基于FPGA的激光光束自對準電氣自動化系統設計

唐 明

(西安培華學院，西安 710125)

基于FPGA的激光光束自對準電氣自動化系統設計

唐 明

(西安培華學院，西安 710125)

激光光束技術運用的越來越廣泛，包括光通信技術，激光測距技術，激光瞄準技術等，其中光通信技術范圍最廣；在光通信過程中，需要面對光束發射端與接收端中心對齊的問題，增加了操作的難度；針對光通信激光光束對準難的特點，研究并設計了一套基于FPGA的激光光束對準系統，利用在FPGA芯片上設計軟硬件速度快、穩定可靠、研發周期短等特點；整個系統以FPGA芯片為核心，輔以操作電路、自適應算法；實驗表明, 該系統較好地符合了光束對準的要求。

FPGA；激光對準；自動化

0 引言

隨著經濟的發展，社會的進步和科技的發展，人們的生產生活對通信業務要求越來越多樣化，對信道容量提出更高的要求，光通信技術的出現，極大的改善了通信容量和質量[1-3]，對促進社會的發展提供了強有力的支撐。

近年來，依托現場可編門陣列FPGA(field programmable gate arrays)技術來加大系統運算能力，受到大量研究關注。使用FPGA芯片可以利用其可編寫特點，提高研發速率從而搶占市場先機。使用FPGA及相關技術可以滿足穩定可靠對線路干擾低要求[4-6]。

2013年，劉安良的基于FPGA的無線光通信多路信號同步系統研究[7]；2015年，賈銀杰的基于FPGA的室內可見光通信系統物理層設計與實現[8]。2016年，李宏鑒可見光通信OFDM技術在FPGA上的設計與實現[9]；這些系統的設計說明FPGA技術越來越成熟并廣泛運用到光通信技術領域。

本文提出，以基于FPGA技術來建設一個光通信過程中光束對準自適應的系統。以FPGA為核心，完成光束方向調節，接收端光束的測量和自適應算法。方案通過實驗獲得成功，驗證了基FPGA技術系統的穩定高效性。

1 系統總體框架設計

整個系統的設計分為兩大部分，硬件模塊和軟件模塊。硬件部分是基于光通信光路的基礎上，分為對光路的調節部分和對光束能量的檢測部分。系統的軟件算法是控制光路微調的部分，為了能夠實現系統的自動調節功能，引入了自適應算法，合理的自適應算法可以即快又好的完成任務。

如圖1所示是激光光束在通信之前的校準檢測的工作示意圖。在圖1中，激光器發射的光束首先經過兩個凸透鏡(L1，L2)的擴束后，照射到反射鏡(M1)上，經過反射鏡改變光路路徑，在光路上會存在其它改變光路徑的器件，經過多次路徑改變后的出射光束入射到接收端光探測桶，從而探測光束的能量。

圖1 激光光束校準光路示意圖

為了降低光通信中的噪音，需要接收端的接受的能量最大。接收端將收到的能量數據輸入到FPGA控制器中，控制器通過比較計算能量，從而微調節線路上的光器件，細致地調節光路，使光束盡可能對準且能量盡可能的被接收端接收到。在光器件下面安裝微型調制器，可以調劑器件的位置或者方向，調節方式和調節的光器件受到主控器控制。調節的依據便是收到的能量與目標能量間的誤差值，根據不同的算法，誤差的評定要求不同。

2 系統硬件設計

2.1 光器件微型調節模塊

為了可以較好地調節光學器件，采用SH2034M型號步進電機驅動器加上步進電機作為機械調節部分。控制器的作用是控制步進電機的變加速度，其工作原理為調節控制脈沖的頻率，達到減速時降低脈沖頻率，升速時增高脈沖頻率的目的。通過電壓也可以對電機的正轉反轉控制。采用軟件延時法或者物理定時器定時器法來確定所需脈沖的周期以及幅度：所謂軟件延時法是通過一個延時程序控制脈沖頻率，其具有動態的時延。

