郭振鐸，郭　炳（.中原工學(xué)院，河南鄭州450007；.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州450047）

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空間光通信精跟瞄處理技術(shù)研究

郭振鐸1，郭炳2
（1.中原工學(xué)院，河南鄭州450007；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州450047）

摘 要：首先介紹了精跟瞄探測(cè)器的原理與組成，然后重點(diǎn)介紹了精跟瞄探測(cè)器的處理算法。最后對(duì)精跟瞄處理算法進(jìn)行了驗(yàn)證，證明采用這種算法處理跟瞄精度能夠達(dá)到空間光通信的要求。

關(guān)鍵詞：跟瞄精度；精跟瞄探測(cè)器；投影算法；像元細(xì)分；曲面擬合

0　引言

空間衛(wèi)星激光通信的前提是衛(wèi)星激光鏈路的建立，星間鏈路的建立需要經(jīng)過(guò)捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)（Acquisition，Tracking，Pointing，ATP）來(lái)實(shí)現(xiàn)［1］。ATP系統(tǒng)的跟瞄部分由粗跟瞄探測(cè)器和精跟瞄探測(cè)器兩部分組成，粗跟瞄探測(cè)器負(fù)責(zé)提取出目標(biāo)的大概位置信息，并把該信息傳送給精跟瞄探測(cè)器進(jìn)行處理，由精跟瞄探測(cè)器完成對(duì)目標(biāo)信息的精確提取和準(zhǔn)確定位，因此整個(gè)空間光通信的跟瞄精度最終由精跟瞄探測(cè)器決定。

空間衛(wèi)星激光通信距離遙遠(yuǎn)，對(duì)跟瞄精度的要求極高，一般要達(dá)到幾十微弧度甚至幾個(gè)微弧度。要建立穩(wěn)定而有效的通信鏈路，必須設(shè)計(jì)一個(gè)高帶寬、高精度的精跟瞄探測(cè)器，這是空間光通信技術(shù)的關(guān)鍵所在［2］。

1　精跟瞄探測(cè)原理與組成

1.1精跟瞄探測(cè)器的原理

粗跟瞄探測(cè)器提取目標(biāo)位置信息后傳輸給二維萬(wàn)向伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，使精跟瞄攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)到激光信標(biāo)光位置。精跟瞄處理器進(jìn)行目標(biāo)信息的采集處理及目標(biāo)位置的精確定位，并將處理結(jié)果送操控臺(tái)進(jìn)行顯示和控制，把信標(biāo)光俯仰方位偏差送伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)二維萬(wàn)向伺服轉(zhuǎn)臺(tái)精確微調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得精跟瞄攝像機(jī)能夠更進(jìn)一步對(duì)激光信標(biāo)光進(jìn)行精確瞄準(zhǔn)，通信光束進(jìn)一步準(zhǔn)直，從而建立穩(wěn)定而有效的通信鏈路，然后才能在其相互之間進(jìn)行激光通信。

1.2精跟瞄探測(cè)器的組成

精跟瞄探測(cè)器由精跟瞄攝像機(jī)和精跟瞄處理器兩部分組成，安裝在二維萬(wàn)向伺服轉(zhuǎn)臺(tái)上。

1.2.1精跟瞄攝像機(jī)

精跟瞄攝像機(jī)由光學(xué)系統(tǒng)、CCD攝像機(jī)及其控制電路三部分組成。光學(xué)系統(tǒng)用于防護(hù)激光對(duì)探測(cè)器的損傷，衰減過(guò)強(qiáng)的信標(biāo)光與背景光。由于精跟瞄探測(cè)器對(duì)靈敏度和跟蹤精度要求很高，從而對(duì)探測(cè)器的分辨率要求也很高。因此CCD攝像機(jī)采用camera link接口高幀頻高分辨率的數(shù)字?jǐn)z相機(jī)，它具有靈敏度高、信噪比高、譜段寬等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)圖像的高速精確采集。攝像機(jī)控制電路部分用于控制光學(xué)系統(tǒng)濾光片與衰減片選擇、CCD攝像機(jī)焦距變化與圖像輸出等，為攝像機(jī)提供基本的時(shí)序與供電。

