法的均匀分布式LED光源布局方法：\n[0013] 本发明中提出了基于边缘功率修正法的标准差最小化调整方法，在边缘一圈的LED光源具有相同的发射功率，其它LED光源仍采用相同大功率LED光源。\n[0014] 点光源阵列为L行N列，接收点r(x，y，z)接收信号功率Ps为：\n[0015] \n[0016] 式中：x，y，z为三维空间位置坐标，平均接收功率为Pr＝PtH(0)，其中Pt为LED的平均发射功率，假设LED发射信号为pt＝Pt(1+M*f(t))，M为调制系数，f(t)为OOK调制双极性信号，接收信号st＝R*H(0)Pt*M*f(t)，R为光电探测器的响应增益常数；\n[0017] H(0)为信道直流增益 m＝ln(1/2)/ln(cosφ1/2)，\nφ1/2为LED的半功率角，出厂LED属性参数中可以查得，LED型号确定，参数m就已确定，φ为光发射角，A为光电探测器的光接收面积；\n[0018] Pt(i，j)为光源阵列中第i行j列点光源的平均发射功率；\n[0019] 信噪比偏离其平均值的程度用标准差D表示，\n[0020] 其中，s为整体光接收平面面积s＝max(x)*max(y)，max(x)，max(y)为通信空间的长和宽；\n[0021] 时，求得Pt的值即为边缘光源的功率值。\n[0022] 以光探测器接收平面信噪比偏离平均值均方误差最小为准则调整可见光通信空间位于四边或边缘位置LED光源功率，使得接收平面的光信号接收功率均匀性最好，边缘LED光源发射功率为同一可调值，其余LED光源功率保持不变：\n[0023] 步骤1、统计整个通信空间在某一接收平面光电探测器的平均信噪比；\n[0024] 步骤2、将光电探测器置于通信空间某边边缘LED光源下方并得出信噪比大小，调整边缘LED光源功率，利用PC机判定当信噪比偏离平均信噪比误差在可接受范围时的最小功率，将该功率设为此边缘LED光源发射功率；\n[0025] 步骤3、按次规则分别调整四个边边缘LED光源功率，四个顶角LED光源功率按其中一个边缘功率值调整；\n[0026] 利用PC机判定当信噪比偏离平均信噪比误差在可接受范围时的最小功率包含以下步骤：\n[0027] 步骤1、将边缘LED光源初始功率值与非边缘LED光源设置相同；\n[0028] 步骤2、计算边缘LED光源下方光电探测器接收平面信噪比及其与整个通信空间平均信噪比标准差；\n[0029] 步骤3、每次增加固定值，即增加固定值为0.3W调整边缘LED光源功率值，直到计算得出标准差小于可接受误差范围，即误差范围为0.01，则将该值设为边缘LED光源功率值；\n[0030] 步骤4、若标准差始终大于可接受误差范围，将得出标准差值最小，即标准差不再降低时的功率作为边缘LED光源功率。\n[0031] 为了提高接收平面光信号的均匀性，简化光通信接收设备的复杂性，研究了煤矿井下工作面LED光源光照分布和光信号功率分布模型。所述的构建煤矿工作面光接收面的接收信号模型，从单点LED光源接收光信号的信号强度、光信号的信噪比计算模型推广到多点LED光源接收光信号的信号强度、光信号的信噪比计算模型；\n[0032] 接收光信号的信号强度、光信号的信噪比计算模型有单点LED光源和多点LED光源：\n[0033] (1)单点LED光源\n[0034] LED光源为单个点光源时，光源空间坐标位置即发射点三维空间坐标为(xs,ys,zs)，光接收点中心三维空间坐标位置为(xr，yr，zr)，Ф表示LED发出可见光的光通量，点光源的发光强度为 式中Ir表示光通量dΦ与光源在给定方向dw角度\n上的比值。\n[0035] 光接收器的光接收面积dA、角度dw、光源与接收点的距离d和光入射角θ，之间几何关系为：\n[0036] d2*dw＝dA*cosθ (2)\n[0037] 接收平面上光照度E，定义为单位面积上的光通量，即\n[0038] 式(1)，(2)代入式(3)得\n[0039] LED的发光强度Ir与特定的LED生产工艺和封装相关，假定白光LED符合朗伯辐照，LED发光强度\n[0040] 式中：m＝ln(1/2)/ln(cosφ1/2)，φ1/2为LED的半功率角，出厂LED属性参数中可以查得，LED型号确定，参数m就已确定，φ为光发射角。