徐勤健,賈 蘊(yùn)

(山東航天電子技術(shù)研究所，山東 煙臺(tái) 264003)

0 引言

星間激光通信作為新型的通信方式，具有大帶寬、高速率等優(yōu)越性能。激光束具有傳輸距離遠(yuǎn)且寬度窄的特性，因此對(duì)于激光通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)就顯得格外重要。其中，信標(biāo)光中心檢測(cè)模塊是3個(gè)階段中不可或缺的部分，也就是說(shuō)，光斑中心的精度可以直接影響或者反映系統(tǒng)的精度[1]。空間激光通信設(shè)備采用信標(biāo)光來(lái)標(biāo)識(shí)各自的位置，在空間通信的鏈路中，速度快且準(zhǔn)確性高的信標(biāo)光捕獲的重要性不言而喻。其中，光學(xué)傳感器的作用是能夠?qū)崟r(shí)、精確的確定光斑的中心?？臻g激光通信終端通常采用CCD、CMOS、SWIR等成像探測(cè)器作為光電探測(cè)元器件，但是由于元器件本身的非線性、背景暗電平、讀出噪聲以及隨機(jī)光子起伏等，可能會(huì)造成光斑圖像的分布不均勻、邊緣模糊等問(wèn)題。上述現(xiàn)象會(huì)造成不同的光斑檢測(cè)算法輸出的光斑坐標(biāo)有較大的偏差，不同的光斑坐標(biāo)值會(huì)導(dǎo)致激光通信終端接收到的信號(hào)光強(qiáng)度偏差很大。

激光通信系統(tǒng)中的捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)是由短波紅外相機(jī)的位置來(lái)確定的，因此光斑位置的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響激光通信系統(tǒng)的精度。對(duì)于光斑中心的計(jì)算，質(zhì)心法、Hough變換法和圓擬合法在工程應(yīng)用層面來(lái)說(shuō)適用較廣。文獻(xiàn)[2]提出以Hough變換理論為基礎(chǔ)的光斑中心檢測(cè)方法，實(shí)驗(yàn)表明該方法對(duì)提高大型三維曲面測(cè)量精度有效；以最小二乘原理[3]作為依據(jù)，文獻(xiàn)[4]提出了圓擬合算法，該算法實(shí)時(shí)性好，但前提是圖像較為理想，否則可能會(huì)影響準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[5]提出了一種經(jīng)過(guò)改良后的圓擬合算法，對(duì)中值法和閾值法進(jìn)行了結(jié)合，該算法在尋找光斑中心方面非常準(zhǔn)確，但迭代次數(shù)較多；傳統(tǒng)質(zhì)心算法也有不同方式的改進(jìn)，這些研究人員使用適當(dāng)?shù)谋容^和方法來(lái)確定光斑位置，這提高了激光檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

在評(píng)價(jià)光斑位置檢測(cè)方法方面，文獻(xiàn)[6]提出了利用以互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體為材料的探測(cè)器進(jìn)行光斑處理方法的對(duì)比評(píng)價(jià)，這種方法的提出使不同的濾波算法對(duì)光斑中心的影響進(jìn)行了數(shù)字化說(shuō)明?；赬ilinx Spartan3 FPGA 的2片式硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，不僅保證了目標(biāo)位置信息檢索的實(shí)時(shí)性能，而且兼顧簡(jiǎn)化系統(tǒng)，提高其經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[7]分析了紅外成像系統(tǒng)的3種結(jié)構(gòu)形式，分別為折射一次成像型、折反射型和折射二次成像型，并設(shè)計(jì)了由透鏡、外加頭罩和分光棱鏡組成的紅外光學(xué)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8]提出了一種由信標(biāo)光發(fā)射單元、信標(biāo)光接收單元、轉(zhuǎn)臺(tái)和激光告警器組成的全光捕獲試驗(yàn)裝置，并在對(duì)全光捕獲技術(shù)的理論分析中指出，在不確定區(qū)域掃描的模式有光柵掃描、螺旋掃描、螺旋光柵掃描、李薩如形掃描和玫瑰形掃描等。

