一種艦船燈光通信系統(tǒng)研究

胡定軍，劉 銘，劉良順

(1．鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003;2．中國人民解放軍94679 部隊(duì)，江蘇 南京210038)

0 引 言

燈光通信作為艦船最常見的通信方式有系統(tǒng)簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，所以其盡管是一種古老的通信方式，今天仍然在艦船的通信系統(tǒng)中占有重要地位。但隨著技術(shù)的發(fā)展，跟其他通信方式相比，燈光通信需要專業(yè)培訓(xùn)人員、信息傳遞速率太低的缺點(diǎn)比較明顯，和現(xiàn)代自動(dòng)化發(fā)展趨勢相背。為此研制一套自動(dòng)化燈光通信系統(tǒng)，其不僅具有傳統(tǒng)燈光通信系統(tǒng)簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)［1］，而且無需專業(yè)人員參與，能較大幅度提高通信速率。

1 燈光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

艦船燈光通信系統(tǒng)由燈光自動(dòng)拍發(fā)子系統(tǒng)、燈光自動(dòng)接收子系統(tǒng)及伺服子系統(tǒng)組成，如圖1所示。

燈光自動(dòng)拍發(fā)子系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)燈光發(fā)送軟件、LED 發(fā)射控制器及LED 信號燈組成。計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)將所要發(fā)送的信息采用莫爾斯碼進(jìn)行編碼，并送入燈光信號控制器，在燈光信號控制器的作用下，信號燈按照特定的編碼進(jìn)行閃爍，發(fā)射信號，實(shí)現(xiàn)燈光信號的自動(dòng)拍發(fā)。

圖1 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structre of ship light communication system

燈光自動(dòng)接收子系統(tǒng)主要由高速攝像機(jī)、高速圖像采集卡、燈光圖像識別及接收軟件組成。利用高靈敏、高幀頻、可開窗、帶紅外接收的CMOS 高速攝像機(jī)作為信號接收傳感器，接收圖像實(shí)時(shí)采集到計(jì)算機(jī)內(nèi)，經(jīng)專門圖像分析軟件識別發(fā)射信號燈方位，處理燈光脈沖強(qiáng)度變化，自動(dòng)識別和提取光脈沖寬度和強(qiáng)度信息，轉(zhuǎn)換成莫爾斯碼并在顯示屏上顯示相應(yīng)字母和數(shù)字，實(shí)現(xiàn)燈光的自動(dòng)接收與識別。

伺服子系統(tǒng)包括變焦攝像機(jī)、圖像顯示軟件模塊、電控二維轉(zhuǎn)臺(tái)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制器，利用變焦攝像機(jī)捕捉對準(zhǔn)LED 光源信號，計(jì)算機(jī)內(nèi)實(shí)時(shí)顯示圖像;實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對準(zhǔn)對方目標(biāo)，保證對方的光源始終位于高速攝像機(jī)的視野范圍。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需將LED 光源、變焦攝像機(jī)、高速攝像機(jī)集成在電控二維轉(zhuǎn)臺(tái)，三者同軸，實(shí)現(xiàn)LED光源信號發(fā)射與接收及瞄準(zhǔn)器一體運(yùn)動(dòng)。

1.1 LED 智能信號燈的設(shè)計(jì)

燈光通信的LED 智能信號燈是燈光自動(dòng)拍發(fā)子系統(tǒng)的前端顯示關(guān)鍵部位，考慮到與原有燈光通信系統(tǒng)兼容，LED 智能信號燈既可以通過人工手動(dòng)扳下扳手控制光源亮滅，也可以接收控制板電路的信號自動(dòng)控制光源的亮滅。

LED 智能信號燈主要由控制模塊、電源模塊、光源模塊等單元組成。控制模塊主要是用來控制信號燈工作(光源的亮滅);光源模塊由3 組18 個(gè)高亮度發(fā)光二極管串并聯(lián)組成，1 個(gè)(或1 組)發(fā)光二極管的損壞并不影響整個(gè)信號燈的工作，可靠性好;電源模塊是將220 V 交流電轉(zhuǎn)換為24 V 直流電，給信號燈供電，使其正常工作;24 V 的直流電源可以直接給信號燈供電。主要通過RS232 接口與計(jì)算機(jī)的串口相連實(shí)現(xiàn)串口通信，計(jì)算機(jī)通過串口寫入數(shù)據(jù)將二進(jìn)制代碼傳輸?shù)絃ED 智能信號燈的數(shù)據(jù)接口，通過控制模塊將二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為信號燈的亮滅交替變化，其工作原理圖如圖2所示。

