超构广角相机实现毫米级室内定位精度
学术
2024-09-06 09:01
中国香港
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图1 广角超构透镜及其室内定位应用场景
1. 导读
位置信息在许多应用和服务中都非常重要，它决定了信息传递的准确性和效率。由于电磁屏蔽、多径衰落和障碍物遮挡信号等因素的影响，广泛应用的全球定位系统（GPS）在室内场景难以有效使用。为解决该问题，人们提出了多种室内定位方案，如无线局域网（WLAN）、射频识别（RFID）、超宽带（UWB）等。然而这些方案易受电磁干扰；需要部署额外的信号发射设备，成本较高；且接收设备不易集成。针对这些问题，近日东南大学陈绩副教授、张在琛教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种利用超构透镜对信标LED光源成像进行定位的方案（见图1左）。通过三个信标LED的物像关系，可以获取设备（x, y, z）三维坐标。超构透镜的设计借鉴了研究人员在2022年提出的广角超构透镜方案（Ji Chen et al. Planar wide-angle-imaging
camera enabled by metalens array. Optica 9, 431 (2022). 荣获2022年度中国光学十大进展），其可以对超过60°视角的LED光源进行高质量成像（见图1右）。这保证了即使在室内的边缘位置，方案也可以准确地进行定位，极大提升了在整个室内空间的平均定位精度。此外整个定位器件具有高紧凑的体积，易于集成到手机等移动设备中。这不仅为未来高精度室内定位提供了变革性的解决方案，也为无线光通信中信号发射、接收设备的设计提供了全新思路。2. 研究背景
高精度室内定位功能在无线通信、室内导航、物联网、工业自动化等领域都具有重要作用，它决定了是否能将信息准确地发送给接收者。广泛使用的全球定位系统(GPS)在室内或受阻环境中面临定位性能剧烈下降的挑战，原因包括电磁屏蔽、多路径衰落以及信号被障碍物阻挡等因素。为了解决室内高精度定位的需求，各种无线定位解决方案被开发出来，如无线局域网(WLAN)、射频识别(RFID)、蓝牙(Bluetooth)、超宽带(UWB)等。然而，这些解决方案通常需要专用的定位基础设施，同时定位精度受到电磁干扰、噪声、稳定性等因素的限制。随着发光二极管(LED)作为光源的显著进步，基于LED的可见光通信(VLC)技术近年来得到了广泛研究。基于VLC的定位技术是一种高效低成本的绿色服务，因其抗电磁干扰、系统稳定性和相对较高的定位精度而受到广泛关注。此外，这些定位设备还可以与照明系统集成，大大降低建设和运营成本。VLC定位技术可以根据接收端器件的不同大致分为两类，一类是基于光电二极管(PD)进行强度测量或几何角度测量的分析方法，另一类是通过摄像机进行成像的方法。几何方法通过测量到达时间(ToA)、到达角度(AoA)、到达角度差(ADoA)和接收信号强度(RSS)等参数来建立定位测量的关系模型。然而，基于到达时间的方法多需要严格的同步时钟周期，导致设备成本增加。基于接收信号强度的方法测量精度容易受到其他外部光源产生的噪声干扰。相比之下，成像方法通过分析物体和图像之间的镜头成像关系来获取位置信息。成像传感器上的大量像素保证了比基于光电传感器的分析方法更高的定位精度潜力。然而，为了实现高质量的成像，需要复杂的镜头组件，导致定位设备的整体体积较大，不利于集成到移动设备中。此外，在大视角传统透镜成像的应用场景下，随着检测角度的增加，原有的定位分析模型也会失效，这严重限制了成像定位方法的检测范围。针对上述问题，研究人员提出一种基于广角超构透镜集成相机成像的三维定位方案，该方案充分利用了超表面的灵活相位设计优势，实现的超构广角相机能够在120°视角范围内对LED光源精确成像，从而保证在室内范围的精确定位。该定位原理如图2所示，超构广角相机对每个LED成像，都可以得到物像的几何关系。对三个LED光源成像则可以列出三组方程，从而解得设备（x, y, z）三维坐标。超构透镜采取了二次型相位设计，其可以将倾斜入射光聚焦成焦平面上的平移光斑（见图2右下），从而实现广角成像功能。![]()
图2 定位原理及广角超构透镜设计
研究人员首先测试了超构广角相机的成像性能。与传统的双曲相位型超构透镜相比，传统透镜的成像随着视角增大会出现明显的慧差，且成像位置也会严重偏离理论。而超构广角相机对大视角范围内的LED光源的成像均可以保持较好的形状，且成像位置与理论推导相符（见图3）。这就保证了即使是在房间偏远的位置，也可以实现精确定位。![]()
图3 超构广角相机成像与定位性能测试
研究人员最终在一个横向视角超过120°，纵向视角超过80°的二维电动平移台上采集了各视角位置处的定位信息，验证了该方案的定位精度。结果表明视角范围内的绝大部分位置处，其在（x,
y, z）三个坐标的定位精度都达到1cm甚至mm级的误差精度（见图4），展示了器件的高精度定位能力。![]()
图4 超构广角相机的定位性能
4. 应用与展望
除了其高精度定位能力之外，该超构广角相机的超紧凑尺寸使其非常适合集成到智能手机、无人机等设备的摄像头模块中，为未来高性能的室内通信、物联网及相关领域提供了一种全新的技术解决方案。该研究成果以“Millimeter-precision
positioning for wide-angle indoor area enabled by metalens-integrated camera”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Muyang
Li, Yue Wu, Haobai Li, Zi-Wen Zhou, Yanxiang Zhang, Zhongyi Yuan, Zaichen Zhang
and Ji Chen，其中Muyang
Li（李牧阳）为论文的第一作者，Ji
Chen（陈绩）副教授和Zaichen
Zhang（张在琛）教授为共同通讯作者。该团队隶属于东南大学移动通信全国重点实验室和紫金山实验室普适通信研究中心。