傳統(tǒng)的光斑中心計(jì)算誤差判定方法僅依賴(lài)圖像本身，并且與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的耦合度較低，缺少客觀的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。常用的光斑中心計(jì)算誤差判定方法是：首先采用同一位置的同一光斑多次拍攝采樣圖片計(jì)算求取均值的方法來(lái)近似測(cè)量真實(shí)光斑中心位置，然后以此位置坐標(biāo)與不同光斑中心算法的結(jié)果之間的差值來(lái)評(píng)判不同算法的誤差情況及性能的優(yōu)劣。因此，本文提出一種光斑中心準(zhǔn)確度的評(píng)價(jià)方法，用以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足。本文首先構(gòu)建一個(gè)信標(biāo)光中心光斑計(jì)算準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定尋求信噪比最大點(diǎn)作為基準(zhǔn)，對(duì)質(zhì)心法、Hough變換法以及圓擬合法3種方法計(jì)算得到的光斑中心坐標(biāo)進(jìn)行比較，通過(guò)均方根差的大小和系統(tǒng)中計(jì)算坐標(biāo)結(jié)果對(duì)應(yīng)耦合功率來(lái)判定計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

1 信標(biāo)光中心光斑計(jì)算準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)系統(tǒng)

信標(biāo)光中心光斑計(jì)算準(zhǔn)確度的評(píng)價(jià)依賴(lài)于激光通信光學(xué)天線系統(tǒng)，其組成如圖1所示。該系統(tǒng)主要由3部分組成：主望遠(yuǎn)鏡、信號(hào)光接收支路、信標(biāo)光接收支路(含成像探測(cè)器)，其中，光路由壓電陶瓷偏轉(zhuǎn)鏡反射。

圖1 激光通信天線子系統(tǒng)

信號(hào)接收支路：信號(hào)接收支路接收的信號(hào)光聚焦接收，其接收光束可認(rèn)為時(shí)平行光，接收系統(tǒng)需要計(jì)算耦合效率和系統(tǒng)的信噪比(SNR)。

信標(biāo)接收支路：信標(biāo)接收支路接收的信號(hào)光聚焦在光電轉(zhuǎn)換成像探測(cè)器靶面上，其接收光束也可認(rèn)為時(shí)平行光，最終光斑的形狀需要覆蓋大于4×4個(gè)像元尺寸，來(lái)保證算法細(xì)分精度。

如圖1所示，信號(hào)發(fā)射支路將激光進(jìn)行準(zhǔn)直，并通過(guò)光學(xué)天線發(fā)射出去，這一過(guò)程需要重點(diǎn)考慮其遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。激光通過(guò)壓電陶瓷偏轉(zhuǎn)鏡和濾光片之后，通過(guò)分束片，將激光光束的x%分給信號(hào)接收支路，接收光束可認(rèn)為是平行光，剩余1-x%分給信標(biāo)接收支路，其接收的信標(biāo)光聚焦在探測(cè)器靶面上，以此系統(tǒng)為基礎(chǔ)來(lái)評(píng)價(jià)光斑中心檢測(cè)算法的準(zhǔn)確性。

首先，構(gòu)建不同算法的誤差評(píng)價(jià)基準(zhǔn)依據(jù)。在暗場(chǎng)條件下，調(diào)整激光器光源強(qiáng)度，使其盡可能呈現(xiàn)較為清晰、標(biāo)準(zhǔn)的圓形光斑，且服從高斯分布，記錄基準(zhǔn)值。

接下來(lái)，構(gòu)建信標(biāo)光系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，分別采用質(zhì)心法、Hough變換法和圓擬合法依次計(jì)算出圓心坐標(biāo)值，記為P1(x1,y1)、P2(x2,y2)和P3(x3,y3)。

記誤差為σ，采用均方根誤差[9]的方法，多次測(cè)量光斑質(zhì)心的誤差為：

(1)

(2)

(3)

