光学相机通信在雾环境下的稳健性研究：基于波分复用的侧发光光纤系统

一、研究团队与发表信息
本研究成果由捷克技术大学（Czech Technical University in Prague）电磁场系的Klára Eöllös-Jarošíková、Carlos Guerra-Yánez、Stanislav Zvánovec和Matěj Komanec团队完成，发表于2025年9月的期刊《Optics Express》（Vol. 33, No. 19）。研究聚焦于恶劣天气条件下光学相机通信（Optical Camera Communication, OCC）系统的性能优化。

二、学术背景与研究目标
光学无线通信（Free Space Optics, FSO）在雾、沙尘等低能见度环境中易受光散射和衰减影响，而OCC作为新兴技术，利用摄像头接收调制光信号，具有成本低、易部署的优势。然而，传统LED光源在雾中的性能受限，亟需创新解决方案。本研究旨在通过侧发光光纤（side-emitting fiber）结合RGB激光光源，提升OCC系统在浓雾（能见度低至4.5米）下的可靠性，并利用波分复用（Wavelength Division Multiplexing, WDM）提高数据吞吐量。

三、研究方法与流程
1. 实验系统设计
- 发射端：采用RGB激光二极管（Triplex-WSLX-RGB，波长635 nm/532 nm/450 nm）耦合至1米长的侧发光光纤（Fibrance品牌），通过Arduino Uno生成曼彻斯特编码数据包（13比特/包，含10比特有效载荷）。
- 传输环境：1米长雾室模拟不同能见度条件（20.8米至4.5米），通过超声波雾化器和风扇控制雾密度，并利用近红外激光与功率计实时监测衰减（0.9–3.7 dB/m）。
- 接收端：树莓派相机模块（IMX219传感器，1920×1080像素）以30 fps捕获图像，通过Matlab算法提取数据，包括ROI分割、RGB通道分离、匹配滤波和符号恢复。

1. 关键创新点

   • 侧发光光纤：与传统LED相比，其360°辐射特性提供更均匀的光分布，适应雾中散射环境。
     
   • WDM技术：RGB三通道独立传输数据，理论吞吐量达900 bps（30 fps下）。
     
   • 抗雾算法：通过动态白平衡校准（固定R/B通道增益）和通道串扰抑制（-7至-14 dB）提升信号稳定性。
     

2. 实验参数

   • 测试两种像素/符号比（Npps=¹⁵⁄₂₀ pps），对应发射速率1.³⁄₁.8 kbps。
     
   • 每种雾条件采集550张图像，统计误码率（BER）并计算95%置信区间。
     

四、主要结果与逻辑链条
1. BER性能
- 在最低能见度（4.5米，衰减3.7 dB/m）下，20 pps模式的BER为1.6×10⁻³（所有通道），15 pps模式下仅红色通道满足前向纠错（FEC）限值（3.8×10⁻³）。
- 通道差异：红色通道表现最优（BER 1.8×10⁻⁴至1.6×10⁻³），归因于其高光功率（18 dBm）和低串扰；蓝色通道因“光晕效应”（光扩散至纤芯外）性能较弱。

1. 雾衰减影响

   • 雾密度与BER呈正相关，但系统在4.5米能见度下仍保持可靠通信，优于文献报道的20米能见度极限（衰减0.9 dB/m）。
     

2. 技术验证

   • 通过对比实验证实侧发光光纤在雾中的优势，而传统LED需通过散焦改善性能，但本系统散焦反而降低BER表现。
     

五、结论与价值
1. 科学价值
- 首次验证侧发光光纤WDM-OCC系统在极端雾环境（4.5米能见度）的可行性，为自由空间光通信提供了新思路。
2. 应用价值
- 适用于矿井、消防、交通等低能见度场景，提升安全通信能力。未来可通过提高帧率（如60 fps）或空间复用进一步增加吞吐量。

六、研究亮点
1. 创新技术：RGB激光+侧发光光纤的WDM-OCC设计，突破雾衰减瓶颈。
2. 鲁棒性验证：实测BER均低于FEC限值，支持实际部署。
3. 跨学科融合：结合光纤技术、图像处理与大气信道建模。

七、其他发现
- 蓝色通道缺陷：光晕效应提示需优化光纤结构或波长选择以减少串扰。
- 硬件限制：Arduino的I2C通信延迟（182 μs）制约了发射速率上限（2.7 kbps），未来可升级控制器。

本研究为恶劣环境下的OCC应用奠定了实验基础，相关数据可通过作者获取。