淼晶 莫驥等

摘 要：空間激光通信的光束跟蹤系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成信標(biāo)光的精確跟蹤和鎖定，通常采用光電探測器件并配以相應(yīng)的電子學(xué)伺服控制系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的CCD圖像采集處理器，可以實(shí)現(xiàn)單CCD探測器的空間捕獲和跟蹤兩種功能。研究了光斑位置中心提取的快速形心算法，實(shí)現(xiàn)了跟蹤要求視場角為方位±5°、俯仰±5°、跟蹤精度為200urad，跟蹤靈敏度為10 MW。

關(guān)鍵詞：光束跟蹤 CCD 形心算法

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（b）-0001-02

空間激光通信具有高速率、寬帶、抗干擾和抗截獲能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)高速空間信息保密通信的最佳方案之一。為避免由于大氣湍流和建筑物擺動(dòng)引起的光束漂移而使得通信中斷，故需要進(jìn)行通信光束的實(shí)時(shí)跟蹤，保證通信鏈路的暢通。

能實(shí)現(xiàn)光斑位置檢測的光電探測器件常見的主要有四象限紅外探測器QD，高靈敏度位置傳感器Q-APD，電荷耦合器件CCD等。CCD器件是成像器件，既能成像實(shí)現(xiàn)可見光觀靶，又可以實(shí)現(xiàn)信標(biāo)光的光斑檢測，給整機(jī)帶來了輕小型化的緊湊型設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的CCD圖像采集處理及光斑檢測跟蹤單元，實(shí)現(xiàn)了單CCD探測器的空間捕獲和跟蹤兩種功能。

1 總體方案設(shè)計(jì)

光束跟蹤單元包括信標(biāo)光發(fā)射、CCD信標(biāo)光接收、二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)、電機(jī)、位置傳感器、控制器及串行數(shù)據(jù)接口。

光斑采集及處理部分主要由高幀頻CCD相機(jī)和對(duì)其進(jìn)行控制的FPGA組成，空間光通信光斑采集處理器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)具體工作原理如下。

首先由FPGA器件作為本系統(tǒng)的核心單元，負(fù)責(zé)時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)在各個(gè)模塊之間的轉(zhuǎn)移。經(jīng)由FPGA的控制把所產(chǎn)生的模擬線號(hào)經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器件變成數(shù)字信號(hào)，并完成數(shù)據(jù)的緩存與處理工作。USB模塊進(jìn)行與上位機(jī)之間的通訊工作，將脫靶量上傳給上位機(jī)，由上位機(jī)負(fù)責(zé)跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的伺服控制。

探測器選擇SONY公司CCD。分辨率1024×768，該CCD在25fps模式下，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到30.5 dB，采用12位RS-644（LVDS）輸出，具有雙串口（TTL/LVDS）和兩組外觸發(fā)（TTL/LVDS）模式，工作參數(shù)可通過串口進(jìn)行控制，接口協(xié)議簡單，用戶使用方便。利用其將光學(xué)系統(tǒng)所捕捉到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)，經(jīng)過A/D變換后將圖像變換為由數(shù)字信號(hào)輸出。為了降低CCD器件自身的噪聲，對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行CDS（相關(guān)雙采樣）可以明顯的提高其輸出信噪比。

FPGA采用Altera公司所設(shè)計(jì)生產(chǎn)的Cyclone III系列芯片。利用該芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)計(jì)，為了達(dá)到對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣的目的就要對(duì)CCD所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行高速存儲(chǔ)，為此采用FPGA構(gòu)成高速FIFO緩存，采取乒乓操作方式對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。經(jīng)由FIFO緩存過的圖片數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一高速接口提供給上位機(jī)進(jìn)行更進(jìn)一步的運(yùn)算與應(yīng)用。利用FPGA設(shè)計(jì)的部分CCD相機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序部分波形圖見圖2，采集到的目標(biāo)光斑經(jīng)二值化后的圖如圖3所示。

2 光斑中心的形心算法

CCD是以像素為單位的陣列圖像傳感器件，利用CCD確定成像在CCD像面上的光斑位置時(shí)，要考慮到光斑不是一個(gè)幾何點(diǎn)，光斑光強(qiáng)分布往往接近高斯分布。設(shè)某個(gè)光斑由m個(gè)像素組成，每個(gè)像素都對(duì)應(yīng)確定的空間坐標(biāo)x，y及灰度值p（x，y），光束跟蹤算法采用形心法。形心算法是數(shù)字圖像經(jīng)增強(qiáng)和分割后，通過目標(biāo)輪廓坐標(biāo)（，），計(jì)算目標(biāo)形心坐標(biāo)。形心算法計(jì)算公式表示為：

空間激光通信具有高速率、寬帶、抗干擾和抗截獲能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)高速空間信息保密通信的最佳方案之一。為避免由于大氣湍流和建筑物擺動(dòng)引起的光束漂移而使得通信中斷，故需要進(jìn)行通信光束的實(shí)時(shí)跟蹤，保證通信鏈路的暢通。

能實(shí)現(xiàn)光斑位置檢測的光電探測器件常見的主要有四象限紅外探測器QD，高靈敏度位置傳感器Q-APD，電荷耦合器件CCD等。CCD器件是成像器件，既能成像實(shí)現(xiàn)可見光觀靶，又可以實(shí)現(xiàn)信標(biāo)光的光斑檢測，給整機(jī)帶來了輕小型化的緊湊型設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的CCD圖像采集處理及光斑檢測跟蹤單元，實(shí)現(xiàn)了單CCD探測器的空間捕獲和跟蹤兩種功能。