2 光斑中心算法

中心檢測(cè)的算法主要有3種：質(zhì)心法[10]、Hough變換法[11]、圓擬合法[12]。下面對(duì)3種方法進(jìn)行介紹。

質(zhì)心法常常用于形狀規(guī)則、對(duì)稱(chēng)性好的圖片或形狀的中心檢測(cè)[13]。質(zhì)心法的本質(zhì)是通過(guò)計(jì)算一階矩陣進(jìn)而確定光斑中心。由于信標(biāo)光是激光，其能量符合高斯分布，對(duì)于一個(gè)圖形來(lái)說(shuō)，其能量最大點(diǎn)被看作是圖像的中心。設(shè)光斑成像的大小為M×N個(gè)像元，利用質(zhì)心法計(jì)算得到的光斑中心(X,Y)表示為：

(4)

(5)

Hough圓變換是由直線變換拓展而來(lái)[14]。Hough變換的原理是將圖像中所有的點(diǎn)帶入進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果進(jìn)行投票。當(dāng)投票結(jié)果大于閾值時(shí)，則認(rèn)為這個(gè)曲線上的存在足夠多的有效點(diǎn)。

利用圓擬合[15]的方法來(lái)檢測(cè)光斑的中心位置，是基于最小二乘法，利用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓來(lái)盡量接近所測(cè)得的光斑，以得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光斑，利用所得到的圓來(lái)計(jì)算其半徑和圓心坐標(biāo)，將其看做原光斑的中心位置。

對(duì)于原始圖像，本文將分別采用質(zhì)心法、Hough變換法和圓擬合法3種方法對(duì)光斑中心進(jìn)行計(jì)算。因原始圖像存在盲原、光斑圖像不呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)高斯分布以及圖像邊緣不平整等問(wèn)題，因此都需要先進(jìn)行濾波處理，對(duì)于霍夫變換和圓擬合方法，還需要進(jìn)行自適應(yīng)閾值處理和Sobel邊緣檢測(cè)。利用上述3種方法進(jìn)行Matlab仿真。

質(zhì)心法對(duì)于較為經(jīng)典簡(jiǎn)潔，且硬件要求低[16]，Hough變換法魯棒性高[17]，圓擬合通過(guò)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)圓形光斑不斷縮小與原圖像的差別，可以計(jì)算出圖像的光斑中心和半徑[18]。

3 光斑中心評(píng)價(jià)方法的具體實(shí)現(xiàn)

3.1 激光通信子系統(tǒng)光斑位置標(biāo)定

在進(jìn)行不同的光斑檢測(cè)算法仿真之前，首先要制定評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)依據(jù)。

在暗場(chǎng)環(huán)境下，調(diào)整激光器光源強(qiáng)度，使成像探測(cè)器能清晰成像，輸出的光斑圖像為近似理想的圓形光斑、服從高斯分布。在該條件下，不同光斑中心計(jì)算方法獲得的中心坐標(biāo)之間的差值小于0.01個(gè)像元，該誤差對(duì)激光通信系統(tǒng)的誤差可以忽略不計(jì)。

驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷偏轉(zhuǎn)鏡，使光斑在成像探測(cè)器靶面上以螺旋曲線方式運(yùn)動(dòng)，每次運(yùn)動(dòng)角度為:

θ=180×rad/π

(6)

則在成像探測(cè)器靶面上，光斑坐標(biāo)應(yīng)該平移距離為:

Δl1=f×tanθ

(7)

其中:f為光學(xué)系統(tǒng)焦距。光斑螺旋曲線行程圖如圖2所示。

圖2 光斑螺旋曲線行程圖

表1 光纖耦合功率最大點(diǎn)坐標(biāo)

3.2 圖像預(yù)處理

采用1 550 nm激光器作為光源，InGaAs焦平面探測(cè)器(SWIR)作為成像探測(cè)器。在信標(biāo)光系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)行環(huán)境中，保持標(biāo)定過(guò)程的光路不變。

在農(nóng)作物的生長(zhǎng)過(guò)程中，最常遇到的問(wèn)題就是病蟲(chóng)害的入侵，因此人們時(shí)常為了有效地預(yù)防病蟲(chóng)害或者治療病蟲(chóng)害而使用各式各樣的農(nóng)藥，但是這樣一來(lái)往往會(huì)造成過(guò)度使用農(nóng)藥或用藥不合理，不僅會(huì)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)造成極其不利的影響，還會(huì)使得土壤也受到相應(yīng)的污染，同時(shí)農(nóng)作物產(chǎn)品的整體質(zhì)量也會(huì)受到一定的影響。