\n[0041] 将式(5)代入式(4)，则光照度\n[0042] 煤矿井下工作面LED光源安装于液压支架，采用垂直与水平面的安装方式，接收平面平行于水平面，即LED光源的顶平面与接收平面平行，此时光入射角与光发射角相等，即θ＝φ；\n[0043] 此时，\n[0044] 则光照度E为\n[0045] 可见光通信系统中，接收平面接收的光来源于两部分，一部分为直线接收(line of sight)，来源于光源的直接照射；一部分为非直线接收(not line of sight)，主要来源于光源发出的光照射到地面、四壁、阻碍物等反射回的光线被接收检测器接收。对于LOS直视路径，光功率为：\n[0046] H(w)＝H(0)e-jwτ，\n[0047] H(0)为信道直流增益\n[0048] 式中：A为光电探测器的光接收面积，τ为时间延迟；\n[0049] 平均接收功率为Pr＝PtH(0)，其中Pt为LED的平均发射功率，假设LED发射信号为Pt＝Pt(1+M*f(t))，M为调制系数，f(t)为OOK调制双极性信号，接收信号st＝R*H(0)Pt*M*f(t)，R为光电探测器的响应增益常数；\n[0050] 系统噪声比SNR为\n[0051] 当信号发送功率、调制系数和调制双极性信号平均功率稳定时，接收信号功率Ps正比与H2(0)，从而与光源到接收点的距离、光发射角、光入射角大小相关。\n[0052] (2)多点LED光源\n[0053] 光源为多个分布式LED光源时，接收平面接收点(xr，yr，zr)处照度为为第i行第j列顶部光源为此接收点的照度之和，点光源阵列为L行N列；\n[0054] 接收点r(x，y，z)接收信号功率Ps为\n[0055] \n[0056] 接收点r(x，y，z)的信噪比SNR为：\n[0057] 接收平面信噪比SNR均值为： 其中s为光接收平面面\n积s＝max(x)*max(y)，max(x)，max(y)为通信空间的长和宽；\n[0058] 信噪比偏离平均值的程度用标准差D表示：\n[0059] \n[0060] 标准差D越小，则光信号分布均匀性越好。\n[0061] 采用上述方案的有益效果和优点如下：\n[0062] (1)等功率均匀分布式LED光源，使用LED光源等均匀方阵分布布局可见光通信光源，保证了接收平面无线光信号强度覆盖均匀性，能够实现通信和照明双重用途，比目前布局方法简单易于实现，并适用于煤矿井下工作面非常规型光通信空间。\n[0063] (2)基于边缘功率修正法的均匀分布式LED光源设计优化方法，采用接收平面信噪比偏离平均值均方误差最小准则调整边缘LED光源的发射功率，使得在不需要改变光源布局的情况下接收平面的光信号接收功率均匀性最好，具有更优的光信号均匀分布性能，更好的通信效果和照明效果，接收面光信号标准差能够降低到原来的50％左右。比目前通过改变LED布局达到提高光接收面信号的均匀性的方法易于实现，具有一般性，适用于不同形状或布局的通信空间，且实施简单。\n附图说明\n[0064] 图1为本发明的单个LED点光源照射示意图。\n[0065] 图2为本发明的多个LED点光源照射示意图。\n[0066] 图3为本发明的可见光通信井下工作面场景。\n[0067] 图4为本发明的4m*20m工作面LED光源分布。\n[0068] 图5为本发明的等功率均匀LED分布接收面光照度和等高线分布。\n[0069] 图6为本发明的边缘LED功率与接收面照度标准差关系。\n[0070] 图7为本发明的边缘LED功率10w接收平面光照度和等高线分布。\n[0071] 图中，1、发射点；2、接收点；3、LED光源；4、液压支架；5、划分的通信空间；6、采煤机；7、接收设备光电探测器。\n具体实施方式\n[0072] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例1、2对本发明作进一步的详细描述。