1.2.2精跟瞄處理器

精跟瞄處理系統(tǒng)以TI高性能C6000系列DSP芯片和Actel公司APA系列FPGA為核心，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確提取與準(zhǔn)確定位。

根據(jù)采集、處理、顯示三部分速度的不同，結(jié)合DSP和FPGA的軟硬件資源，F(xiàn)PGA完成數(shù)字圖像的采集、濾波等預(yù)處理功能后，再把信號(hào)導(dǎo)入到DSP片內(nèi)，提取出圖像中的目標(biāo)，計(jì)算出目標(biāo)精確的俯仰方位偏差，把采集處理后的圖像和目標(biāo)俯仰方位偏差等信息送至顯控臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。把目標(biāo)俯仰方位偏差等信息分別送給伺服機(jī)構(gòu)和精跟瞄電視攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)與伺服平臺(tái)的通信以及對(duì)精跟瞄電視攝像機(jī)的各種控制，保證被跟蹤的目標(biāo)始終處于視場(chǎng)中心，并能夠?qū)崟r(shí)清晰地顯示出來(lái)。

精跟瞄探測(cè)器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　精跟瞄處理器硬件結(jié)構(gòu)圖

2　精跟瞄探測(cè)算法研究

目前提高跟瞄精度最有效的方法就是進(jìn)行像元細(xì)分。像元細(xì)分算法精度為0.1～0.5個(gè)像素，理想狀況可達(dá)0.05個(gè)像素甚至更小。國(guó)防科大諶廷政等人提出了九點(diǎn)四線曲面擬合的面陣CCD細(xì)分方法［3］。北京航空航天大學(xué)魏新國(guó)等人研究了質(zhì)心法星體細(xì)分定位算法［4］。華中光電所謝倫治等人對(duì)目標(biāo)像點(diǎn)亞像素定位的內(nèi)插細(xì)分算法進(jìn)行了研究［5］。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所李玉峰等人采用二元線性插值質(zhì)心算法對(duì)星點(diǎn)圖像進(jìn)行處理，定位精度優(yōu)于0.05像元［6］。這些算法數(shù)據(jù)處理量大，很難滿足精跟瞄實(shí)時(shí)處理要求。

根據(jù)上述分析，結(jié)合精跟瞄探測(cè)器對(duì)跟瞄精度要求高、采樣頻率和處理的數(shù)據(jù)流量大的特點(diǎn)，提出精跟瞄整個(gè)算法分兩部分來(lái)實(shí)現(xiàn)：對(duì)目標(biāo)的跟蹤處理采用普通的灰度直方圖投影算法，該算法處理速度快，實(shí)時(shí)性好，在FPGA中用硬件實(shí)現(xiàn)。對(duì)目標(biāo)的精確跟瞄采用九點(diǎn)四線曲面擬合亞像元細(xì)分算法，該算法可提高原始圖像目標(biāo)定位精度，降低圖像灰度的離散度，使得細(xì)分后的圖像更接近于原始圖像，能滿足高跟瞄精度的要求，處理工作主要在DSP內(nèi)部完成。

2.1灰度直方圖投影算法

灰度直方圖投影算法是將圖像灰度分布特征作為目標(biāo)估計(jì)的基本元素，以圖像行和列為單位對(duì)圖像進(jìn)行灰度累加，灰度累加數(shù)據(jù)作為特征進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，一般只能檢測(cè)像元級(jí)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)量。

灰度直方圖投影算法首先將采集的二維圖像信息進(jìn)行灰度直方圖統(tǒng)計(jì)，根據(jù)激光信標(biāo)光的亮度特征計(jì)算出圖像分割的合理閾值，防止圖像信息被錯(cuò)誤分割，根據(jù)直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果建立判別規(guī)則，進(jìn)行二值化處理，把采集的整幅圖像分割成0和1，分別代表背景和目標(biāo)信息。