本次使用探測(cè)器為山西國(guó)惠InGaAs短波紅外探測(cè)器，試驗(yàn)所得原圖像分辨率為640×512，像元尺寸為15 μm×15 μm，像素可操作率大于99.5%，由觀測(cè)實(shí)際輸出原圖像可知，盲元數(shù)量小于100。

由原圖像分析，除了存在光斑形狀不規(guī)則的問(wèn)題外，還有噪聲干擾以及像素值不單一等問(wèn)題，因此在進(jìn)行不同光斑定位算法之前，要首先進(jìn)行圖像的預(yù)處理。為了便于展示，將原圖像進(jìn)行截取，截取矩形大小為124×120，左上角坐標(biāo)值為(266，194)，如圖3所示。

圖3 真實(shí)運(yùn)行環(huán)境中光斑截取圖像

3.2.1 圖像濾波

紅外成像系統(tǒng)利用一個(gè)圖像內(nèi)包含的不同物體的輻射不同構(gòu)成圖像[19]。它的優(yōu)點(diǎn)是分辨率和靈敏度較高，但同時(shí)存在著系統(tǒng)噪聲和非目標(biāo)物體的背景干擾。若想得到較好的圖像結(jié)果，需要對(duì)圖像進(jìn)行一定的處理。

利用激光天線子系統(tǒng)得到的紅外圖像具有一定的噪聲，這些噪聲的存在會(huì)造成計(jì)算光斑中心時(shí)的誤差，使得計(jì)算結(jié)果有明顯偏差。此時(shí)利用濾波器進(jìn)行濾波，能夠有效改善這種情況。

中值濾波[20]的原理是在窗口范圍內(nèi)，將圖像內(nèi)的像素點(diǎn)的灰度值按照一定順序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行排序，并選擇中間值作為該窗口的輸出值。這種方法本質(zhì)上是排序統(tǒng)計(jì)。由于其特性是取中間值，因此對(duì)隨機(jī)的孤點(diǎn)噪聲的效果較好。經(jīng)驗(yàn)證，在選擇窗口大小時(shí)，當(dāng)M=N=3時(shí)，對(duì)噪聲的過(guò)濾效果較好。濾波前后灰度值對(duì)比圖如圖4所示。

圖4 濾波前后灰度值對(duì)比圖

3.2.2 自適應(yīng)閾值分割

二值化閾值變換的函數(shù)表達(dá)式如下：

(8)

將濾波后的圖像讀入Matlab，進(jìn)行自適應(yīng)閾值分割處理[21]，程序仿真結(jié)果可得，該圖像的閾值為109，因此有：

(9)

4 光斑檢測(cè)定位算法仿真結(jié)果分析

用于評(píng)價(jià)光斑中心檢測(cè)準(zhǔn)確度的激光天線子系統(tǒng)實(shí)物搭建如圖5所示。箭頭所示為平行光入射方向，D為分光鏡，平行光的x%進(jìn)入信號(hào)接收支路A，剩余1-x%進(jìn)入信標(biāo)接收支路B，聚焦在探測(cè)器靶面C上。

圖5 激光天線子系統(tǒng)實(shí)物搭建

采用1 550 nm激光器作為光源，InGaAs焦平面探測(cè)器(SWIR)作為成像探測(cè)器。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為27 ℃，測(cè)試方法如下：

1)開(kāi)啟1 550 nm發(fā)射激光器，將發(fā)射激光器光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡，衰減片，入射精瞄鏡后反射，并經(jīng)過(guò)聚焦透鏡在SWIR探測(cè)器上獲得光斑，調(diào)整SWIR前后距離，使得SWIR上光斑曝光尺寸約為6像素；

2)精確測(cè)量壓電陶瓷偏轉(zhuǎn)鏡中心到SWIR光敏面距離，該距離為d，誤差小于1 mm。

3)控制壓電陶瓷偏轉(zhuǎn)鏡在此位置上分別向2個(gè)方向上進(jìn)行角位置運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)換算每次運(yùn)動(dòng)角度為θ，則SWIR位置應(yīng)該平移距離為d×θ；

