#你不知道的科学那些事儿# 【可见光通信了解一下[来]没有辐射隐忧,使用起来更安全[鼓掌]】可见光即电磁波谱中人眼可以感知的部分,除了提供给人类丰富的色彩世界、照亮夜晚的黑,业已被科研人员逐步发掘出更多潜力,可见光通信便是其中之一。

可见光通信技术的原理是将需要传输的信息调制到发光二极管(LED)的驱动电流上,使LED灯具以极高的频率闪烁。

闪烁频率可以躲过人眼,却绕不过光电探测器,后者只需检测到这种高频闪烁携带的通信信息,就可以对LED灯光照射下的电器进行万能遥控,还可以让计算机、手机连接上互联网。

近日,电子科技大学教授巫江与萨里大学、剑桥大学等科研人员共同在《自然—电子》上发表论文,系统论述了有机半导体、胶体量子点和金属卤化物钙钛矿材料的发展,及其LED器件的性能改进和器件创新,探讨了新型光源的带宽调制机理与外量子效率的优化策略,尤其是新型LED光源在片上光互连和Li-Fi(Light Fidelity)等应用场景。

可见光的妙用

谈到无线网,人们更熟悉的是肉眼不可见的电磁波。且不论是2G还是现在的5G,皆由其将移动终端接入互联网。而随着光纤通信的发展,光的传输又重回大众视野。其实,早在19世纪80年代,电话的发明人亚历山大·贝尔就曾提出“光子电话”的概念,即将语音信号调制在太阳光中,可以实现在数百米之外的地方接收并转换回语音信号。这个想法虽然过于“前卫”,但是光能传递信号一事却一直被可见光研究人员铭记于心。

“不论贝尔曾经提出的太阳光传输信号,还是现在的光纤通信乃至可见光通信,原理并无太大差异,都是由发射器发出信息,再由接收器‘翻译’,主要区别只是传输介质不同。”巫江在接受《中国科学报》采访时解释说。发射的信息只有0和1两种状态,但是经过编码的可见光波就可生成不同组合的编码,传递复杂的信息。“如果遮挡光线是0,无遮挡是1,那么可见光在人眼无法捕捉的快速闪烁中就可完成信息传递。”

在中国科学院半导体研究所可见光通信实验室中,一盏暖白色的灯在白天也亮着。它负责的不仅仅是照明,还将房间内的电脑、空调、电视等电器连接在一起,只需呼唤智能音箱,使用者便可借助灯光随意控制房间内任意电器。其秘密就在每个电器终端安装的一个小小接收器上。“你看我用手遮挡接收器时,智能音箱便无法将指令传过来。”中国科学院半导体研究所光电子研发中心研究员陈雄斌在接受《中国科学报》采访时进行了可见光智能家居系统的功能演示和原理讲解。

作为实验室负责人,他早在2008年就开始从事可见光通信技术研究。团队经过夜以继日的攻坚克难,先后在2009年的中国国际工业博览会和2010年的上海世博会上公开展示可见光通信技术研究成果。2017年,通过主持可见光通信国家重点研发计划项目,陈雄斌逐步将可见光通信技术工程化并进行了商业化推广。

在他眼中,可见光通信的劣势也是优势。“很多人担心光线容易被遮挡,影响信号传递,但反过来想,光是直线传播,虽然无法穿透不透明的阻隔,但如果在光线直射下,信号则会更强,而且保密性更佳。甚至即便是充当可见光发射点的两盏很近的灯,也不会互相产生影响,反而会因为两个点直射的信号覆盖范围不交叉而保证了很好的通信信噪比。”陈雄斌认为,可见光通信的信号使用安全性高、可见易控,靠透镜和灯罩就可以灵活控制信号覆盖区域,同时能通过肉眼观察信号覆盖区域,并能有效防止信息泄露,是保障室内人口密集区域通信容量的最佳选择。

就目前研究结论看,LED可见光通信除了信号光源发射功率高的优势外,还可以省去再额外拉线安装互联网接口的麻烦。且相较于电磁波而言,可见光没有辐射的隐忧,使用起来更安全。此外,像医院、核电站和空间站等对电磁干扰有严格限制的场合,可见光通信也能派上用场。由此,可见光通信既解决了无线频谱资源拓展的问题,也解决了能源环保问题。

为什么是LED

既然可见光通信具有独特的优势,那么为何白炽灯年代不推广可见光通信技术,而非得是LED时代呢?受访专家解释说,首先,LED具备多方面的优势,例如使用寿命长、安全可靠以及节能度高等,被普遍认为属于下一代主流照明技术;其次,用固态半导体芯片作为发光材料的LED,更容易被人“控制”。

而让LED成为可见光通信的载体,先要解决的是光信号接收问题。在LED可见光通信系统中,存在着强烈的背景噪声及电路固有噪声的干扰,同时随着传输距离的加大,接收机接收到的信号十分微弱,因此需要更灵敏的接收器,同时要对信号进行前置处理,摒除干扰。