圖2 控制模塊的工作原理圖Fig.2 The principle of control model

控制模塊的電路板的CPU 采用AT89S52 單片機(jī)作為中心處理器，主要完成控制片外存儲(chǔ)器24C1024、控制光源工作、串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等功能;片外存儲(chǔ)器24C1024 存儲(chǔ)用戶編輯的數(shù)據(jù)(不大于200 組)，避免斷電后數(shù)據(jù)丟失;與計(jì)算機(jī)的串口通信采用中斷方式，串口只要有數(shù)據(jù)就會(huì)及時(shí)接收;AT89S52 單片機(jī)對接收到的二進(jìn)制碼進(jìn)行分析和處理，通過內(nèi)部的時(shí)鐘發(fā)生器定時(shí)對;單片機(jī)的特定外置I/O 口輸出端通過電流驅(qū)動(dòng)電路后控制光源信號燈的有規(guī)律亮滅設(shè)定0 為滅，1 為亮。

在燈光通信的發(fā)送階段，用戶在燈光通信軟件的發(fā)送文本編輯框中輸入需要發(fā)送的通信信息或者選取常用的勤務(wù)符號和常用短語，則計(jì)算機(jī)將通信信息依次逐字進(jìn)行二進(jìn)制編碼操作，計(jì)算機(jī)串口與LED 智能信號燈串口相連進(jìn)行串口通信，計(jì)算機(jī)將二進(jìn)制編碼發(fā)送到智能信號燈的控制模塊CPU，根據(jù)這些二進(jìn)制編碼AT89S52 單片機(jī)通過內(nèi)部石英時(shí)鐘發(fā)生器定時(shí)對單片機(jī)的外置I/O 口進(jìn)行相應(yīng)的0、1 輸出控制，通過電流驅(qū)動(dòng)電路后控制信號燈的定時(shí)亮滅，從而實(shí)現(xiàn)通信信息的自動(dòng)發(fā)送［2］。

1.2 自動(dòng)接收機(jī)的設(shè)計(jì)

燈光自動(dòng)接收機(jī)子系統(tǒng)接收信息時(shí)，變焦攝像機(jī)主要將接收到的圖像實(shí)時(shí)采集到計(jì)算機(jī)顯示，用于對準(zhǔn)目標(biāo)，高速攝像機(jī)和高速采集卡實(shí)時(shí)記錄智能通信信號燈的亮滅閃爍情況，并將所記錄的視頻圖像信息傳送到接收機(jī)機(jī)的圖像識別處理軟件系統(tǒng)進(jìn)行圖像分析和圖像處理，具體工作包括目標(biāo)信號源的有效檢測、噪聲去除和二進(jìn)制代碼生成，根據(jù)按一定規(guī)則制定的加密算法對此二進(jìn)制代碼進(jìn)行解密操作，然后通過字符編碼數(shù)據(jù)庫將信息進(jìn)行譯碼操作，即把二進(jìn)制代碼還原為通俗的字符信息，最終轉(zhuǎn)換成文字信息顯示到顯示屏上來，從而實(shí)現(xiàn)通信信息的自動(dòng)接收［3］，整個(gè)信息接收流程如圖3所示。

圖3 燈光接收流程Fig.3 The process of ship light receiver

跟蹤伺服子系統(tǒng)中高速攝像機(jī)、變焦攝像機(jī)隨電控轉(zhuǎn)臺(tái)同軸運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)控制器靈活控制轉(zhuǎn)臺(tái)的俯仰和水平方位角，通過計(jì)算機(jī)內(nèi)顯示對方圖像畫面和控制手柄人工控制轉(zhuǎn)臺(tái)捕獲、對準(zhǔn)及跟蹤目標(biāo)。

1.3 高速攝像機(jī)的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求，燈光通信自動(dòng)接收機(jī)需要在艦船搖晃小于10°時(shí)，能夠進(jìn)行人工對準(zhǔn)，約10個(gè)漢字拼音/min，或者30 ～300 個(gè)莫斯碼/min，通信速率可調(diào)。