4)同時(shí)讀取SWIR輸出的光斑位置變化，記錄并觀察坐標(biāo)與耦合功率。

5)改變程序中的光斑中心計(jì)算方法，并記錄計(jì)算所得坐標(biāo)以及對(duì)應(yīng)耦合功率。

首先采用質(zhì)心法進(jìn)行計(jì)算。記錄測(cè)量當(dāng)前環(huán)境的溫度和濕度，根據(jù)成像探測(cè)器感光波段選用對(duì)應(yīng)的激光光源，選用濾光片，減少雜光，并保證光路與標(biāo)定過(guò)程中描述情況一致。微調(diào)鏡頭焦距，使光斑能夠清晰成像于探測(cè)器靶面。通過(guò)程序計(jì)算得出坐標(biāo)值P1(x1，y1)。

將光斑中心計(jì)算方法改為Hough變換法和圓擬合法，在相同的溫度和濕度條件下，重復(fù)上述過(guò)程并記錄P2(x2，y2)、P3(x3，y3)。

為排除誤差變化規(guī)律出現(xiàn)的偶然性，需多次測(cè)量取平均并進(jìn)行比較；此外，改變激光光源的入射角度，使光斑在成像探測(cè)器靶面上的位置偏移，再次重復(fù)標(biāo)校和光斑計(jì)算過(guò)程。

經(jīng)過(guò)上述過(guò)程，記錄下的程序仿真的結(jié)果坐標(biāo)數(shù)據(jù)如表2所示，并計(jì)算其均方根誤差。

表2 光斑檢測(cè)算法坐標(biāo)及均方根差

將上述坐標(biāo)值代入該評(píng)價(jià)系統(tǒng)，記錄不同光斑檢測(cè)算法坐標(biāo)計(jì)算值對(duì)應(yīng)的光纖耦合功率如表3所示。

表3 坐標(biāo)對(duì)應(yīng)耦合功率

對(duì)表2與表3結(jié)果進(jìn)行歸納，本文所選取的標(biāo)校坐標(biāo)Qmax為(317.95，258.17)，該點(diǎn)的光纖耦合功率為-54.10 dbm。利用質(zhì)心法計(jì)算得到的圓心坐標(biāo)P1為(320.52，256.38)，均方根差為0.304 1，該點(diǎn)的光纖耦合功率為-54.43 dbm；利用Hough變換法得到的圓心坐標(biāo)P2為(321，257)，均方根差為0.869 8，該點(diǎn)的光纖耦合功率為-54.86 dbm；利用圓擬合法計(jì)算得到的圓心坐標(biāo)P3為(320.5，256.5)，均方根差為0.408 0，該點(diǎn)的光纖耦合功率為-54.58 dbm。綜上所述，在本文所述的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件下，質(zhì)心法準(zhǔn)確性較高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種依靠激光通信天線子系統(tǒng)的光斑中心計(jì)算準(zhǔn)確度的評(píng)價(jià)方法，該方法首先構(gòu)建了一個(gè)信標(biāo)光中心準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)系統(tǒng)，再通過(guò)標(biāo)校制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，根據(jù)不同光斑中心算法的仿真結(jié)果可知，質(zhì)心法、Hough變換法和圓擬合法得到的光斑中心坐標(biāo)的均方根差分別為0.304 1、0.869 8、0.408 0，因此在本文所述的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件下，質(zhì)心法準(zhǔn)確度較高。選擇一種合適的光斑檢測(cè)算法有助于提高光斑檢測(cè)的精度，進(jìn)一步影響APT系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，對(duì)于提高星間通信的可靠性有一定的幫助。本文所述方法適用于激光通信系統(tǒng)中光斑中心算法的評(píng)價(jià)與選擇，也可以用于評(píng)價(jià)不同濾波算法、非均勻校正及增強(qiáng)、亞像素定位等圖像預(yù)處理算法對(duì)光斑中心計(jì)算結(jié)果的影響，為信標(biāo)光檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)提供具有工程應(yīng)用價(jià)值的參考。