5.2 km距離無線激光通信跟蹤實驗

， ，，

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，西安 710048)

0 引言

無線激光通信中捕獲、對準和跟蹤(acquisition，pointing and tracking，APT)系統已被廣泛應用于許多工業、軍事和商業中。在無線激光通信系統中，APT技術是成功建立并持續保持通信鏈路的關鍵[1-2]。因此，研究無線激光通信系統中的APT技術意義重大。APT技術是一種光-機-電一體化的技術，其主要任務就是自動、有效、快速的建立激光通信鏈路，并且維持通信鏈路的長久、持續以及穩定。APT系統由捕獲機構、精跟蹤機構、光學機構、探測器以及伺服控制機構組成。

在實際的激光通信系統設計中，通常APT系統需要將捕獲階段的探測單元設計為大視場，跟蹤階段的伺服控制單元設計為高帶寬、高精度。目前，相關研究機構通常使用的策略是將工作過程劃分成粗跟蹤和精跟蹤兩個階段。粗跟蹤部分一般采用較大視場角的探測設備，負責對入射激光信標光進行捕獲，進而引入精跟蹤視場，對出射光束進行低精度指向。精跟蹤部分的工作則是在粗跟蹤部分工作完成之后，其任務是進一步減小系統的跟蹤殘差，縮小光束的抖動范圍。

2005年，艾勇等[3]在APT技術方面完成脫離計算機下的獨立DSP板控制復合軸伺服系統，并完成空間目標自動掃描搜索與跟蹤試驗，跟蹤精度可達到1 μrad，跟蹤帶寬可達200 Hz。2010年，佟首峰等[4]針對四象限探測器的特點，使用兩級增益放大、數字信號處理(digital signal processing，DSP)振鏡，完成光斑實時檢測與跟蹤，跟蹤精度為2.1 μrad。2016年，董冉等[5]為了解決自由空間光通信對APT系統的高精度高帶寬要求，設計研制了一種精跟蹤系統。該系統以高幀頻CMOS(complementary metal oxide semiconductor)相機為探測機構，以音圈電機驅動的FSM(fast steering mirror)為執行機構，由計算機進行控制和運算。進行了通信距離為2 km的激光通信實驗，結果表明，粗、精跟蹤系統聯合能將光斑偏移量的標準差穩定在6 μrad以內。2016年，趙馨等[6]對APT系統的組成原理、系統設計、工程實現進行了研究。在此基礎上開展室內模擬實驗及野外演示驗證實驗，室內模擬實驗跟蹤精度達到2～3 μrad，野外雙端動態演示實驗在飛艇與船舶間進行，跟蹤精度可達5～25 μrad。

本文研制了一種基于PC機的精跟蹤系統，實現對遠場光斑地實時跟蹤，采用有效的數字式控制器來對系統進行調節控制，通過相關的圖像處理技術來抑制噪聲的干擾。最后，采用該系統進行了5.2 km的光斑跟蹤實驗，并對實驗結果進行了分析。

1 跟蹤系統硬件結構

空間光通信APT跟蹤結構如圖1所示，硬件結構可分為探測單元、控制單元、執行單元、輔助通信單元4個部分。探測單元采用的是維視圖像公司的MV-EM200型CCD相機，其最大分辨率為1 600×1 200，有效像素為200萬，像素尺寸為2.2 μm×2.2 μm，幀頻最高可達10幀/秒，該工業相機具有高分辨率、高清晰度、色彩還原好、低噪聲等優點。控制單元為兩臺PC機，控制單元是整個精跟蹤系統的大腦，調節、控制著整個系統的工作運轉。一般采用快速傾斜鏡或者伺服電機作為系統執行單元，由于本系統在整體設計上需要用執行單元帶動光學系統進行俯仰方向和方位方向上的偏轉，故選用伺服電機作為系統的執行單元。本系統執行單元采用的是高精度二維瞄準云臺，其機械擺角在方位方向為±360度，俯仰方向為±60度，角度分辨率為0.001度。輔助通信單元的作用就是將一端采集到的誤差數據通過射頻通信的方式傳輸給另一端，以實現系統的閉環跟蹤控制，輔助通信單元采用的是正點原子公司的ATK-SIM800C射頻通信模塊。

激光束從發射端經發射天線發射出去，聚焦在接收端的標靶上。由CCD探測接收圖像，根據事先設計好的光斑檢測算法，進行光斑檢測，提取誤差信號，將誤差信號通過射頻通信單元反饋給控制單元，驅動二維云臺進行調整，如此反復循環，以使光斑圖像始終保持在CCD視場的特定區域內，達到跟蹤對準的目的。