1)采樣頻率必須足夠高，也就是相機(jī)的幀頻必須足夠高。10 個(gè)漢字/min，1 個(gè)漢字平均少于5 個(gè)字母，則可換算為要發(fā)50 個(gè)字母/min，每個(gè)字母平均1.2 s。以莫斯碼中的最短時(shí)間短亮為單位計(jì)算，最長的為數(shù)字0，占21 個(gè)單位長度，如果在1.2 s 內(nèi)發(fā)完則單位長度約為60 ms。由于莫斯碼只有4 種長度，亮的信號只有1 個(gè)單位長度的點(diǎn)，3 個(gè)單位長度的劃2 種，暗的信號只有1 個(gè)單位長度的碼間間隔和5 個(gè)單位長度的字母間間隔，只要能區(qū)分開1 個(gè)單位長度和3 個(gè)單位長度，即可達(dá)到系統(tǒng)要求。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)幀長度小于最小單位長度的1/3 即20 ms 時(shí)即可鑒別出點(diǎn)和劃，考慮到系統(tǒng)冗余，最終確定相機(jī)幀頻為100 幀，幀長10 ms。

2)視場角必須足夠大。艦船晃動(dòng)為10°時(shí)，在瞄準(zhǔn)輔助裝置的配合下，通過手持對準(zhǔn)，預(yù)計(jì)可穩(wěn)定在5°以內(nèi)。預(yù)選定的相機(jī)感光器大小為1/3 英寸，采用25 mm 焦距的鏡頭時(shí)其視場角約為6°。

工業(yè)相機(jī)的最大采集頻率與目標(biāo)燈光信號的閃爍頻率有直接的關(guān)系，根據(jù)Nyquist 采樣定律，相機(jī)的最大采集頻率必須大于等于目標(biāo)燈光信號最大閃爍頻率(燈光通信最小單位周期的倒數(shù))的2 倍，才能保證采集過程中不會(huì)發(fā)生采樣信號混疊的現(xiàn)象。在實(shí)際的燈光通信過程中，信號燈光源的亮度殘留現(xiàn)象不可避免。故所設(shè)計(jì)的通信信號光源采用的LED 發(fā)光二極管組，LED 發(fā)光二極管的亮滅變化比傳統(tǒng)信號燈中的鎢絲白熾燈要迅速很多，但是依然不可避免有一定程度的亮度殘留，因此所選取的相機(jī)最大采集頻率必須要比理論計(jì)算值要大一些。理論上講，相機(jī)的采集頻率越大越好，但是考慮到頻率增大其價(jià)格極大上漲，且一般而言采樣頻率大相機(jī)耗能也較大，綜合以上各種因素，相機(jī)選用德國IDS 公司的UI－5220CP 型高幀頻工業(yè)相機(jī)［4］。

2 系統(tǒng)接收端軟件設(shè)計(jì)

由于實(shí)際船艇燈光通信中背景環(huán)境復(fù)雜多變，未知性非常大，難以對背景環(huán)境進(jìn)行有效建模。為方便和簡單起見，采用人工分為以下2 種采集方式:

一是艦船晃動(dòng)不大，利用先驗(yàn)知識在圖像第1幀進(jìn)行確定目標(biāo)基本輪廓的方法，具體而言是用戶首先在第1 幀視頻圖像中用鼠標(biāo)劃取1 個(gè)包含目標(biāo)信號燈在內(nèi)的矩形框，通過在此矩形框內(nèi)提取目標(biāo)信息進(jìn)行分析和參數(shù)設(shè)定后分割出目標(biāo)信號燈，將目標(biāo)信號燈進(jìn)行建模鎖定并將相關(guān)目標(biāo)參數(shù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)內(nèi)存中，此后通過自動(dòng)目標(biāo)檢測跟蹤技術(shù)使得目標(biāo)框始終能夠自動(dòng)定位并檢測出目標(biāo)信號燈［5］。

