基于FPGA的CCD光軸檢測系統研究與實驗

母一寧，宋路

（長春理工大學 理學院，長春 130022；長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022）

瞄準捕獲跟蹤（APT）是空間激光通信系統的重要組成部分，而入射光軸的探測精度跟蹤帶寬將直接決定對準精度［1］。本文研究了一種基于FPGA的 CCD光軸檢測系統，主要包括CCD時序驅動、數據采集和CCD光軸檢測算法等，最后給出這種以CCD為代表的陣列光軸檢測系統的檢測精度與檢測模型分析。

1 光軸檢測系統的電學結構

光軸檢測系統的硬件結構分為三個部分，分別是CCD成像驅動、光軸檢測處理和外設接口，系統組成框圖見圖1。

圖1 CCD成像及圖像處理框圖

1.1 CCD驅動成像單元

圖2 CCD驅動脈沖波形圖

該單元包括CCD圖像傳感器、FPGA器件和MCU控制器。FPGA用于CCD成像和圖像數據流預處理，主要是產生CCD水平和垂直驅動時序，驅動AFE采集CCD輸出信號，接收AFE的串行數據并完成數據解碼、對齊和打包。FPGA的工作參數由MCU進行設定。CCD成像單元設計有串行接口，可以通過串行接口去調整相機的曝光時間，輸出增益，輸出幀頻，暗電平灰度值等參數。

1.2 光軸檢測與處理單元

本單元FPGA用于圖像后續處理，主要完成圖像binning、光軸檢測、串口指令解析、串口數據輸出、PAL模擬視頻輸出、數字視頻輸出的功能。光軸檢測單元是整個系統的核心，所有光軸定位的跟蹤算法都在該FPGA中實現。為了保證坐標數據的實時性，FPGA內部制作了一個RS232接口控制器，可通過該串口選擇光軸檢測算法，實時獲得光軸信息。FPGA將獲得的光斑位置用十字絲圖案疊加在原始圖像中送出到圖像輸出接口。

1.3 外設接口單元

外設接口有CCD模擬視頻輸出接口、CCD數字輸出接口，在PGA產生的行同步、場同步等控制信號作用下，視頻DA將二維的數字圖像信號進行空間編碼，轉換成為一維的模擬全視頻電視信號，通過TV監視器顯示。CCD數字輸出的是經計算的CCD光軸的脫靶量數據，這些數據將通過串口送到后續APT控制器中，去調整二維轉臺的工作狀態。

2 基于FPGA的CCD成像驅動

CCD采用ICX285AL傳感器，該傳感器采用SONY公司EXviewHAD CCD技術，具有高的探測靈敏度和動態范圍，基于該傳感器開發的相機的DR可以達到65dB以上，能夠適應惡劣的自然環境。CCD 分辨率 1024×1040，幀頻 25Hz，采用 14位RS-644（LVDS）輸出，具有2組串口（TTL/LVDS）和兩組外觸發（TTL/LVDS）模式，工作參數可通過串口進行全面控制，相機接口協議簡單，用戶使用方便。ICX285AL CCD成像驅動信號包括水平和垂直同步信號、刷新信號和四相位驅動脈沖信號，其中驅動時鐘包括：水平驅動時序時鐘4個（2組H1和H2），垂直驅動時序時鐘V1，V2A，V2B，V3，V4。圖2為利用FPGA設計的CCD相機驅動時序波形圖。

3 空間激光光軸檢測模型

3.1 大氣信道約束

激光在空間信道中傳輸受環境影響較大，特別是大氣湍流的影響。大氣湍流是大氣中局部溫度、壓強的隨機變化而帶來的折射率隨機變化的現象，大氣的速度、溫度、折射率的統計特性服從“2/3次方定律”［2，3］，即

式中，Dn分別代表速度、溫度和折射率場的結構函數，r為觀察點之間的距離，C2n為相應場的結構函數，l0為漩渦內尺度，L0為漩渦外尺度。大氣湍流引起光強閃爍效應服從對數正態分布，其表達式為：

其中,I0表示光強均值，σx表示閃爍指數（光信號的對數振幅標準偏差）。

大氣湍流是影響CCD跟蹤精度的主要因素。圖3為傳輸距離13.6km大氣條件下接收到的激光光斑形狀圖。

圖3 13.6km接收到的激光光斑形狀

從圖3中可以看出，大氣湍流使得接收端光電探測器上出現光斑破碎、閃爍及功率起伏現象，即影響光軸檢測精度引入信道干擾誤差。

3.2 CCD光軸檢測模型

當采用面陣CCD進行光軸實時檢測時，通常應用多像素細分技術。其中最為典型的多像素細分方法是質心擬合方法，其細分擬合表達式為：

式中，F(x,y)是位置(x,y)處圖像的灰度值，x,y分別為像元的橫、縱坐標。

在整個光軸檢測系統中，像面的光電檢測器件直接影響整個系統的固有分辨率，其中最小的光電成像單元直接決定光軸檢測系統的固有分辨力，即最小成像的直徑dA（一般與艾里斑尺寸相關）與光學系統的焦距 f直接確定了整個光軸檢測系統的固有精度Δ：

