基于FPGA的CCD空間光通信光束跟蹤研究

淼晶 莫驥等

摘 要：空間激光通信的光束跟蹤系統(tǒng)主要負責完成信標光的精確跟蹤和鎖定，通常采用光電探測器件并配以相應的電子學伺服控制系統(tǒng)。本文設計了基于FPGA的CCD圖像采集處理器，可以實現(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。

關鍵詞：光束跟蹤 CCD 形心算法

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：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等突出優(yōu)點，是實現(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引起的光束漂移而使得通信中斷，故需要進行通信光束的實時跟蹤，保證通信鏈路的暢通。

能實現(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，既能成像實現(xiàn)可見光觀靶，又可以實現(xiàn)信標光的光斑檢測，給整機帶來了輕小型化的緊湊型設計，本文設計了一種基于FPGA的CCD圖像采集處理及光斑檢測跟蹤單元，實現(xiàn)了單CCD探測器的空間捕獲和跟蹤兩種功能。

1 總體方案設計

光束跟蹤單元包括信標光發(fā)射、CCD信標光接收、二維跟蹤轉臺、電機、位置傳感器、控制器及串行數(shù)據接口。

光斑采集及處理部分主要由高幀頻CCD相機和對其進行控制的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，負責時序信號的產生、數(shù)據的轉換以及數(shù)據在各個模塊之間的轉移。經由FPGA的控制把所產生的模擬線號經由A/D轉換器件變成數(shù)字信號，并完成數(shù)據的緩存與處理工作。USB模塊進行與上位機之間的通訊工作，將脫靶量上傳給上位機，由上位機負責跟蹤轉臺的伺服控制。

探測器選擇SONY公司CCD。分辨率1024×768，該CCD在25fps模式下，動態(tài)范圍達到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)可通過串口進行控制，接口協(xié)議簡單，用戶使用方便。利用其將光學系統(tǒng)所捕捉到的光信號轉變成為電信號，經過A/D變換后將圖像變換為由數(shù)字信號輸出。為了降低CCD器件自身的噪聲，對其輸出信號進行CDS（相關雙采樣）可以明顯的提高其輸出信噪比。

FPGA采用Altera公司所設計生產的Cyclone III系列芯片。利用該芯片完成整個系統(tǒng)的時鐘設計，為了達到對圖像進行實時采樣的目的就要對CCD所采集數(shù)據進行高速存儲，為此采用FPGA構成高速FIFO緩存，采取乒乓操作方式對圖像數(shù)據進行存儲。經由FIFO緩存過的圖片數(shù)據需要經過一高速接口提供給上位機進行更進一步的運算與應用。利用FPGA設計的部分CCD相機驅動時序部分波形圖見圖2，采集到的目標光斑經二值化后的圖如圖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，要考慮到光斑不是一個幾何點，光斑光強分布往往接近高斯分布。設某個光斑由m個像素組成，每個像素都對應確定的空間坐標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)字圖像經增強和分割后，通過目標輪廓坐標（，），計算目標形心坐標。形心算法計算公式表示為：

空間激光通信具有高速率、寬帶、抗干擾和抗截獲能力強等突出優(yōu)點，是實現(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引起的光束漂移而使得通信中斷，故需要進行通信光束的實時跟蹤，保證通信鏈路的暢通。

能實現(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，既能成像實現(xiàn)可見光觀靶，又可以實現(xiàn)信標光的光斑檢測，給整機帶來了輕小型化的緊湊型設計，本文設計了一種基于FPGA的CCD圖像采集處理及光斑檢測跟蹤單元，實現(xiàn)了單CCD探測器的空間捕獲和跟蹤兩種功能。

1 總體方案設計

光束跟蹤單元包括信標光發(fā)射、CCD信標光接收、二維跟蹤轉臺、電機、位置傳感器、控制器及串行數(shù)據接口。

光斑采集及處理部分主要由高幀頻CCD相機和對其進行控制的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，負責時序信號的產生、數(shù)據的轉換以及數(shù)據在各個模塊之間的轉移。經由FPGA的控制把所產生的模擬線號經由A/D轉換器件變成數(shù)字信號，并完成數(shù)據的緩存與處理工作。USB模塊進行與上位機之間的通訊工作，將脫靶量上傳給上位機，由上位機負責跟蹤轉臺的伺服控制。

探測器選擇SONY公司CCD。分辨率1024×768，該CCD在25fps模式下，動態(tài)范圍達到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)可通過串口進行控制，接口協(xié)議簡單，用戶使用方便。利用其將光學系統(tǒng)所捕捉到的光信號轉變成為電信號，經過A/D變換后將圖像變換為由數(shù)字信號輸出。為了降低CCD器件自身的噪聲，對其輸出信號進行CDS（相關雙采樣）可以明顯的提高其輸出信噪比。

FPGA采用Altera公司所設計生產的Cyclone III系列芯片。利用該芯片完成整個系統(tǒng)的時鐘設計，為了達到對圖像進行實時采樣的目的就要對CCD所采集數(shù)據進行高速存儲，為此采用FPGA構成高速FIFO緩存，采取乒乓操作方式對圖像數(shù)據進行存儲。經由FIFO緩存過的圖片數(shù)據需要經過一高速接口提供給上位機進行更進一步的運算與應用。利用FPGA設計的部分CCD相機驅動時序部分波形圖見圖2，采集到的目標光斑經二值化后的圖如圖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，要考慮到光斑不是一個幾何點，光斑光強分布往往接近高斯分布。設某個光斑由m個像素組成，每個像素都對應確定的空間坐標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)字圖像經增強和分割后，通過目標輪廓坐標（，），計算目標形心坐標。形心算法計算公式表示為：

，

式中，為目標輪廓的點數(shù)。

3 實驗與結果

首先通過regionprops函數(shù)找出與所求區(qū)域具有相同標準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，的頂點坐標。通過一定的方法，用所求橢圓的相關參數(shù)確定一個正多邊形。使該正多邊形具有一個相當大的邊數(shù)，是該多邊形接近一個圓。這個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時的效果圖。

然后計算出則該光斑的重心坐標，即為脫靶量。通過USB模塊傳至上位機，上位機采用DSP技術，根據脫靶量計算出運動方向與加速度，通過對二維跟蹤轉臺的閉環(huán)控制，實現(xiàn)對激光光斑的精確跟蹤。實現(xiàn)了跟蹤要求視場角為方位±5°、俯仰±5°、跟蹤精度為200urad。

4 結論

本文設計了基于FPGA的CCD圖像采集處理器，可以實現(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標準作為與上位機之間的接口。研究了光斑位置中心提取的快速形心算法，實現(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

[1]李曉峰.星地激光通信鏈路原理與技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2]王亞麗，段錦.空間光通信中激光光斑檢測與特征分析[J].紅外與激光工程，2007，36（7）：166-170.

[3]劉丹平，胡渝.提高光斑圖像質心精度的去噪方法[J].光電工程，2005，32（8）：56-58.

[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[J].空軍工程大學學報（自然科學版），2011，12（1）：59-63.