大氣激光通信載波光信號接收過程中光斑檢測技術(shù)研究*

徐培玲，王 玉

(1.山西經(jīng)濟管理干部學(xué)院電子信息系，山西 太原 030024；2.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

隨著我國經(jīng)濟水平的增長，我國人民的生活環(huán)境日益改善。人民生活水平提升的同時，通信技術(shù)[1]也在逐步可靠發(fā)展。早于1960 年，美國學(xué)者就研制出用于通信的人造衛(wèi)星，為無線通信技術(shù)奠定了堅實的基礎(chǔ)。無線光通信技術(shù)主要是依據(jù)大氣承載信息開展通信，但是激光在向大氣傳達信息時，會受到大氣湍流的影響增加大氣激光通信光信號接收信息中的光斑，從而降低通信的質(zhì)量，因此需要在大氣激光通信[2]光信號接收時，開展必要的光斑檢測，從而提升大氣激光通信的質(zhì)量。

文獻[3]提出基于位置敏感半導(dǎo)體光電器件的同步輻射光斑位置檢測。該方法首先依據(jù)光斑檢測要求，對光電探測器開展優(yōu)化設(shè)計；再基于優(yōu)化后的二維光電位置探測器確定光斑位置；最后通過激光光斑尺寸算法完成激光光斑尺寸的確定，實現(xiàn)激光的光斑檢測。

文獻[4]提出一種水下激光通信系統(tǒng)的光斑檢測算法。該方法首先對光斑圖像實施去霧操作，增強圖像中光斑與背景的對比度；再使用高斯濾波算法對圖像進行去噪處理，基于圖像二值化結(jié)果，提取激光光斑；最后依據(jù)灰度中心算法對光斑開展檢測，完成光斑的中心計算。

文獻[5]提出復(fù)雜背景下的激光光斑中心檢測算法。該方法依據(jù)雙邊濾波算法對光斑邊緣實施增強處理；再依據(jù)改進的梯度模板，縮減光斑邊緣的斷裂現(xiàn)象，引入形態(tài)學(xué)理論，去除光斑圖像背景；最后通過橢圓擬合方法實現(xiàn)光斑的中心點檢測。

由于上述方法沒有對提取到的光斑形狀實施修正處理，導(dǎo)致上述方法在開展激光光斑檢測時，存在檢測時間長、檢測效果差的問題。

為解決上述光斑檢測方法中出現(xiàn)的問題，提出大氣激光通信載波光信號接收過程中光斑檢測技術(shù)。

1 光斑圖像處理

1.1 大氣激光通信光信號圖像轉(zhuǎn)換

由于大氣中通信環(huán)境復(fù)雜，使用的接收信號器通常為半導(dǎo)體激光器，因此需要使用A/D 轉(zhuǎn)換器，將大氣通信載波光信號接收信息轉(zhuǎn)換成信號圖像，直觀地表現(xiàn)出光信號中存在的光斑。再使用高斯濾波算法對采集的原始光斑圖像進行去噪處理。

信號在圖像轉(zhuǎn)換過程中，選取光波導(dǎo)A/D 轉(zhuǎn)換器作為信號轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器機型。該轉(zhuǎn)換器核心為Mach-Zehnde 調(diào)制器陣列，主要由推挽驅(qū)動式信號電機以及直流電機組合而成。其中，信號電極負責(zé)信號電壓的模擬調(diào)制，直流電極負責(zé)消除調(diào)制器的相位不平衡。

轉(zhuǎn)換器在設(shè)計時，需要依據(jù)光信號的光效應(yīng)，獲取調(diào)制器的相位差，通過直流電極消除相位差，完成調(diào)制器的上下臂合成，輸出光信號的光強，從而生成激光通信光信號的信息圖像，如下式所示:

式中:信號調(diào)制時產(chǎn)生的靜態(tài)相位差描述為ηn，外加電壓產(chǎn)生的相位差標記為ζn，余弦函數(shù)標記為cos，光信號光強值標記為Gn，消除因子標記為γ。最后通過上述計算結(jié)果獲取大氣激光通信光信號的光強值，生成光信號的信息圖像。

圖像生成后，使用高斯濾波方法濾除圖像表面噪聲。高斯濾波方法是引入加權(quán)因子的圖像均值濾波算法，使用該方法開展圖像去噪時，圖像的去噪效果柔和，圖像邊緣清晰。

設(shè)定原始光斑圖像的像素為(m，n)，像素方差為ε2，以此完成原始光斑圖像的高斯濾波去噪處理，結(jié)果如下式所示:

式中:δ表示濾波器尺寸參數(shù)，光斑原始圖像的圖像去噪結(jié)果標記為H(m，n)，光斑中心至像素點之間的距離標記為m、n。

1.2 圖像增強

為了保證轉(zhuǎn)換后圖像中光斑可以最大范圍地增強，根據(jù)Retinex 原理將去噪后的光斑圖像分成照度圖像與反射圖像兩個部分。考慮到激光通信光信號反射通常比反射圖像更暗，因此，在增強照度圖像的基礎(chǔ)上，利用Sigmoid 函數(shù)對反射圖像實施運算，使照明差異均勻，實現(xiàn)最大范圍的圖像增強，為光斑檢測奠定基礎(chǔ)。

綜合上述分析，將采集的光斑圖像描述為式(3):

式中:采集的光斑原始圖像用A(m，n)表述，反射圖像描述成E(m，n)形式，照度圖像用K(m，n)描述。

1.2.1 照度圖像增強方法

采用雙邊濾波方法對原始光斑圖像照度實施估計處理，設(shè)定光斑圖像像素集合為Ψ，圖像的濾波輸出結(jié)果如下式所示:

式中:光斑原始圖像的濾波輸出結(jié)果標記為Va，高斯函數(shù)分別描述成為f、g，圖像中像素點o的亮度值標記為Uo，a點亮度值標記為Ua，標準化因子描述成為J(A)。

基于上述計算結(jié)果可知，原始光斑圖像中，計算像素點a的亮度值時會受到相鄰像素的影響，從而降低圖像的照度計算效率，因此需要結(jié)合灰度分層方法[6]提高圖像的照度計算效率，具體流程如下:

①使用三維網(wǎng)格描述光斑圖像的二維灰度圖像，一維、二維網(wǎng)格與圖像像素位置對應(yīng)，三維網(wǎng)格對應(yīng)圖像亮度。

②建立固定閾值，對三維網(wǎng)格進行初始化處理，結(jié)果如下式所示:

式中:網(wǎng)格固定閾值標記為Φ(om，on，r)，網(wǎng)格維度與像素對應(yīng)結(jié)果標記為(om，on)，亮度值標記為r。

③基于上述計算結(jié)果對網(wǎng)格展開高斯濾波處理，結(jié)果如下式所示:

式中:高斯的三維圖像函數(shù)標記為Gαa，αr，光斑圖像的空域向量用αa表述，亮度向量描述成αr，濾波處理結(jié)果表述成V[Φ](om，on，r)。

④最后將圖像的濾波處理結(jié)果放入網(wǎng)格中，完成光斑圖像的照度估計計算。

光斑圖像完成照度估計后，使用直方圖截取方法對光斑照度圖像直方圖兩端開展截取處理，將剩余圖像像素壓縮至[0，1]范圍內(nèi)，依據(jù)Gamma 算法對其展開校正處理，通過校正處理結(jié)果完成最終照度圖像的計算，結(jié)果如下式所示:

式中:光斑圖像的原始像素值標記為i，圖像照度標記為n(i)，校正函數(shù)用β表述。

1.2.2 反射圖像增強方法

光斑照度圖像增強后，為了保證整體光斑圖像的增強效果，對反射圖像進行增強。建立圖像對數(shù)域，將光斑原始圖像以及照度圖像放入其中開展做差運算，可以直接獲取光斑圖像的反射圖像，再使用Sigmoid 函數(shù)對反射圖像實施運算，即可完成反射圖像的增強處理[7]，過程如下式所示:

式中:增強結(jié)果用s(r)表述，增強系數(shù)用w表述。

2 光斑檢測方法

2.1 閾值分割

圖像完成增強后，激光光斑圖像[8]中背景灰度值低，光斑灰度值高，因此可采用閾值分割方法對激光光斑實施粗提取處理，將激光光斑從圖像背景中分離出來。

常用圖像閾值設(shè)定方法通常有固定閾值以及自適應(yīng)閾值兩種。固定閾值主要依據(jù)實驗標定獲取圖像的單一閾值實現(xiàn)圖像的處理，但是圖像的實驗條件與實際條件之間偏差較大；自適應(yīng)閾值主要依據(jù)圖像灰度值的分布狀態(tài)開展圖像的閾值計算，靈活性較強。因此在激光光斑圖像閾值分割時，選取自適應(yīng)閾值完成激光光斑圖像的閾值分割。

依據(jù)激光光斑圖像灰度值分布特點，使用統(tǒng)計分布方法建立激光光斑圖像的自適應(yīng)閾值模型，過程如下式所示:

式中:建立的圖像自適應(yīng)閾值模型用y表述，光斑圖像的閾值計算結(jié)果描述成C，常數(shù)標記為l，激光光斑圖像的平均灰度用Qavg表述，灰度均方誤差用?表述。