1 總體方案設(shè)計(jì)

光束跟蹤單元包括信標(biāo)光發(fā)射、CCD信標(biāo)光接收、二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)、電機(jī)、位置傳感器、控制器及串行數(shù)據(jù)接口。

光斑采集及處理部分主要由高幀頻CCD相機(jī)和對(duì)其進(jìn)行控制的FPGA組成，空間光通信光斑采集處理器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)具體工作原理如下。

首先由FPGA器件作為本系統(tǒng)的核心單元，負(fù)責(zé)時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)在各個(gè)模塊之間的轉(zhuǎn)移。經(jīng)由FPGA的控制把所產(chǎn)生的模擬線號(hào)經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器件變成數(shù)字信號(hào)，并完成數(shù)據(jù)的緩存與處理工作。USB模塊進(jìn)行與上位機(jī)之間的通訊工作，將脫靶量上傳給上位機(jī)，由上位機(jī)負(fù)責(zé)跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的伺服控制。

探測器選擇SONY公司CCD。分辨率1024×768，該CCD在25fps模式下，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到30.5 dB，采用12位RS-644（LVDS）輸出，具有雙串口（TTL/LVDS）和兩組外觸發(fā)（TTL/LVDS）模式，工作參數(shù)可通過串口進(jìn)行控制，接口協(xié)議簡單，用戶使用方便。利用其將光學(xué)系統(tǒng)所捕捉到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)，經(jīng)過A/D變換后將圖像變換為由數(shù)字信號(hào)輸出。為了降低CCD器件自身的噪聲，對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行CDS（相關(guān)雙采樣）可以明顯的提高其輸出信噪比。

FPGA采用Altera公司所設(shè)計(jì)生產(chǎn)的Cyclone III系列芯片。利用該芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)計(jì)，為了達(dá)到對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣的目的就要對(duì)CCD所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行高速存儲(chǔ)，為此采用FPGA構(gòu)成高速FIFO緩存，采取乒乓操作方式對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。經(jīng)由FIFO緩存過的圖片數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一高速接口提供給上位機(jī)進(jìn)行更進(jìn)一步的運(yùn)算與應(yīng)用。利用FPGA設(shè)計(jì)的部分CCD相機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序部分波形圖見圖2，采集到的目標(biāo)光斑經(jīng)二值化后的圖如圖3所示。

2 光斑中心的形心算法

CCD是以像素為單位的陣列圖像傳感器件，利用CCD確定成像在CCD像面上的光斑位置時(shí)，要考慮到光斑不是一個(gè)幾何點(diǎn)，光斑光強(qiáng)分布往往接近高斯分布。設(shè)某個(gè)光斑由m個(gè)像素組成，每個(gè)像素都對(duì)應(yīng)確定的空間坐標(biāo)x，y及灰度值p（x，y），光束跟蹤算法采用形心法。形心算法是數(shù)字圖像經(jīng)增強(qiáng)和分割后，通過目標(biāo)輪廓坐標(biāo)（，），計(jì)算目標(biāo)形心坐標(biāo)。形心算法計(jì)算公式表示為：

，

式中，為目標(biāo)輪廓的點(diǎn)數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

首先通過regionprops函數(shù)找出與所求區(qū)域具有相同標(biāo)準(zhǔn)二階中心矩的橢圓的長軸長度，短軸長度，離心率等，并找出包含所求區(qū)域的最小凸多邊形，的頂點(diǎn)坐標(biāo)。通過一定的方法，用所求橢圓的相關(guān)參數(shù)確定一個(gè)正多邊形。使該正多邊形具有一個(gè)相當(dāng)大的邊數(shù)，是該多邊形接近一個(gè)圓。這個(gè)圓就是所要擬合的圓。在指令t=linspace（0，2*pi，N）中，N-1表示所求正多邊形的邊數(shù)，N越大，所擬合的圓越精確。擬合效果見圖4，（a）、（b）分別為N=7、N=500時(shí)的效果圖。

然后計(jì)算出則該光斑的重心坐標(biāo)，即為脫靶量。通過USB模塊傳至上位機(jī)，上位機(jī)采用DSP技術(shù)，根據(jù)脫靶量計(jì)算出運(yùn)動(dòng)方向與加速度，通過對(duì)二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光斑的精確跟蹤。實(shí)現(xiàn)了跟蹤要求視場角為方位±5°、俯仰±5°、跟蹤精度為200urad。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的CCD圖像采集處理器，可以實(shí)現(xiàn)單CCD探測器的空間捕獲和跟蹤兩種功能。通信接口選用USB2.0標(biāo)準(zhǔn)作為與上位機(jī)之間的接口。研究了光斑位置中心提取的快速形心算法，實(shí)現(xiàn)了跟蹤要求視場角為方位±5°、俯仰±5°、跟蹤精度為200urad，跟蹤靈敏度為10 MW。

參考文獻(xiàn)

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[4]母一寧，溫冠宇，王賀，等.基于序列信息圓心擬合的大氣激光光斑檢測技術(shù)[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，12（1）：59-63.