\n[0073] 构建煤矿工作面光接收面的接收信号模型，光接收面的接收信号模型包括单点LED光源和多点LED光源接收光信号的信号强度、光信号的信噪比计算模型；将煤矿井下工作面长方体形通信空间分割成顶部为方形的若干小通信空间，小通信空间采用每个LED光源与其相邻光源或者边界相隔距离等同的方式在液压支架上均匀分布大功率本质安全型白光LED光源；并修正边缘光源功率，即以光探测器接收平面信噪比偏离平均值均方误差最小为准则调整可见光通信空间位于边缘或四边位置LED光源功率。使得接收平面的光信号接收功率均匀性最好，取得最优的通信效果和光照效果。\n[0074] 煤矿工作面可见光通信空间为长形通信空间，工作面长为几十米到几百米，宽和高为几米到几十米，实质通信空间为液压支架顶梁到地面，液压支架立柱到采煤机或者煤层之间，通信过程中发射端到接收端无障碍物遮挡，且LED光源功率足够大以满足接收端接收设备光电探测器可以接收到LED光源信息，具体长、宽、高不限。\n[0075] 实施例1：该方法首先构建煤矿井下工作面中可见光的LED光源光照分布和光信号功率分布模型，对煤矿井下工作面长方体形通信空间等功率均匀分布式LED光源进行布局。\n[0076] 所述的煤矿工作面长方体形通信空间等功率均匀分布式LED光源布局方法：\n[0077] 所述采用均匀空间分割的方式是以煤矿工作面液压支架顶板组成的平面为上平面，以液压支架顶板的长度为边长，将煤矿工作面可见光通信空间分割成顶部为方形的若干通信空间，每个通信空间采用均匀方式分布大功率，采用5W本质安全型白光LED光源；\n[0078] 划分后的通信空间光照度在达到国际标准化组织设立的300～1500lx照明标准的条件下，每个LED光源与其相邻光源或者边界以相隔距离等同的方式在液压支架上均匀分布大功率本质安全型白光LED光源。\n[0079] 设计了煤矿工作面等功率均匀分布式LED光源布局。在宽4m，长20m的通信空间液压支架的顶部设计LED光源的均匀方阵布局如图3所示，首先采用等间隔空间均匀分割法分成5个小面积方形空间，按照方形阵列设计光源点位置，相邻两个光源点之间距离d＝\n1m，通信空间高度为3m，光接收平面的高度为0.85m，LED光源功率均为5w的大功率LED本安型光源。\n[0080] 所述的构建煤矿工作面光接收面的接收信号模型，从单点LED光源接收光信号的信号强度、光信号的信噪比计算模型推广到多点LED光源接收光信号的信号强度、光信号的信噪比计算模型；\n[0081] 接收光信号的信号强度、光信号的信噪比计算模型有单点LED光源和多点LED光源：\n[0082] (1)单点LED光源\n[0083] 在图1中，LED光源为单个点光源时，光源空间坐标位置即发射点三维空间坐标为(xs,ys,zs)，光接收点中心三维空间坐标位置为(xr，yr，zr)，Ф表示LED发出可见光的光通量，点光源的发光强度为 式中Ir表示光通量dΦ与光源在给定方向dw角度\n上的比值。\n[0084] 光接收器的光接收面积dA、角度dw、光源与接收点的距离d和光入射角θ，之间几何关系为\n[0085] d2*dw＝dA*cosθ (2)\n[0086] 接收平面上光照度E，定义为单位面积上的光通量，即\n[0087] 式(1)，(2)代入式(3)得\n[0088] LED的发光强度Ir与特定的LED生产工艺和封装相关，假定白光LED符合朗伯辐照，LED发光强度\n[0089] 式中：m＝ln(1/2)/ln(cosφ1/2)，φ1/2为LED的半功率角，出厂LED属性参数中可以查得，LED型号确定，参数m就已确定，φ为光发射角。\n[0090] 将式(5)代入式(4)，则光照度\n[0091] 煤矿井下工作面LED光源安装于液压支架，采用垂直与水平面的安装方式，接收平面平行于水平面，即LED光源的顶平面与接收平面平行，此时光入射角与光发射角相等，即θ＝φ；\n[0092] 此时，\n[0093] 则光照度E为\n[0094] 可见光通信系统中，接收平面接收的光来源于两部分，一部分为直线接收(line of sight)，来源于光源的直接照射；一部分为非直线接收(not line of sight)，主要来源于光源发出的光照射到地面、四壁、阻碍物等反射回的光线被接收检测器接收。