圖2是SH2034M型步進電機驅動器內部的接口電路。OPTO指的是輸入信號的公共端，其外部系統的VCC必須接在OPTO端。如果VCC為5 V則能夠直接連接，否則，應選用其他模式方式，例如CP、DIR、FREE等端子外接電阻R，內部所需的8～15 mA的驅動電流得到保證；DIR：電平信號輸入端，通過高低電平用以控制電機正/反轉。為了系統的正常可靠運轉，信號電平變化與CP脈沖下降沿應錯開2.5 μs以上。FREE：低電平有效端，完成脫機控制，一旦此輸入控制端為低電平時，電機則處于脫機自由狀態。CP： 步進脈沖信號的輸入端，下降沿有效，其最高響應頻率設置應不低于200 kHz，并且信號電平穩定時間不得小于2.5 μs，只有這樣才能保證其可以正常工作。

圖2 步進電機驅動器接口電路

圖3顯示的是步進電機的工作方式。選中該步進機的要求是當此片選由高變低時。數據輸入到內部寄存器在時鐘上升沿時段。在第一個時鐘期間，數據輸入口保持高位表示啟動位。緊接著收到兩個控制位，控制步進機的工作方式。內部寄存器清零和輸出停止取決于當片選為高電位時。所以，片選應該在整個工作周期內保持低電平，否則不工作。

圖3 步進電機時序圖

2.2 能量收集模塊

PIN 光檢測器由三部分組成，分別為較高摻雜的P 區,N 區和半導體本征區。如果加上反偏電壓，則其內部會產生耗盡層, 當光子能量大于半導體禁帶寬度的光入射到器件表面時, 將產生電子——空穴對, 其在外加電場的作用下會形成光生電流。雖然PIN光檢測器的工作噪聲極低，但是不可以對信號進行放大。PIN 光檢測器的量子效率可表示為：

η=(1-γ)(1-e-αω)

公式中Γ指的是空氣與器件界面的反射損耗,而α是與光波長有關的光吸收系數, ω代表耗盡區寬度。PIN 光檢測器的響應速度可以達到達納秒量級[3], 其正常工作的工作波長為1.3 μm 和1.5 μm , 廣泛應用于各種光接收機中。而具有光柵結構的光濾波器與PIN 集成的光探測器可用于WDM(波分復用)中的光波長可選擇檢測。

圖4反應了光檢測器的響應速度。光檢測器是否能夠對光能量快速捕捉對控制器下一步對各個光器件的路線控制很重要，如果反應過慢將導致光路調節過程緩慢，光路對準用時過長，不能及時調整系統參數，極大地影響系統效率。因此設置合適的光檢測器響應速度對于系統的精準度具有重要作用。

圖4 光檢測器脈沖響應

3 系統軟件設計

3.1 基于LMS自適應算法

假設在光路上有N個可微調節的器件用來改變光路，微調節器調節在n時刻參數為：x(n)=[x1(n)x2(n) …xN(n)]T，在n時刻檢測到的能量為y(n)，則他們關系：

(1)

式子中ωi為加權系數。n時刻光路的能量輸出值y(n)與當前時刻所有光路器件的參數x1(n)x2(n)…xN(n)有關。將輸出值和期望值進行作差得到誤差值：

ej(n)=dj(n)-yj(n)

(2)

系統的設計目標就是可以自適應的調整系數降低誤差值，使接收端的能量最大。

最小均方算法(LMS)依據均方誤差(MSE)最小化的準則，即將系統的期望輸出值和實際輸出值的均方誤差最小化作為目標調節系統參數。

(3)

LMS算法的代價函數為誤差的均方值函數：

(4)

使代價函數最小得到LMS算法，即：

(5)