之后需要解决的就是调制、编码以及解调技术问题。目前,LED可见光无线通信系统大多采用强度调制的直接检测非相干系统,编码方式大多为二进制开关键控(OOK)编码,传递效率较低,也可以采用光学组编码形式如脉冲位置调制来达到更高的发送速率。

另外,还需要码间干扰克服技术支持。在室内LED可见光通信系统中,LED光源具有较大的发射功率和宽广的辐射角,光线分布在整个房间。OOK编码器输出的矩形脉冲在传播过程中,由于LED单元灯分布位置不同,以及大气信道中存在的粒子散射,导致了不同的传输延迟。光脉冲会在时间上延伸,每个符号的脉冲将加宽延伸到相邻符号的时间间隔内,产生码间干扰(ISI),此时就需要采用抗扰动滤波器的相关电平编码,降低ISI的影响。

随着研究的深入,除了最初的白光LED,国内外研究人员也对RGB LED、OLED、Micro LED,以及激光灯都进行了相关研究。

陈雄斌开始研究时也曾遇到过灯光闪烁、通信速率低等问题。但在其团队不懈努力下,能用室内照明最常用的荧光型LED做高速可见光通信成为了他们的技术特色。2014年,他们在Optics Express期刊上发表的成果显示,OOK调制速率可达550Mbps;2020年,在荧光型LED为光源、PIN管做探测器的前提下,OOK调制速率达到1.2Gbps、传输距离3.4米时,没加检错纠错时平均误码率1.61×10-5,系统的3dB带宽已经拓展到了498MHz。

未来可期

“随着环保节能减碳日益受到重视,半导体照明的应用也日益广泛。传统LED相对成本较低,虽然目前LED的主要赛道还是显示器与照明器材,但是随着通信技术的积累与材料的拓宽,可见光通信未来的应用场景将越来越广泛。”巫江说。

在论文中,巫江与其他作者设想了几种可见光通信的应用场景。例如,像自动驾驶这样对延时要求严格的短程通信集成组件,或者柔性生物传感器,再或者水下通信,以及用于精确跟踪和定位的物联网传感器和室内数据服务等。“我个人认为,可见光通信将在原来的电磁波无线网技术解决方案基础上提供更多的新内容,是增量的过程,而不是简单地重复现有的技术。”巫江举例说,“不久前郑州遭遇内涝时,基站罢工,手机信号全无,造成出行困难。如果可见光照明可以应用,那么只需要在高楼上安装灯塔就可以作为紧急的数据连接点,用于应急通信。如果遭遇大面积停电,使用无人机替代也可。”

不仅如此,如果将可见光与柔性织物相结合,那么柔性织物在进行显示的同时也可以成为无线网的发射或者接收方。

“既然光能传递信号,那么以后的电视广告,也不再需要在屏幕上显示二维码,有购买需求的观众只需打开摄像头就能自动扫描到电视机背光源传递的隐形产品链接。”陈雄斌说,“我希望可见光通信有更大空间施展拳脚,例如在金属密闭空间内,电磁波因为强反射可能会产生严重干扰,但是可见光不会,希望有机会与有需求的机构合作,拓宽可见光通信的应用范围。”

最后,巫江表示,虽然可见光应用领域广泛,但是信号发射器与接收器等元器件的集成、如何与现有平台更好地融合,以及国际应用标准的建立等都需要时间。https://t.cn/A6IePpxe

携程周三、周五可在家“躺平”:76%员工主动报名!!
近日,携程集团宣布启动“2021混合办公试验”。该试验将通过对2个对照组,总计数百名员工参与的混合办公综合试验,探索该形式是否可以作为公司未来长期办公形式之一。这是携程继2010年、2020年实施“在家办公试验”项目之后的再次迭代试验。“混合办公”试验组的员工,每周三和周五在家办公,试验将对总计5个维度的效果进行监测。

#专家解答鲸鱼为何搁浅台州海域# 【鲸鱼为何搁浅台州头门港?会不会是集体自杀?专家解答】#台州搁浅领航鲸已有3头死亡# “千万不能脱水,千万不能脱水!”

“一定要不停的用水浇它,多浇头部的鼻孔!”

“一定要把它拖回海里去!”

“辛苦一点!辛苦了!”

刚刚,记者联系上浙江海洋大学海洋生物专家赵盛龙教授,听到12头鲸鱼在头门港滩涂上搁浅的消息后,他非常紧张,一个劲的叮嘱说,鲸鱼搁浅没有什么办法,只能辛苦一点,不让它脱水,把它拖回海里去,“把它拖回海里后,如果它还要冲上来,就继续把它拖回海里去。只有这一个办法!”

至于为什么会有这么多鲸鱼一起搁浅,会不会是集体自杀,且听专家一一解答。

搁浅的到底是什么鲸?

赵盛龙教授仔细看了记者拍的视频后说,现在离涨潮时间还有一段时间,最好是看看附近是否有养殖塘,水深最好有一两米,先让鲸鱼去养殖塘里暂养一下,恢复一下体力,等潮水涨平再把它送回海里。“能救活几头就救活几头,只能尽力!”