依據(jù)上述計算結(jié)果，假定激光光斑圖像尺寸為p×q，以此計算激光光斑圖像的平均灰度以及灰度均方誤差，結(jié)果如下式所示:

式中:激光光斑圖像像素點(i，j)的灰度值標記為R(i，j)。

最后基于上述計算結(jié)果，完成圖像的閾值分割，實現(xiàn)激光光斑圖像的光斑提取。

2.2 圖像幾何糾正方法

依據(jù)提取的光斑可知，激光光軸與靶面之間存在夾角，因此采集的激光光斑圖像不是激光光斑的正射圖像，所以在開展光斑檢測時，需要選取相關(guān)方法對提取的光斑展開幾何變換糾正[9]。過程如圖1所示。

圖1 激光光斑圖像幾何糾正流程

依據(jù)圖1 可知，光斑在幾何校正時，需要從空白陣列出發(fā)，通過對圖像像元位置進行計算，完成光斑的過重采樣，從而構(gòu)建出激光正射光斑。

設(shè)定提取的原始激光光斑為z(m，n)，糾正后激光光斑為z(M，N)，以此計算二者之間的變換關(guān)系，過程如下式所示:

式中:光斑坐標的二元多項式用Fm、Fn表述，光斑像元的原始坐標用(m，n)表述，糾正后的光斑位置用(M，N)表述。

光斑校正后，選取激光光斑相鄰像素點作為十字絲標記的已知點，結(jié)合最小二乘法完成光斑坐標的多項式求解。因為光斑校正前后的像元位置變化，會導(dǎo)致圖像的灰度變化，因此還需要采用雙線內(nèi)插算法對光斑投影點灰度展開計算，獲取幾何修正后的激光光斑圖像。

2.3 光斑中心檢測

激光光斑幾何糾正后，直接對獲取的正射光斑開展檢測并計算光斑中心位置。

使用Hough 變換算法[10-11]將圖像從空間域變換至參數(shù)空間中，通過光斑的極值點檢測，確定光斑曲線參數(shù)，完成光斑的規(guī)則抽取。

設(shè)定激光光斑的圓周點集合為{(pi，qi)｜i＝1，2，…，x}，參數(shù)位置標記為(s，t，r)，以此建立光斑圓周極坐標方程，過程如下式所示:

式中:光斑圓周極坐標方程用(s，t，r2)表示，光斑的余弦夾角用cosφ描述，而正弦夾角則表述成sinφ形式。

依據(jù)上述計算結(jié)果檢測光斑邊緣，設(shè)定參數(shù)λ和r為像素的量化間隔，獲取光斑圖像與光斑邊緣之間的距離，以此計算光斑的中心位置，完成激光光斑的檢測，過程如下式所示:

式中:激光光斑與邊緣之間的距離標記為d，光斑中心位置標記為g(m，n)zx，激光光斑影像的實際形變量用θ表述。

3 實驗

3.1 實驗準備

為了驗證上述激光光斑檢測方法的整體有效性，需要對整個實驗進行搭建與調(diào)試。實驗使用星特朗Nexstar8SE 望遠鏡作為收發(fā)天線，2 臺MV-300UC 型號CCD 工業(yè)相機作為前端捕獲相機，2 臺EM-200CM型號CCD 工業(yè)相機作為后端跟蹤相機，此外還需要PC 機以及室外供電設(shè)備，實驗系統(tǒng)搭建如圖2 所示。

圖2 實驗搭建示意圖

3.2 實驗結(jié)果及分析

分別采用大氣激光通信載波光信號接收過程中光斑檢測技術(shù)(所提方法)、基于位置敏感半導(dǎo)體光電器件的同步輻射光斑位置檢測(文獻[3]方法)、復(fù)雜背景下的激光光斑中心檢測算法(文獻[5]方法)展開測試；

在測試激光光斑檢測方法時，激光光斑檢測方法的檢測性能是測試光斑檢測方法優(yōu)劣的關(guān)鍵。采用所提方法、文獻[3]方法以及文獻[5]方法展開激光光斑檢測過程中，選取光斑圓心偏差率、檢測時間以及光斑檢測效果作為激光光斑檢測的測試指標，以此檢測上述3 種光斑檢測方法的檢測性能。

①光斑圓心偏差率測試

激光光斑在檢測時，激光光斑中心位置定位是檢測過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。選取激光光斑圓心偏差率為測試指標，以此測試所提方法、文獻[3]方法以及文獻[5]方法的光斑中心定位情況。設(shè)定激光光斑圓心偏差率為ρ，計算過程如下式所示:

式中:激光光斑實際圓心與檢測圓心之間的偏差距離標為記l0，光斑實際半徑描述成R。

根據(jù)上述計算結(jié)果可知，激光光斑在檢測過程中，計算出的激光光斑中心偏差率越高，說明激光光斑檢測方法的檢測性能越差，激光光斑中心偏差率越小，說明激光光斑檢測方法的檢測性能越好。

為精確反映檢測方法的檢測精度，隨機生成100 張人工激光光斑圖像，其中50 張為無噪聲干擾圖像，另外50 張?zhí)砑釉肼暩蓴_，分別對不同數(shù)量的樣本圓進行檢測，光斑中心偏差率越低，說明該方法檢測結(jié)果具有更好的精度。3 種激光光斑檢測方法的光斑中心偏差率測試結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 無噪聲情況下不同檢測方法的中心偏差率測試結(jié)果

圖4 噪聲干擾下不同方法的中心偏差率測試結(jié)果

分析圖3 可知，隨著樣本圓數(shù)量的增加，3 種光斑檢測方法檢測出的圓心偏差率均出現(xiàn)不同程度的增大趨勢。但是，所提方法測試出的激光光斑圓心偏差率是3 種光斑檢測方法中最低的，由此可說明所提方法在激光光斑檢測時，定位精度高。

分析圖4 可知，與無噪聲圖像對比，噪聲干擾下激光光斑中心偏差率測試結(jié)果要高于無噪聲環(huán)境的激光光斑偏差率測試結(jié)果。但是，所提方法在噪聲干擾下測試出的激光光斑圓心偏差率依舊是3 種方法中最低的，證明所提方法在開展激光光斑檢測時，不易受到噪聲干擾。

②執(zhí)行時間測試

在開展激光光斑圖像檢測時，執(zhí)行時間的長短同樣是測試檢測方法檢測性能的關(guān)鍵。采用所提方法、文獻[3]方法以及文獻[5]方法開展激光光斑檢測時，對上述3 種方法的執(zhí)行時間展開測試。測試方法為分別對不同尺寸的圖像進行檢測，檢測耗費的時間越少，表示該方法的檢測效率越高。測試結(jié)果如表1 所示。

表1 不同方法的檢測時間測試結(jié)果

分析表1 可知，隨著圖像尺寸的增加，3 種激光光斑檢測方法的執(zhí)行時間都呈現(xiàn)出不同程度的上升趨勢。其中，所提方法檢測出的光斑檢測時間是3種方法中最低的，這主要是因為所提方法在激光光斑檢測時，采用閾值分割方法對激光光斑開展提取處理，因此所提方法在激光光斑檢測時，檢測時間低于其他兩種方法，說明該方法的檢測效率更高。

③檢測效果對比

基于上述測試結(jié)果，對所提方法、文獻[3]方法以及文獻[5]方法的光斑檢測效果進行測試，以原始圖像作為標準，檢測到的光斑形狀越接近原始圖像，表示該方法的檢測效果越好。為了直觀地對比不同方法光斑形狀的效果，在輸出實驗結(jié)果時將不同方法的光斑檢測范圍用框線進行描述，檢測出的光斑中心用黑色實心原點進行描述。測試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同方法的光斑檢測效果

分析圖5 可知，所提方法在開展激光光斑圖像檢測時，檢測出的激光光斑中心以及光斑形狀均與光斑實際中心、形狀相一致，其主要原因是所提方法利用Retinex 原理增強去噪后的光斑圖像，并從中提取和修正了光斑形狀，在此基礎(chǔ)上基于光斑曲線參數(shù)計算激光光斑變形值，優(yōu)化了光斑中心檢測結(jié)果。而文獻[3]方法以及文獻[5]方法的檢測結(jié)果與實際結(jié)果之間存在較大偏差。由此可證明，所提方法在激光光斑檢測時，檢測方法具備有效性。

4 結(jié)束語

由于激光通信過程中，接收的信息中會存在大量光斑，對大氣通信產(chǎn)生的影響巨大，因此對激光通信中載波光信號接收過程的激光光斑開展檢測就變得尤為重要。針對傳統(tǒng)激光光斑檢測方法中存在的問題，提出大氣激光通信載波光信號接收過程中光斑檢測技術(shù)。該方法通過激光光斑圖像的增強結(jié)果，提取圖像中的光斑形狀；再采用Hough 變換算法完成激光光斑的中心定位，實現(xiàn)光斑的檢測。由于圖像在去噪過程中存在問題，因此需要針對該項問題繼續(xù)對該方法進行優(yōu)化處理。