圖像分割完成后就開(kāi)始進(jìn)行灰度投影處理。假設(shè)處理的一幅圖像大小為M×N?；叶韧队疤幚砭褪菍×N的整幅圖像的二維灰度信息F（i，j）映射成兩個(gè)獨(dú)立的一維投影序列。具體公式如下：

式中i=1，2，3，…M，j=1，2，3，…N，X（i）、Y（j）分別表示圖像F（i，j）第i行和第j列的灰度投影值。

根據(jù)上述公式可計(jì)算激光信標(biāo)光的X、Y中心，即目標(biāo)的中心位置信息。采用同樣的投影處理算法，可得到目標(biāo)的X、Y方向投影長(zhǎng)度，即目標(biāo)的水平垂直長(zhǎng)度。根據(jù)上述處理結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。

2.2像元細(xì)分算法

每個(gè)細(xì)分亞像元的灰度值主要由水平、垂直和兩個(gè)對(duì)角線四個(gè)方向的灰度變化趨勢(shì)綜合決定。利用每個(gè)方向上已知的三個(gè)以上像元灰度值，可擬合出四條曲線，根據(jù)這四條擬合曲線在細(xì)分亞像元對(duì)應(yīng)位置上的細(xì)分插值，可求出一個(gè)能比較真實(shí)反映當(dāng)前點(diǎn)圖像變化情況的灰度值。具體計(jì)算方法如下。

二細(xì)分后，一個(gè)像元被細(xì)分成四個(gè)亞像元，設(shè)對(duì)應(yīng)的灰度值函數(shù)為：Δ（Δ1，Δ2，Δ3，Δ4）。四個(gè)方向擬合曲線上的三個(gè)細(xì)分插值點(diǎn)位置坐標(biāo)相同，令四條曲線在三個(gè)細(xì)分插值點(diǎn)上的插值灰度分別為G1（g1，g2，g3，g4），G2（g′1，g′2，g′3，g′4）和G3（g″1，g″2，g″3，g″4）則：

式中的x1為細(xì)分插值點(diǎn)的坐標(biāo)值。同樣可求出G2（g′1，g′2，g′3，g′4）和G3（g″1，g″2，g″3，g″4）。將四條灰度擬合曲線在細(xì)分亞像元處的灰度插值加權(quán)求和，得到細(xì)分亞像元的灰度值Δ（Δ1，Δ2，Δ3，Δ4）。

展開(kāi)后細(xì)分的灰度值如下：

其中，q1、q2、q3和q4分別為曲線1、2、3、4在細(xì)分像元處的灰度加權(quán)值。利用以上公式即可對(duì)面陣CCD圖像進(jìn)行二細(xì)分插值。同理可推導(dǎo)四細(xì)分插值和八細(xì)分插值公式。該方法編程容易，計(jì)算簡(jiǎn)便，圖像處理速度快，可用于準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理，且提高了目標(biāo)圖像的定位精度。九點(diǎn)四線曲面擬合面陣CCD細(xì)分新方法不僅使細(xì)分后的圖像與原圖像保持了很高的相關(guān)度，且保持了原圖像的邊緣效果，極大地降低了細(xì)分模糊效應(yīng)。

但上述方法細(xì)分處理后的圖像會(huì)出現(xiàn)過(guò)飽和，需歸一化處理，并需對(duì)處理后的像元灰度值上下限進(jìn)行限制，上限為255，下限為0。歸一化處理后的最終細(xì)分灰度值如下：

上述處理計(jì)算量大，對(duì)整幅圖像細(xì)分處理時(shí)間不夠，因此需選擇合適的處理區(qū)域。區(qū)域過(guò)小則信號(hào)能量溢出，產(chǎn)生截?cái)嗾`差；區(qū)域過(guò)大則噪聲急劇增加。二者均使信噪比降低，質(zhì)心定位精度下降。根據(jù)光斑的大小不同，一般選擇3×3、4×4或5×5的區(qū)域。