二是為了能夠在可能大幅度搖晃的船上跟蹤到目標(biāo)信號燈，采用目標(biāo)質(zhì)心信息匹配和幀間圖像跟蹤匹配相結(jié)合的方法。目標(biāo)質(zhì)心信息匹配方法對于晃動(dòng)幅度比較大的目標(biāo)信號燈具有較好的跟蹤效果，但是在目標(biāo)信號燈閃爍或是其他燈光干擾等因素的情況下，很容易丟失目標(biāo);幀間圖像跟蹤匹配是比較常用的通用視頻圖像跟蹤算法，它是依據(jù)視頻采集頻率一般較高，使得相鄰兩幀視頻圖像之間的目標(biāo)信號燈的位置、大小、形狀等信息相差不大，可以充分利用前一幀目標(biāo)信號燈的相關(guān)特征信息來計(jì)算出當(dāng)前幀的目標(biāo)信號燈的位置、大小、形狀等信息［6］，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的連續(xù)跟蹤，但是幀間圖像跟蹤匹配方法很容易造成誤差的累積，長時(shí)間跟蹤非常容易產(chǎn)生目標(biāo)漂移，造成目標(biāo)丟失和誤跟蹤。經(jīng)過船艇實(shí)際的燈光通信，實(shí)驗(yàn)將這2 種方法相結(jié)合，相互補(bǔ)充，對于目標(biāo)信號燈的檢測和跟蹤具有很好的效果。

在實(shí)際視頻圖像目標(biāo)跟蹤過程中，根據(jù)上一幀的目標(biāo)框計(jì)算當(dāng)前幀的框內(nèi)光強(qiáng)，通過對此光強(qiáng)值進(jìn)行閾值處理來判斷出框內(nèi)所包含的目標(biāo)信號燈是亮還是滅，將狀態(tài)“亮”量化為1，而狀態(tài)“滅”量化為0，從而實(shí)現(xiàn)本幀視頻圖像的二值化編碼。通過圖像分割等其他圖像處理技術(shù)對目標(biāo)框內(nèi)的圖像進(jìn)行光斑檢測操作，假如目標(biāo)框中檢測到光斑信號，則將所檢測到光斑中心更新為當(dāng)前幀的目標(biāo)框中心;假如目標(biāo)框中未能檢測到光斑信號，則適當(dāng)擴(kuò)大目標(biāo)框的范圍(目標(biāo)框中心位置可以任務(wù)保持不變，主要增大目標(biāo)框的長和寬)，在目標(biāo)框范圍內(nèi)通過幀間圖像跟蹤和匹配算法對目標(biāo)模型進(jìn)行檢測跟蹤，將檢測到的目標(biāo)光斑信號中心更新為當(dāng)前幀的目標(biāo)框中心，依次循環(huán)處理下一幀，得到一長串二進(jìn)制編碼，通過船載PC 機(jī)預(yù)置的字符編碼數(shù)據(jù)庫對此二進(jìn)制編碼進(jìn)行譯碼操作，得到直觀的通信字符，并輸出到計(jì)算機(jī)屏幕上提供給接收方。

整個(gè)燈光通信接收端軟件流程如圖4所示。

圖4 接收端軟件流程圖Fig.4 The software process of ship light receiver

3 試驗(yàn)測試

燈光通信系統(tǒng)試制完成后，在相互距離分別為3，5 n mile 處進(jìn)行了白天和夜晚的通信實(shí)驗(yàn)。每單元試驗(yàn)共進(jìn)行1 000 組報(bào)文收發(fā)，同時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行對比和分析，如表1 與表2所示。

表1 陸地固定試驗(yàn)場地試驗(yàn)Tab.1 The experiment on fixed field

表2 海上移動(dòng)試驗(yàn)場地試驗(yàn)Tab.2 The experiment on sea field

表1 試驗(yàn)是在陸地固定試驗(yàn)場進(jìn)行，分別于白天相隔3 n mile 處及夜晚相隔5 n mile 處進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在能見度比較良好的天氣條件下，誤碼率比較低;當(dāng)能見度不良甚至肉眼都無法識別的情況下，誤碼率就比較高。表2 的試驗(yàn)場地放置于移動(dòng)海上2 艘船之間進(jìn)行，由于艦船的搖擺會(huì)造成接受燈光的強(qiáng)度和方向的變化，誤碼率相對于固定場地來說比較高一些。通過以上試驗(yàn)可以看出，在能見度大于3 n mile 以上時(shí)，本通信系統(tǒng)能夠進(jìn)行有效的燈光通信。

4 結(jié) 語

本燈光通信系統(tǒng)分別在白天(雨天、晴天)、夜晚、能見度不好等天氣條件下都進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，LED通信信號燈可根據(jù)天氣狀況進(jìn)行亮度的調(diào)節(jié)，自動(dòng)接收系統(tǒng)采用圖像分割、電子穩(wěn)像等方法能夠快速有效地識別燈光信號，識別精度高，運(yùn)行安全可靠，操作方便，可控性較好，人機(jī)界面靈活豐富。

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