其中，α是自適應學習率，經過導數運算得LMS算法。LMS算法系數的更新公式為：

ωi(n+1)=ωi(n)+α·ej(n)·xi(n)

(6)

公式(6)中ωi(n)是第n步迭代的系數矢量，α是迭代的更新步長ej(n)=dj(n)-yj(n)為濾波器輸出與期望信號的誤差函數，設置合適的步長對系統的收斂速率以及精確度有著重要影響。如果步長設置大則可以快速收斂，但是卻會影響精度，相反設置小步長雖然提高了精度但是卻加大了系統的迭代步數。

圖5是關于LMS算法簡單的示意圖。由圖可以看出，該算法將系統測得的值與期望值之間的差值作為重要反饋參數，控制器調節各個光器件的位置或者方向，使誤差值越來越小，直到取到合適的系數值。該算法可以在面對突發情況時自適應調整地調整整個系統各調節器的狀態以使整個系統光路可以始終保持在對準的狀態。引入LMS自適應算法后實現了系統的自動化調節，大大提高了系統的效率與適應性。

圖5 LMS算法示意圖

算法步驟總計以下幾步：

1)首先設置各個微調節器的默認參數；

2)由于各個參數會發生調整變化，為了能夠找到最合適參數，需要在系統啟動工作前，加入訓練序列，該序列可以提前調整各個微調節器的權值參數；

3)FPGA計算系統接收到的能量值和期望值比較，得出誤差；

4)系統將測得的誤差值作為反饋，系統根據反饋值自動調節設置合適的參數。

3.2 算法檢測

為了驗證該算法的可行性與有效性，本文對該算法的收斂情況和能量接受狀態進行了數值仿真計算。 仿真中，使用矩陣數值代表各個調節器的參數，提高運算速率。對各個環節的數據進行監控記錄，特別是各個時刻的誤差。

圖6為仿真環境下，該算法在調節參數過程中直至參數穩定的迭代圖。橫坐標為迭代次數，縱坐標為誤差衡量值。由圖可以看出，隨著迭代次數的不斷增加，系統的誤差值也隨之不斷降低，直到穩定在0.5左右。綜上：LMS在迭代700步后，迭代誤差趨于最小值，算法收斂，收斂后的迭代誤差穩定在0～0.5范圍內；

圖6 算法穩定所用步數

圖7是仿真過程中，接收端能量分布的變化。縱坐標是能量的歸一化。圖7(a)是在開始階段，由于光路為調整時的接收端能量狀況，從中可以看出，能量分布在多個地方，說明能量出現了泄露導致了能量向周圍擴散，降低了接收端對目標位置能量的接受。隨著算法的運行，圖(b)(c)(d)中能量越來越相對集中在一起，說明算法對各個參數的控制符合系統要求。仿真表明，該算法可靠有效。

圖7 接收端能量分布仿真圖

4 實驗結果與分析

4.1 實驗過程

本次實驗是在封閉的空間實驗臺上完成，采用波長為632nm的激光束，光束能量為5nW，傳播距離為8m。光路中共加載了6個可改變光路的調節器件，每個光器件的工作波長范圍均包含了632nm以此保證了每個調節器都是可工作的。實驗過程中，始終保持光束在同一高度，僅僅改變光路在同一水平面的傳播方向，這樣可以在不影響實驗結果的前提下，簡化實驗過程，提高驗證效率。為了保證光能量探測器受到影響最低，實驗過程中，需要主動關閉非必要環境光源，減少光擾動。

本次試驗中，為了方便觀察光束在光路中的受到的影響，在光束發送端，加載了一種螺旋相位，從而可以很容易的發現光路中光束的中心，利于調節。在接收端，可以利用螺旋相位的特點，比較容易的接收到目標光束。

