談激光通信系統(tǒng)光斑采集處理算法

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摘要：為了有效地捕獲激光通信過程中的光信號，研究了一種基于FPGA的高速光斑采集系統(tǒng)。系統(tǒng)由高速攝像機和高速采集模塊構(gòu)成，采用中值濾波對圖像抑噪，并通過加權(quán)平均算法識別光斑位置。實驗測試結(jié)果顯示，本系統(tǒng)能夠提高系統(tǒng)的圖像獲取能力。

關(guān)鍵詞：激光通信；光斑采集；調(diào)制設(shè)置；脈沖調(diào)制

隨著科學(xué)的發(fā)展和航天事業(yè)的迅速發(fā)展，對激光技術(shù)研究已成為一個熱門話題。激光通信技術(shù)可以實現(xiàn)遠距離、準確、快速的信息傳輸，抗干擾性也很強。在激光通信技術(shù)的研究中，快速捕獲、精確跟蹤、精確瞄準等方向是激光通信領(lǐng)域的重要一環(huán)。目前，數(shù)字圖像處理通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，為現(xiàn)代激光圖像通信處理技術(shù)的科學(xué)研究應(yīng)用提供了更多的便利。采用數(shù)字圖像處理激光技術(shù)可以實現(xiàn)在激光射頻通信中物體光斑圖像識別與定位檢測的技術(shù)研究，已經(jīng)發(fā)展成為提取光斑識別目標物體位置相關(guān)信息的一項關(guān)鍵技術(shù)。各個學(xué)術(shù)研究合作單位都積極開展了電子光斑反射位置成像信息分析檢測的基礎(chǔ)研究。查閱相關(guān)文獻，國外許多研究技術(shù)機構(gòu)已經(jīng)采用FPGA技術(shù)實現(xiàn)了一個較高幀頻的高速圖像信號處理控制系統(tǒng)。在國內(nèi)對多點光斑灰度檢測的模擬算法主要包括：自動化閾值處理模擬算法，圓心擬合的中心節(jié)點定位處理算法，基于小波的多點光斑灰度去噪處理算法，單點光斑灰度值算法等。這些實驗方法都認為是在高度仿真好的環(huán)境下可以進行長期實驗分析研究的，其實際上在應(yīng)用中的效果并不明確。目前，已實際投入應(yīng)用的技術(shù)研究中，相關(guān)研究人員提出了通過采用中值粒子幀頻濾波算法可以實現(xiàn)了對640×480分辨率底片圖像的24Hz幀頻的幀率檢測；相關(guān)文獻同時提出采用幀頻中值粒子濾波的算法可以實現(xiàn)了對1024×1024分辨率底片圖像的幀頻檢測，并同時實現(xiàn)了25Hz幀頻時的響應(yīng)；相關(guān)文獻同時提出了通過采用三鄰域幀頻計數(shù)法可以實現(xiàn)對320×256圖像的83Hz的幀頻處理。根據(jù)前期的市場調(diào)研，目前的彩色激光圖像通信處理技術(shù)對激光圖像通訊處理的幀頻速度要求在1000～3000Hz范圍，研制出高幀頻快速響應(yīng)的彩色光斑衍射圖像通訊處理系統(tǒng)，能夠滿足目前激光圖像通信的幀頻要求，有效地提高激光通訊系統(tǒng)的通信性能。因此，本文建立了一個高度現(xiàn)實的FPGA圖像處理系統(tǒng)，可以在高速圖像領(lǐng)域有效地識別和探測目標。該系統(tǒng)能準確實現(xiàn)10000Hz的預(yù)處理和256×256圖像分辨率的點位檢測。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計

傳統(tǒng)的光探測系統(tǒng)主要以計算機為核心來輸出處理。在以計算機作為核心的情況下，通過圖像采集卡接收攝像機的圖像信息，然后，將其傳輸至計算機，完成光斑中心位置的計算。當要處理的圖像的幀速率太高時，高速圖像處理需要非常高的計算機硬件，使得設(shè)計成本提高。同時，傳統(tǒng)方法也使用FPGA+DSP進行圖像處理系統(tǒng)設(shè)計。盡管這種方法使用FPGA來實現(xiàn)高速圖像采集，但是，由于DSP單線程操作的局限性，圖像處理速度仍然不太高。為進一步提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理控制能力，本文設(shè)計了一種需要采用一個FPGA硬核的高速數(shù)字圖像信號采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。由于FPGA系統(tǒng)硬核是一個高端化FPGA中的一種內(nèi)部運算資源，它通常在保證高端FPGA的快速數(shù)據(jù)處理運算能力的同時，進行卷積、除法等復(fù)雜公式運算。采用了FPGA內(nèi)部多核設(shè)計出的數(shù)據(jù)運算處理控制系統(tǒng)，能夠極大地提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的運算處理速度。所需要設(shè)計的相關(guān)硬件集成電路及原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中主要設(shè)備包括微計算機、FPGA芯片和視頻攝像機。

2光斑中心計算

系統(tǒng)中光斑位置的定位是通過探測圖像目標來實現(xiàn)的。目前，通常使用的目標定位方法有：單圖像檢測方法和序列圖像檢測方法。序列圖像檢測方法需基于多個幀進行操作才能輸出一個結(jié)果，不適合高幀率的系統(tǒng)設(shè)計。因此，本文使用單幅圖像檢測技術(shù)，首先，是初步處理；然后，是計算目標的中心位置。其工作原理如圖2所示。在處理中，它必須首先經(jīng)過中值濾波和形態(tài)學(xué)開放運算預(yù)處理，然后，計算目標點的質(zhì)心和形心；最后，通過融合輸出結(jié)果。

3實驗結(jié)果及分析

實驗系統(tǒng)由激光器、準直光管、兩組快速反射鏡、快速反射鏡控制器、高速CMOS攝像機、實時圖像處理系統(tǒng)和上位機組成。除計算機外，所有其他部件和設(shè)備都位于氣浮平臺上。激光發(fā)射到850nm的范圍內(nèi)，經(jīng)光管準直，依次入射到第一和第二快反射鏡上。所用攝像機為Mc-3082型CMOS攝像機，它的調(diào)整分辨率為256×256，幀率為10000Hz，曝光時間為0.09ms。功能是在兩次反射后接收光信號，并將數(shù)字圖像信號引入實時處理系統(tǒng)。實時處理系統(tǒng)完成從中心位置提取圖像和光斑，然后，將圖像信號和目標位置信息傳輸?shù)接嬎銠C上顯示和存儲。主控制計算機使用Amax，是一個小工作站。在靜態(tài)環(huán)境下，采集光斑圖像并計算光斑位置。再將計算結(jié)果和設(shè)定好的光斑位置值做差來獲得脫靶量?？梢钥闯?，在沒有干擾的原始靜態(tài)條件下，系統(tǒng)誤差為0.034像素，是比較小的。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)10000Hz幀頻的圖像光斑探測。

4結(jié)語

本文研究了激光通信過程中光斑的捕獲方式，設(shè)計了一種基于FPGA的高速光斑采集系統(tǒng)。研究了中值濾波對圖像的優(yōu)化方法，設(shè)計了加權(quán)平均算法識別光斑位置。結(jié)果證明，本系統(tǒng)能夠準確地獲取激光光斑數(shù)據(jù)。

參考文獻:

[1]陳運錦，馮瑩，魏立安等．光斑質(zhì)心亞像素定位誤差的實驗研究[J].光電工程,2010(2),80-84.

作者：徐高魁 王曉艷 單位：昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院