可見理想情況下，整個檢測系統的精度是由兩部分組成，第一部分是整個系統的固有分辨精度Δ，第二部分是系統的檢測細分精度σ，其理想情況下的光軸檢測精度θ最終表達式為：

對于CCD檢測系統來說，通常采用多像素細分手段實現光軸檢測，所以由質心計算公式可知，該系統的擬合精度和CCD的像元尺寸直接相關，進而導致整個檢測系統的細分精度σ不僅和大氣環境相關，而且還會被CCD像元尺寸dr這一個條件所約束，所以CCD檢測系統的可控性較強，其CCD系統的分辨率θCCD為：

可見由于CCD像元尺寸dr這一個條件一般很小，所以這種陣列式系統受大氣信道影響不是非常敏感［4-7］。

4 試驗及結論

4.1 測試平臺

需求觀測距離L=10km，基臺尺寸大致為0.2m，為了能夠分辨出目標，要求光學系統最小分辨力為ΔL=0.1m，則系統最小分辨角為：

CCD像元尺寸為6.5μm，則系統焦距為：

以550nm的綠光作為分辨基準，系統最小的衍射極限口徑為60mm，從工程角度可取系統口徑D=65mm，這時系統相對孔徑為1∶10。由于觀測距離遠，系統焦距長，為減小筒長，光學系統采用后補償式卡式系統，系統口徑D=65mm，焦距f=650mm。

4.2 實驗結果與分析

圖4為制作的CCD相機實物圖，該相機與上述光學系統相互配合，理論分辨率可達到10μrad。在大氣環境中，如何才能讓系統達到上述的理論值，這與系統跟蹤帶寬直接相關。因為只有系統的跟蹤帶寬超過湍流的擾動帶寬后，望遠系統的對準能力才會得到充分的發揮。

圖4 CCD相機實物圖

圖5為CCD相機監測大氣信道對激光傳輸影響的試驗圖。試驗環境：傳輸距離1km、信標光波長800nm、天氣條件為薄霧、小雨和晴天三種情況。圖中顯示了CCD相機在不同天氣情況下光軸變化曲線，說明大氣信道環境對激光傳輸產生的光斑閃爍及抖動現象，并且抖動中大范圍抖動帶寬只有2Hz左右（小雨情況）。

圖5 不同天氣條件CCD接收光軸測試曲線

圖6為配合二維跟蹤轉臺測試時，跟蹤帶寬對比曲線。

圖6 位置傳感器輸出與CCD檢測曲線比較圖

圖6中上圖是伺服軸角旋轉變壓器給出的實時位置信息，下圖是CCD的隨動光軸檢測數據，橫坐標單位為時間，縱坐標為CCD采集的光功率值，像素值可根據像元尺寸和焦距換算角度值，可見該系統的整體跟蹤帶寬可達到2.5Hz左右［8-10］。將CCD光軸檢測系統應用于空間激光通信APT系統的試驗中，由于其跟蹤帶寬大于湍流大范圍抖動帶寬，所以其10μrad的理論檢測精度可以被充分發揮出來。圖7為安裝在光學基臺上的效果圖，圖8為傳輸距離3.7km實際跟蹤效果，圖9為伺服控制示意流程圖，圖10伺服控制器硬件結構框架示意圖。

圖7 安裝在光學基臺上的相機

圖8 跟蹤測試

圖9 伺服控制示意流程圖

圖10 伺服控制器硬件結構框架示意圖

5 結論

通過CCD圖像處理系統的仿真和野外試驗，可以得到如下結論：

（1）利用FPGA技術實現CCD成像驅動和光軸位置檢測，具有較強實時性，可以輕松完成近百兆每秒的數據處理，可以為高速伺服控制系統服務。

（2）由公式（7）可知，以CCD為代表的陣列式光軸檢測系統，其檢測精度不僅與光斑尺寸、系統焦距相關，而且還與像元尺寸直接相關。因為CCD探測器的像元尺寸通常很小，可以從公式（7）的數學表達式上得出，其固有分辨精度較高。在進行光軸檢測時無需過多依賴像元細分，而大氣信道對光軸檢測的影響主要體現在像元細分誤差上，所以這種光軸檢測系統對大氣干擾的敏感程度較低。

（3）不同環境下的大氣信道對光軸檢測精度影響較大，如何對信道干擾加以抑制將成為未來發展的一種重要方向。

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