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。本文設計了基于FPGA的CCD圖像采集處理器，可以實現單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點，是實現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，既能成像實現可見光觀靶，又可以實現信標光的光斑檢測，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框圖如圖1所示。

系統具體工作原理如下。

首先由FPGA器件作為本系統的核心單元，負責時序信號的產生、數據的轉換以及數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轉換器件變成數字信號，并完成數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（TTL/LVDS）模式，工作參數可通過串口進行控制，接口協議簡單，用戶使用方便。利用其將光學系統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據進行存儲。經由FIFO緩存過的圖片數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點，是實現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，既能成像實現可見光觀靶，又可以實現信標光的光斑檢測，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框圖如圖1所示。

系統具體工作原理如下。

首先由FPGA器件作為本系統的核心單元，負責時序信號的產生、數據的轉換以及數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轉換器件變成數字信號，并完成數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（TTL/LVDS）模式，工作參數可通過串口進行控制，接口協議簡單，用戶使用方便。利用其將光學系統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據進行存儲。經由FIFO緩存過的圖片數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。

3 實驗與結果

首先通過regionprops函數找出與所求區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確定一個正多邊形。使該正多邊形具有一個相當大的邊數，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，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控制，實現對激光光斑的精確跟蹤。實現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.