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        FPGA變間隔碼預(yù)測(cè)的激光光斑采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2018-03-01 09:10:32呂鴻鵬孫衛(wèi)平張翔宇
        兵器裝備工程學(xué)報(bào) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:形心采集卡光斑

        駱 強(qiáng),呂鴻鵬,孫衛(wèi)平,常 磊,劉 灝,張翔宇,楊 勇

        (西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 陜西 西安 710065)

        精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)的激光光源或激光指示器光斑相關(guān)參數(shù)是衡量激光制導(dǎo)武器相關(guān)技戰(zhàn)術(shù)性能的重要指標(biāo)[1-2]。目前通用方法是用攝像機(jī)采集激光光斑,但是由于激光光斑存在的時(shí)間非常短[3],容易出現(xiàn)激光光斑圖像與攝像機(jī)采集的不同步,導(dǎo)致不良結(jié)果——捕捉不到或捕到的不是最亮的光斑圖像,丟失部分或者全部激光光斑信息。針對(duì)該問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)一種基于FPGA變間隔碼預(yù)測(cè)的激光光斑采集系統(tǒng),用于測(cè)試常見(jiàn)激光光源性能參數(shù),分析其脈沖寬度、脈沖間隔精度、能量密度、頻率、編碼形式等參數(shù),采用特定算法,可以計(jì)算出光斑的大小、能量分布、光斑質(zhì)心、形心等參數(shù)。

        1 總體設(shè)計(jì)

        1.1 系統(tǒng)組成

        整個(gè)采集系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)漫反射靶、激光探測(cè)器、CCD相機(jī)、同步控制器、視頻采集卡、圖像測(cè)量分析軟件組成,如圖1所示。其中,標(biāo)準(zhǔn)漫反射靶用于激光光斑的反射;激光探測(cè)器用于捕獲反射后的激光能量;CCD相機(jī)用于激光光斑圖像的光電轉(zhuǎn)換;同步控制器用于接收激光探測(cè)器發(fā)出的同步脈沖,并按照接收同步脈沖的時(shí)間計(jì)算下一個(gè)激光脈沖的到達(dá)時(shí)刻,從而發(fā)送信號(hào)控制相機(jī)電子快門工作;視頻采集卡用于對(duì)攝像機(jī)輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行采集;圖像測(cè)量分析軟件根據(jù)采集的激光光斑圖像,計(jì)算出光斑的大小、能量分布、光斑質(zhì)心、形心等參數(shù)。

        圖1 光斑采集系統(tǒng)的組成

        1.2 工作原理

        同步控制器接收到激光探測(cè)器發(fā)出的激光同步脈沖后,控制CCD相機(jī)攝制經(jīng)過(guò)漫反射后的激光圖像,獲得漫反射靶上二維激光圖像的光束強(qiáng)度分布。同時(shí),計(jì)算機(jī)在同步脈沖控制下接收位于漫反射靶上定標(biāo)探測(cè)器的能量數(shù)據(jù),解算出每一個(gè)光斑圖像中任意一點(diǎn)的能量值,求得光斑總能量,采用特定算法,在圖像測(cè)量分析軟件中計(jì)算出光斑的大小、能量分布、光斑質(zhì)心、形心等參數(shù)。

        2 主要模塊設(shè)計(jì)

        2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

        CCD攝像機(jī)用于采集激光光斑, 本設(shè)計(jì)采用具有LVDS接口的高靈敏度黑白攝像機(jī)。該攝像機(jī)有效視頻像元數(shù)為 1 024×1 024,CCD傳感器為2/3",像元尺寸為6.45 μm×6.45 μm,視頻輸出格式為12 bit[4],具有外部觸發(fā)控制功能。該攝像機(jī)在激光波長(zhǎng)處,比普通攝像頭敏感4倍。畫面上模糊點(diǎn)被降低到最少,其動(dòng)態(tài)范圍比普通攝像頭高,具體的光敏曲線如圖2所示。