对于LOS直视路径，光功率为：\n-jwτ\n[0095] H(w)＝H(0)e ，\n[0096] H(0)为信道直流增益\n[0097] 式中：A为光电探测器的光接收面积，τ为时间延迟；\n[0098] 平均接收功率为Pr＝PtH(0)，其中Pt为LED的平均发射功率，假设LED发射信号为pt＝Pt(1+M*f(t))，M为调制系数，f(t)为OOK调制双极性信号，接收信号st＝R*H(0)Pt*M*f(t)，R为光电探测器的响应增益常数；\n[0099] 系统噪声比SNR为\n[0100] 当信号发送功率、调制系数和调制双极性信号平均功率稳定时，接收信号功率Ps正比与H2(0)，从而与光源到接收点的距离、光发射角、光入射角大小相关。\n[0101] (2)多点LED光源\n[0102] 在图2中，光源为多个分布式LED光源，接收平面接收点(xr，yr，zr)处照度为为第i行第j列顶部光源为此接收点的照度之和，点光源阵列为L行N列；\n[0103] 接收点r(x，y，z)接收信号功率Ps为\n[0104] \n[0105] 接收点r(x，y，z)的信噪比SNR为：\n[0106] 接收平面信噪比SNR均值为： 其中s为光接收平面面\n积s＝max(x)*max(y)，max(x)，max(y)为通信空间的长和宽；\n[0107] 信噪比偏离平均值的程度用标准差D表示：\n[0108] \n[0109] 标准差D越小，则光信号分布均匀性越好。\n[0110] 本设计下高度为0.85m接受平面的光信号性能如图5所示，归一化光照度最大值1，最小值0.32，差异率d＝(max(E)-min(E))/max(E)为0.68，接收平面的标准差为\n2.08％，最大信噪比为6.93db，最小信噪比为-4.46db，边缘四角最小值较小，中间位置光照值较大的空间有效面积较大。\n[0111] 实施例2：该方法首先构建煤矿井下工作面中可见光的LED光源光照分布和光信号功率分布模型，对煤矿井下工作面长方体形通信空间基于边缘功率修正的等功率均匀分布式LED光源进行布局。在等功率均匀分布光源的基础上，对边缘光源功率进行修正。所述的构建煤矿井下工作面中可见光的LED光源光照分布和光信号功率分布模型与实施例1相同。\n[0112] 选定发明通信空间为宽4m，长20m，高3m的煤矿井下工作面，液压支架的顶部设计LED光源的均匀方阵布局如图4所示。\n[0113] 设计本发明的具体执行步骤为：\n[0114] 步骤1：在图1中，LED光源为单个点光源时，确定光源空间坐标位置即发射点三维空间坐标为(xs,ys,zs)，光接收点中心三维空间坐标位置为(xr，yr，zr)。\n[0115] 步骤2：点光源的发光强度为 式中Ir表示光通量dΦ与光源在给定\n方向dw角度上的比值。\n[0116] 步骤3：光接收器的光接收面积dA、角度dw、光源与接收点的距离d和光入射角θ，之间几何关系为\n[0117] d2*dw＝dA*cosθ。 (2)\n[0118] 接收平面上光照度E，定义为单位面积上的光通量，即\n[0119] 式(1)，(2)代入式(3)得\n[0120] 步骤4：假定白光LED符合朗伯辐照，LED发光强度\n[0121] 式中：m＝ln(1/2)/ln(cosφ1/2)，φ1/2为LED的半功率角，出厂LED属性参数中可以查得，LED型号确定，参数m就已确定，φ为光发射角。\n[0122] 将式(5)代入式(4)，则光照度\n[0123] 煤矿井下工作面LED光源安装于液压支架，采用垂直与水平面的安装方式，接收平面平行于水平面，即LED光源的顶平面与接收平面平行，此时光入射角与光发射角相等，即θ＝φ。