他建议抬鲸鱼的话借用医院用的担架,其中一个人不停的往它的喷水孔浇水,千万不要让它脱水。

“这些鲸鱼可能是短鳍原头鲸,一头起码一两百斤重,头部比较滑溜,人力扛的话,很费力也很难扛。其实最好用的是用帆布担架,可以在担架里面灌满水。”

短鳍圆头鲸,俗称大吻领航鲸、大吻巨头鲸、南海领航鲸、圆头鲸。

记者从浙江海洋大学海洋生物博物馆老师陈健了解到,目前,国内比较权威的鲸类的专家都在关注这件事,他们也经过多次讨论,得出的结论是,搁浅的是瓜头鲸。

为什么这多鲸鱼一起搁浅?

他说,鲸鱼搁浅有好多种原因,比如鲸鱼的脑袋里长了寄生虫、海洋底部的声波干扰、追逐饵料、海洋环境改变导致迷路、滩涂上的化学物质变化导致它的声呐系统失灵等等。

“实际上全世界的专家都没搞清楚鲸鱼搁浅的这个问题,上面说的也都只是一些理论。”

在某些地区,鲸鱼搁浅是比较常见的现象,多的达几十头。一般来说,这些搁浅的鲸鱼都是一个家族的,其中,雌鲸和幼鲸会多一些,雄鲸比较少。

为什么又是台州海域?

为什么出现在台州海滩上,这可说不准。原因有很多,可能是因为台州的滩涂比较大,比较长,像舟山的话,通常没有这么长的滩涂。

解救办法只能等海水吗?

是。从现场情况来看,滩涂上的海水都已经退光了,说明这些鲸鱼被发现时,已经搁浅了一段时间。现在解救的话,除了不停的用海水浇鲸鱼头部的喷水孔外,最好的方式,其实是一直让它的头部保持在海水下面,不能露出水面。它是靠喷水孔呼吸的,用水浇它身上的皮肤,用处不大。

其实,鲸鱼如果一搁浅就被发现的话,救援的成功率会很高,很容易把它救回海里。就算它再冲上来搁浅,折腾个两三次后,就不会有什么问题了。

难道是集体自杀?

是集体自杀。但是,是主动还是被动自杀,谁都说不清楚。自杀的原因有很多,比如鲸鱼的脑袋里长了寄生虫、海洋底部的声波干扰、追逐饵料、海洋环境改变导致迷路、滩涂上的化学物质变化导致它的声呐系统失灵等等。

就跟为什么搁浅一样,上面说的也都只是一些理论,专家在解剖搁浅鲸鱼后,也没有发现什么地方不正常。

死了的鲸鱼怎么处理?

不要轻易把鲸鱼轻易的扔掉或者埋掉。渔政部门应该给沿海的科普教育基地发一个通知,看看哪个科普基地要的话,可以用来做标本。舟山、温州等地都有标本加工厂,不过费用比较高,大概要五六万,一条鲸鱼可以做两具标本,一具是鲸鱼皮,另一具是鲸鱼骨骼。

短鳍圆头鲸

俗称大吻领航鲸、大吻巨头鲸、南海领航鲸、圆头鲸,英文名:Short-finned pilot whale。

身体短粗,自肛门以后渐细。侧面观,头与躯干部的界限极不明显,头显得很大而圆,因而得名圆头鲸。吻部特别短,无明显的吻突(喙)。口大,口裂由头部前下方斜往后下方切入。呼吸孔短而宽。上下颌每侧具齿7~9枚,仅限于颌的前部。背鳍小,宽大于高,位于身体的前1/3处,向后屈,后缘凹进。由于颈椎极短,鳍肢似紧接在颈部,狭而长,末端尖,尾叶末端尖锐,侧缘微内凹,中央缺刻明显。

背侧和腹侧的棱状皮肤嵴不明显。身体大部分为黑色,腹面颜色略淡,两个鳍肢的基部之间有十字形或锚形的白斑,新鲜标本的眼后至背鳍有1条灰色或白色条纹。

成体体长3.6~6.5m,雄性稍大。全年繁殖,但繁殖高峰期是7~8月。生殖间隔3~7年,雌性一生中可能只产4~5次。妊娠期约15个月。每产1仔,初生幼鲸体长1.4~1.9m,哺乳期为2年。雌性7~12龄,平均9龄性成熟,雄性7~17龄,平均14.6龄性成熟。

自然寿命雌性63龄,雄性46龄。

本种喜欢集群生活,通常结成10余头以上的群体,有时多达数百只,群体中成年雄鲸较少,大多为成年雌鲸和幼仔。2005年1月有33头短肢领航鲸在美国卡罗莱纳州的沙滩上集体搁浅。近年来在台湾也时常有短肢领航鲸搁浅的报道。

分布于世界各大洋的暖温带和热带海域,我国见于东海南部及南海。

列入《CITES》附录Ⅱ,我国为二级保护动物。(都市快报)#12头领航鲸搁浅台州海域#


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