        視頻采集卡將來(lái)自CCD攝像機(jī)的激光光斑圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī)中。視頻采集卡性能好壞,直接影響形成的光電數(shù)字圖像質(zhì)量,進(jìn)而影響光斑圖像的分析、數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性。本設(shè)計(jì)中采用高清晰、降噪視頻采集卡,該視頻采集卡采用PCI接口和計(jì)算機(jī)相連。視頻采集卡的工作過(guò)程是:視頻信號(hào)經(jīng)CCD攝像機(jī)傳到視頻采集卡后,首先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;然后PCI總線將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行緩存,經(jīng)過(guò)PCI總線緩存器,存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)內(nèi)存,計(jì)算機(jī)可處理采集到的圖像,也可將采集到的內(nèi)存圖像信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)顯示卡顯示。視頻采集卡甚至可將A/D輸出的數(shù)字視頻信號(hào)經(jīng)PCI總線直接送到顯示卡,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)終端實(shí)時(shí)顯示。

        圖2 高靈敏度黑白攝像機(jī)光敏曲線

        同步控制器運(yùn)用CCD測(cè)量激光光斑的最大困難在于激光光斑照射時(shí)間非常短,只有十幾納秒,且光斑出現(xiàn)時(shí)間與攝像機(jī)幀頻不同步。這將導(dǎo)致漏采集或采集到的光斑非光能最大時(shí)刻。為確保采集到連續(xù)、完整、最亮的光斑圖像,必須通過(guò)同步控制電路的預(yù)測(cè)脈沖觸發(fā)CCD攝像機(jī),使CCD攝像機(jī)在激光光斑到來(lái)之前提前打開(kāi)電子快門,控制電子快門曝光時(shí)間,使光斑正好出現(xiàn)在快門打開(kāi)階段。

        2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

        同步控制軟件通過(guò)對(duì)FPGA的編程實(shí)現(xiàn),F(xiàn)PGA芯片采用altera公司的EP2C8T144I8芯片。同步控制軟件流程如圖3所示。首先利用FPGA芯片對(duì)接收到的激光同步脈沖緩存并進(jìn)行周期測(cè)量,之后根據(jù)測(cè)量的周期值進(jìn)行間隔分選,計(jì)算出脈沖間隔數(shù),最后根據(jù)提前設(shè)置好的超前相位,輸出快門控制脈沖,控制照相機(jī)電子快門在每一個(gè)激光脈沖到來(lái)之前開(kāi)啟工作,這樣保證相機(jī)能夠捕捉到完整的激光光斑。當(dāng)激光同步脈沖的間隔和周期參數(shù)發(fā)生改變時(shí),快門控制脈沖也會(huì)發(fā)生改變。工作原理圖如圖4。

        圖3 同步控制軟件流程

        首先對(duì)光斑圖像進(jìn)行預(yù)處理[5](圖像二值化),以此為基礎(chǔ)計(jì)算光斑的大小、能量分布、光斑質(zhì)心、形心等參數(shù)。計(jì)算步驟和方法如下:

        1) 光斑提取

        遍歷光斑圖像,確定光斑峰值點(diǎn)所在位置,然后以此點(diǎn)灰度確定光斑灰度閾值:

        Gthres=Gmax/e2

        (1)

        式(1)中,Gthres為光斑灰度閾值;Gmax為光斑最強(qiáng)能量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰度。依此閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化。然后清除非光斑點(diǎn),只保留光斑點(diǎn)集,以便提取出光斑。

        圖4 快門脈沖產(chǎn)生示意圖

        2) 光斑尺寸計(jì)算

        光斑尺寸是衡量激光器性能的重要參數(shù)[6]。用光斑尺寸作為衡量光束質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)是一種比較直觀而簡(jiǎn)便的方法。一般而言,光斑大小除與聚焦激光束本身特性有關(guān)外,還與所用聚焦光學(xué)系統(tǒng)特性有關(guān)。光斑尺寸的計(jì)算如式(2):

        (2)