\n[0124] 此时，\n[0125] 则光照度E为\n[0126] 步骤5：对于可见光通信系统中LOS直视路径，光功率为\n[0127] H(w)＝H(0)e-jwτ\n[0128] H(0)为信道直流增益\n[0129] 式中：A为光电探测器的光接收面积，τ为时间延迟。\n[0130] 平均接收功率为Pr＝PtH(0)，其中Pt为LED的平均发射功率，假设LED发射信号为pt＝Pt(1+M*f(t))，M为调制系数，f(t)为OOK调制双极性信号，接收信号st＝R*H(0)Pt*M*f(t)，R为光电探测器的响应增益常数。\n[0131] 系统噪声比SNR为\n[0132] 步骤6：可见光通信系统中光源为多个分布式LED点光源，点光源阵列为L行N列，接收平面接收点(xr，yr，zr)处照度为 为第i行第j列顶部光源为此接收点\n的照度之和。\n[0133] 步骤7：接收点r(x，y，z)接收信号功率Ps为\n[0134] \n[0135] 接收点r(x，y，z)的信噪比SNR为：\n[0136] 接收平面信噪比SNR均值为： 其中s为光接收平面面\n积s＝max(x)*max(y)，max(x)，max(y)为通信空间的长和宽。\n[0137] 步骤8：信噪比偏离平均值的程度用标准差D表示：\n[0138] \n[0139] 标准差D越小，则光信号分布均匀性越好。\n[0140] 步骤9：设计了煤矿工作面等功率均匀分布式LED光源布局。在宽4m，长20m的通信空间液压支架的顶部设计LED光源的均匀方阵布局如图4所示，首先采用等间隔空间均匀分割法分成5个小面积方形空间，按照方形阵列设计光源点位置，相邻两个光源点之间距离d＝1m，通信空间高度为3m，光接收平面的高度为0.85m，LED光源功率均为5w的大功率LED本安型光源。\n[0141] 步骤10：本设计下高度为0.85m接受平面的光信号性能如图5所示，归一化光照度最大值1，最小值0.32，差异率d＝(max(E)-min(E))/max(E)为0.68，接收平面的标准差为2.08％，最大信噪比为6.93db，最小信噪比为-4.46db，边缘四角最小值较小，中间位置光照值较大的空间有效面积较大。\n[0142] 步骤11：接收面照度和信噪比分布中随着接收点靠近巷道的两侧，照度和信噪比随之而减小，巷道中心照度和信噪比的值都很大，为了进一步提高接收平面的均匀性，本发明中提出了基于边缘功率修正法的标准差最小化调整方法，假设边缘一圈的LED光源具有相同的发射功率，其它LED光源仍采用5w大功率LED光源。\n[0143] 步骤12：点光源阵列为L行N列，接收点r(x，y，z)接收信号功率Ps为：\n[0144] \n[0145] 信噪比偏离其平均值的程度用标准差D表示，\n[0146] 时，求得Pt的值即为边缘光源的功率值。\n[0147] 步骤13：根据算法设计程序步骤如下：\n[0148] 1)设置沿x方向和y方向边缘两侧LED光源初始功率为P0，功率调整步长为λ＝0.3。\n[0149] 2)计算接收平面SNR及其标准差D，若标准差D＜0.01则程序结束，否则按照P＝P0+λ。\n[0150] 3)重复第2步。\n[0151] 4)若标准差D大于0.01，但是方差计算过程中DN+1＞DN，即标准差不再降低时功率，则程序结束，不再调整功率。\n[0152] 步骤14：功率变化与标准差变化关系如图6所示，5～20w之间标准差随功率增加很快减小，20w之上标准差变化不大。经过功率调整，巷道四周边缘LED光源功率为10W，此时，接收平面的归一化照度分布如图7所示，归一化照度最大值1，最小值0.44，差异率为\n0.56，信噪比最大值10.78db，最小值2.53db，标准差为0.01，比等功率的光源分布性能有明显改善，标准差降低了近一倍，仅为原来的47％，取得了比等功率LED分布更好的均匀性效果。\n[0153] 以上所述，从图5和图7中可以观察到仿真结果，经过功率调整后的LED光源分布布局接收平面取得了更好的光照均匀性。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。