本文以灰度直方圖投影提取目標(biāo)為基礎(chǔ)，以目標(biāo)質(zhì)心為中心，取4×4的區(qū)域進(jìn)行像元細(xì)分插值運(yùn)算。處理后光斑內(nèi)像元節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，避免了因圖像飽和造成的光強(qiáng)量化錯(cuò)誤。

圖像細(xì)分是放大的過(guò)程。二細(xì)分后一個(gè)像元變成四個(gè)亞像元，灰度值對(duì)應(yīng)四個(gè)。二細(xì)分的亞像元是一個(gè)四倍放大的圖像，水平放大2倍，垂直放大2倍。跟蹤精度要達(dá)到更精細(xì)，需進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)分，把二細(xì)分的每個(gè)亞像元再細(xì)分成四個(gè)更精準(zhǔn)的亞像元。即一個(gè)像元經(jīng)過(guò)二細(xì)分處理變成16個(gè)亞像元。水平方向放大4倍，垂直方向放大4倍。4×4個(gè)像元經(jīng)過(guò)二次二細(xì)分處理變成256個(gè)亞像元。這樣處理可更精準(zhǔn)有效地對(duì)準(zhǔn)空間激光信標(biāo)光，最大限度地提高跟瞄精度，且經(jīng)過(guò)細(xì)分處理，圖像邊緣過(guò)渡平緩，大大減弱了馬賽克現(xiàn)象，使得細(xì)分后的圖像能夠最大限度地接近原始圖像。

3　算法驗(yàn)證

根據(jù)上面的算法研究，采集一幅圖像進(jìn)行算法分析處理，處理結(jié)果如圖2所示。

圖2　原始圖像與仿真處理圖像

像元細(xì)分處理后突出了圖像細(xì)節(jié)。說(shuō)明曲面擬合細(xì)分能夠提高圖像的清晰度。同時(shí)跟蹤處理的精度也大幅提高。

4　結(jié)論

通過(guò)上述設(shè)計(jì)分析、算法研究和仿真試驗(yàn)說(shuō)明，采用灰度直方圖投影算法與九點(diǎn)四線曲面擬合像元細(xì)分算法相結(jié)合的方法，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)區(qū)域，能夠把精跟瞄探測(cè)器對(duì)激光信標(biāo)光的跟瞄精度提高到幾個(gè)微弧度，能夠達(dá)到空間光通信對(duì)跟瞄精度的要求。該方法定位精度高，抗干擾能力強(qiáng)，與傳統(tǒng)的灰度加權(quán)質(zhì)心的方法相比更能提高細(xì)分效果，與曲面擬合算法相比占用資源少，處理簡(jiǎn)單實(shí)用。

參考文獻(xiàn)

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郭振鐸（1982 -），男，碩士，講師，主要研究方向：圖像處理。

郭炳（1981 -），男，本科，工程師，主要研究方向：光電圖像處理。

引用格式：郭振鐸，郭炳.空間光通信精跟瞄處理技術(shù)研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（10）：43-45.

Research on fine tracking and pointing processing techniques for space optical communication

Guo Zhenduo1，Guo Bing2
（1.Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China；2.China Electronic Technology Group Corporation Twenty-seventh Institute，Zhengzhou 450047，China）

Abstrac t：At first，the article introduces the principle and prostitute of fine tracking and pointing detector.Then，the processing algorithm of fine tracking and pointing detector is introduced importantly.At last，the processing algorithm is tested.The resut verified that the tracking and pointing processing accuracy can meet the requirement of space optical communication by using this algorithm.

Key w ords：tracking and pointing accuracy；fine tracking and pointing detector；projection algorithm；pixel subdivision；curve fitting.

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：（2016-01-30）

中圖分類號(hào)：TP391.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.015