        式(2)中,x、y表示光斑的橫軸和縱軸。

        3) 光斑形心計(jì)算

        激光光斑位置的準(zhǔn)確定位是決定測(cè)量系統(tǒng)精度的關(guān)鍵因素。另外判斷光強(qiáng)均勻性需要采用計(jì)算光斑圖像形心與質(zhì)心偏差的方法,所以光斑形心是光斑的重要參數(shù)。通常在確定激光光斑中心位置前需預(yù)先確定激光光斑的邊緣位置,然后再計(jì)算出光斑中心位置。

        (3)

        式(3)中,分子表示構(gòu)成圖像的各個(gè)像素點(diǎn)的坐標(biāo)和;分母N表示圖像的總像元個(gè)數(shù)。

        4) 光斑質(zhì)心計(jì)算

        這里的質(zhì)心借用物理學(xué)中質(zhì)心的概念,表示激光光斑能量重心/光斑強(qiáng)度加權(quán)平均中心[7]。

        設(shè)P(x,y)為點(diǎn)(x,y)發(fā)出的激光光斑信號(hào)強(qiáng)度,根據(jù)光斑質(zhì)心定義,攝像機(jī)采集的數(shù)字圖像質(zhì)心(xc,yc)為:

        (4)

        由于相機(jī)面陣CCD的離散采樣,質(zhì)心計(jì)算公式可以表示為:

        (5)

        式(5)中,i,j取遍該圖像內(nèi)每一像素,(xi,yj)為第(i,j)個(gè)像元對(duì)應(yīng)的CCD坐標(biāo),Pij為第(i,j)個(gè)像元接收到的灰度值。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試時(shí),距離被測(cè)激光漫反射靶板100 m處發(fā)射激光信號(hào),采集的原始光斑圖像如圖5,原始圖像包含噪聲影響并且邊緣粗糙,通常需要對(duì)光斑進(jìn)行優(yōu)化[8]。

        圖5 原始光斑圖像

        激光光斑圖像預(yù)處理采用減背景法,算法開(kāi)銷小,速度快,可以有效去除部分噪聲干擾。然后對(duì)圖像進(jìn)行閾值變換,變?yōu)槎祱D像,這種圖像往往含有雜點(diǎn),如圖6所示,有很多孔洞和邊緣毛刺,理論上激光光斑為高斯分布,邊界光滑。

        圖6 處理后光斑圖像

        為準(zhǔn)確確定光斑區(qū)域,需要對(duì)二值圖像輪廓提取和篩選,目前圖像識(shí)別領(lǐng)域常用的邊界識(shí)別算法有梯度算子、Hough變換等[9],由于理想激光光斑為圓形,本文采用Sobel算子[10]對(duì)光斑邊界檢測(cè)。將模板在圖像上移動(dòng)并在每個(gè)位置采用式(6)計(jì)算對(duì)應(yīng)的中心像素梯度值,激光光斑邊界檢測(cè)后的環(huán)形圖如圖7。

        G(x,y)=maxGp(x,y)

        (6)

        Gp(x,y)=∑∑h(k,l)f(i+k,j+l)

        (7)

        圖7 邊界檢測(cè)結(jié)果圖

        通過(guò)以上方案實(shí)現(xiàn)基于FPGA變間隔碼預(yù)測(cè)的激光光斑采集系統(tǒng),并對(duì)其進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如下:

        1) 視頻采集功能正常、能夠長(zhǎng)時(shí)間、不間斷的獲取采集卡上輸出的數(shù)據(jù);

        2) CCD 工作在外觸發(fā)模式下,圖像采集連貫,激光光斑采集率達(dá)99%,CPU 占用率低。但是,當(dāng)外觸發(fā)信號(hào)頻率過(guò)高(超過(guò)視頻采集卡外觸發(fā)幀頻),圖像顯示存在一定時(shí)延;

        3) 系統(tǒng)可獲取完整的激光光斑圖像,從而得到準(zhǔn)確的激光光斑數(shù)據(jù)。

        4 結(jié)論

        設(shè)計(jì)并完成了一種基于FPGA變間隔碼預(yù)測(cè)的激光光斑采集系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確得到光斑數(shù)據(jù),如光斑尺寸、形心和質(zhì)心參數(shù)。激光光斑采集率達(dá)99%,測(cè)量速度快、精度高,在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

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