光学相机通信端到端传感器感知仿真器及其在星内链路中的应用

《Electronics》：An End-to-End Sensor-Aware Optical Camera Communication Simulator with Application to Intra-Satellite Links

　　

本研究提出一种模块化、传感器感知的端到端光学相机通信（OCC）仿真框架。该框架将改进的蒙特卡洛光线追踪（MMCRT）与像素级相机建模相结合，涵盖光学模糊、快门时序、噪声、数字化及调制感知信号处理。其从模拟光传播生成物理一致的合成图像，并通过图像域信噪比（SNR）与理论误码率（BER）估算通信性能。该仿真器以星内光链路为代表性案例进行研究，涉及受限三维几何、视距（LOS）可见性、部分遮挡及滚动快门（RS）图像形成。在LOS条件下的实验验证显示，滚动快门图像主导时空特征吻合良好，结构相似性指数度量（SSIM）约0.80。模拟SNR约20.5至22.6 dB，实测20.8至24.4 dB。实验序列未观测到误码，对应有限长BER上限置信界，而模拟图像导出的BER为理想接收机假设下由图像域SNR所得理论估计。采用详细12U立方体卫星模型附加仿真，展示了评估发射-接收布设与部分几何遮挡的能力，包括光源可见部分仍足以解码比特流的情形。通过联合建模光传播、相机采集与通信度量，所提框架支持早期OCC系统分析与配置权衡，无需立即硬件实现，亦适用于其他空间图像形成与传感器动态影响通信性能的OCC场景。

研究背景方面，光学相机通信（OCC）利用图像传感器作为通信接收机，在机器人、室内定位等场景受关注，但现有工具常将光传播与相机信号处理分开建模：光线追踪工具忽略传感器物理与通信度量，相机仿真器假设简化光信道，缺乏统一端到端框架。星内光无线（IS-OWC）因受限几何、高反射面、遮挡等成为验证端到端OCC框架的严峻场景。为此，研究人员在OCC4SAT项目内开发端到端传感器感知OCC仿真框架，解决跨域耦合建模缺口。

关键技术方法上，研究人员采用改进蒙特卡洛光线追踪（MMCRT）结合像素级传感器模型：发射端以16微发光二极管（LED）板载芯片（COB）阵列按朗伯体采样；传播阶段用确定性强制定向接收机贡献加单次随机透射，限一跳以控计算量；成像端用针孔投影加高斯点扩散函数（PSF）模糊；时间域建行级滚动快门（RS）曝光与开关键控（OOK）/4脉冲幅度调制（4-PAM）强度调制直接检测（IM/DD）；传感器端由光子数-光电子-泊松散粒噪声-高斯读出噪声-电压转换-量化链路生成RAW类线性图像；通信端以百分位阈值选区域兴趣（ROI）算图像域SNR并套用OOK/M-PAM理论BER公式。验证以空12U立方体卫星LOS实验室配置（COB LED发、Sony IMX219收）为基准，另用详细12U模型做遮挡定性仿真。

研究结果部分，各小节结论如下。

系统概述小节指出，框架分预处理、MMCRT传播建反射树、投影至虚拟CMOS并经RS采样噪声量化三阶段，模块可替换，统一从发射到合成图与指标。

光线传播与发射建模小节表明，COB微发射体独立朗伯采样，前置扩散盘近场均匀化，直收贡献按余弦权重与自由空间衰减算，LOS验证限单跳，框架本身支持多跳非视距（NLOS）。

成像与光学投影小节说明，入射光方向经相机坐标系分解得像素坐标，斜入射以余弦加权折效孔径，高斯PSF用半高全宽（FWHM）关模糊圆直径作一阶近似。

滚动快门与调制建模小节显示，行起始时间t_r=t₀+rΔt_row，帧扫描约9 ms（IMX219 VGA），OOK生明暗带、4-PAM生四级灰阶带，调制频率6.7 kHz使每行多采样、速率kbps级。

传感器物理与数字化小节指出，功率转光子数经量子效率（QE）得光电子，泊松散粒噪声加电子域高斯读出噪声（σ_read典型值），经增益电容转电压后B位模数转换（ADC），用线性RAW数据不施伽马，满阱（FWC）未显式截断因未饱和。

通信度量SNR与BER小节表明，以信号ROI内像素均值方差比算SNR，BER由标准IM/DD表达式推得理论值，实验BER则以错比特数除总数给置信上限。

仿真方法论小节汇报，空舱LOS收敛性分析显示射线数10⁴–10⁵总接收功率波动<1%，选10⁴级稳且省算；详细12U模型以Blender抽稀至约11.9万三角面保平面光学一致。

实验与验证小节中，辐照度与功率图峰值约2.26 W/m²与对应像素功率一致；合成GS图两调制同态、RS图生带状与实验室裁切区SSIM≈0.80、纵向均值轮廓带位宽匹配；空舱模拟SNR：GS-OOK/4-PAM≈22.6 dB，RS-OOK≈21.6 dB、RS-4-PAM≈20.5 dB，理论BER极低；实验室测GS-OOK 24.4 dB、4-PAM 22.1 dB无错（8000比特上限界1.9×10^-4），RS-OOK 20.8 dB无错（80000比特上限界3.7×10^-5）；详细12U无遮挡OOK SNR 18.58 dB、部分遮挡降至14.35 dB仍解码头流，证几何可见性可保通信。

讨论部分总结，模拟与实测SNR差<2 dB源于简化衰减与通用噪声参数，SSIM与主轮廓吻合证RS时空特征复现；高斯PSF与理想沿变LED为残差主因；框架可换场景适他OCC应用；存耗随射线数近线性、抽稀与未并行化为现存限制。

结论部分译文：本工作提出模块化端到端OCC仿真框架，在统一环境集成物理光线追踪、光学投影、传感器级成像、滚动快门采集与通信性能评估，以星内链路为案例证受限三维几何下LOS可控验证与详细12U部分遮挡可解码，实验室LOS图像特征与SNR趋势吻合、序列无错，模拟BER为理想接收机下图像域SNR理论估计。框架允许在硬实现前调几何、布设、调制、传感器噪模，超越传统信道仿真器直接链播-传-度量，minor差异不碍主导特征复现，未来校参、扩NLOS多径与动态范围非线性及并行化。论文发表于《Electronics》。