4.2 實驗結果及分析

本節展示實驗的結果。

圖8 實驗效果圖

圖8是實驗過程中，接收端收到的能量分布圖。在實驗剛開始階段，由于系統光路僅僅靠人工肉眼對準，光路效果較差，如圖8第一幅圖，能量分布的非常開，說明光路非常差。在第一行的第二幅圖中，能量分布似乎并沒有好轉，此時系統參數還在調整中，系統未穩定。在接下來的幾幅圖中，可以發現，能量開始集中，說明系統開始朝著接近于目標方向工作，這個過程由圖8可以清楚看出。最后一幅圖是實驗獲得的最佳狀態圖，能量最為集中。

從實驗中，可以得出一個結論：

1)該系統可以完成光路對準功能；光路接收端的能量分布在調整后較為集中，系統具有基本工作能力；

2)系統使用的自適應算法穩定有效，算法可以根據反饋數據提供參數的修改，完成線路光路的微小調節和控制。與人工相比，大大提高了工作效率，節省了科研寶貴時間。

3)實驗過程中，中心能量雖然比較集中，但還夠完美。

4.3 本方案的不足

基于FPGA的激光光束對準系統可以較穩定的完成工作，但依然存在些不足：

1)算法有待完善，系統使用的算法不夠快，有待優化，在自適應算法過程中，存在許多的優秀算法；不同的算法對系統的要求不一樣，側重點也有所不同。當算法過慢后，對系統的靈敏性有潛在的挑戰；

2)實驗獲得能量集中的程度與仿真數據之間存在一定的差距，可以進一步優化；

5 結論

基于FPGA作為控制系統的核心控制芯片，設計實現激光光束中心對準系統，使之高效穩定安全運行，有效減少電能消耗。經過對系統實驗分析，本系統達到了較好的效果，其運行穩定，達到了目標要求。引入了LMS算法可以在面對突發情況時自適應調整地調整整個系統各調節器的狀態以使整個系統光路可以始終保持在對準的狀態。實現了系統的自動化調節，大大提高了系統的效率與適應性。

[1]陳 特，劉 璐，胡薇薇.可見光通信 [J].中興通訊技術，2013,19(1):49-52.

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[3] 金 鵬，喻春雨，周奇峰，等.LED在道路照明中的光效優勢[J].光學精密工程，2011,19(1):51-55.

[4] 劉明波，顧夏華，周琳琦.(2011)基于FPGA的遠程溫濕度監測系統設計與實現[J].計算機測量與控制，19(11):2619-1622.

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[6] 程素娥.(2010) 基于FPGA的智能壓力傳感器系統[J]. 監測與儀表， 37(8):53-55.

[7] 劉安良.基于FPGA的無線光通信多路信號同步系統研究[D].大連：大連理工大學， 2013.

[8] 賈銀杰.基于FPGA的室內可見光通信系統物理層設計與實現[D].北京：北京郵電大學， 2015.

[9] 李宏鑒.可見光通信OFDM技術在FPGA上的設計與實現[D].北京：北方工業大學，2016.

Design of Laser Beam Alignment Automation System Based on FPGA

Tang Ming

(Xian PeiHua University, Xi’an 710125,China)

Laser beam technology is used more and more widely, including optical communication technology, laser ranging technology, laser aiming technology, etc. the optical communication technology is the most widely used. In the process of optical communication, it is necessary to face the problem of the alignment between the transmitter and the receiver. Optical communication based on laser beam alignment difficult characteristics, research and design a set of laser beam alignment system based on FPGA, the design of hardware and software in the FPGA chip, high speed, stable and reliable, the characteristics of the short development cycle. The whole system takes FPGA chip as the core, supplemented by operating circuit and adaptive algorithm. The experimental results show that the system meets the requirements of beam alignment.

FPGA; laser alignment; automation

2017-02-13；

2017-03-07。

陜西省高等教育教學改革研究項目(15BY122)。

唐 明(1982-)，男，江蘇泰興人，講師，主要從事嵌入式開發、人工智能方向的研究

1671-4598(2017)05-0240-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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