圖1 光斑跟蹤實驗系統

2 數字式控制器設計

在本系統中，伺服控制系統主要包括有中樞控制計算機、數字式控制器、伺服驅動機構、反饋控制機構以及伺服電機等部分。本系統中使用的伺服電動機是永磁式交流伺服電機。編碼器在裝配上與伺服電機的轉軸同軸連接，用于實時地檢測伺服電機的轉動位置。精跟蹤探測器用來探測光束的傳輸方向，進而得到系統的反饋誤差信號，對系統進行閉環控制。

伺服控制系統通常要具備高精度、高穩定性、快速響應的特點，但要滿足這些要求，一般又不能面面俱到。一般應根據具體情況，進行有效地補償、校正以及調節，使整個伺服系統具備優良的動、靜態特性。目前在這方面，采用數字控制的方法是最常見的，同時該方法也相對比較成熟、完善。因此，在本系統中通過數字式控制器來對伺服電機在方位方向和俯仰方向上的轉動進行調節、控制，以使轉臺伺服系統在運轉上擁有較好的精確度、可靠性以及穩定性。

數字式控制器的本質是數學算法，是將伺服電機的控制算法通過計算機語言編寫進控制軟件中，進而通過操作控制軟件來達到對伺服電機精確、穩定控制的目的。目前在伺服電機控制中，大多采用的是PID算法作為系統的數字式控制器。PID算法控制有著計算簡單、調整方便的優點，也因此一直被各個研究機構廣泛應用著。當被控對象結構、性能、參數等不明確，或者數學模型的表達式不能確定時，此時通過PID控制技術來確定系統控制器的結構與參數最為方便。

在本系統中，為了實現無靜差，在前向通路設置積分環節。由于系統輸入的高頻噪聲較大，且系統跟蹤的光束漂移變化速率較慢，故在控制器中不引入微分環節。系統最終選擇PI算法作為數字式控制器對伺服電機的控制進行調。

計算機是一種采樣控制系統，系統根據采樣時刻輸入與給定之間的差值進行控制。故將模擬PI算法進行離散化設計[7]，離散化公式如下：

(1)

式中，T為采樣周期，Kp為比例系數，Ti為積分時間常數。

通過計算機進行數字式控制器設計時，還需要進行數據輸入、輸出及計算的工作，這些步驟都需要損耗一定時間，這樣就會造成控制算法的控制作用出現延遲的問題。因此，必須對傳統PI算法進行改進。本數字式控制器采用變速積分算法對系統的控制進行優化。

設置一個系數f[e(k)]，它是e(k)的一個函數，該函數的表達式如公式(2)所示：

B≤|e(k)|

|e(k)|>A+B

(2)

式中，A、B是偏差e(k)的上界和下界。

每次采樣后將f[e(k)]和e(k)相乘。

原積分項:

(3)

變速積分的積分項：

(4)

變速積分PI算法相比于標準PI算法，有著諸多優點。具體如下：

1)完全消除了積分飽和現象；

2)大大減小了超調量；

3)適應能力強；

4)參數整定容易，對于A、B兩參數的取值不用太精確，可進行一次性確定。

當系統頻繁的進行控制時很有有可能會引起系統振蕩，為了克服由于控制動作過于頻繁而帶來的系統振蕩，在保證信號光路暢通，接收信號強度滿足探測要求的情況下，系統允許一定的穩態誤差e(k)，當e(k)很小時，可以不采取控制措施。如此，就可以克服執行單元動作過于頻繁而產生的磨損。引入非線性環節F(k)，令其輸出為：

|e(k)|≤C

(5)

其中:C為死區閾值。

3 光斑圖像處理

在無線激光通信中，由于受到大氣湍流與平臺振動的干擾，在無抗干擾措施的情況下，光束無法持續對準接收端天線，這就使得通信鏈路無法維持長時間的暢通，也就是通信鏈路很容易發生中斷。為了保證通信鏈路的始終不會因為各種干擾而發生中斷，跟蹤系統探測單元必須要能夠實時、精確的確定目標光斑的位置信息，進而獲取到該目標光斑的偏差數據，然后通過控制單元與執行單元對這個偏差進行消除。因此，目標光斑位置的精確探測是無線激光通信具有可靠性、穩定性的基礎。由于CCD相機采集到的原始光斑圖像受到大氣湍流、環境噪聲等的影響，使得圖像質量非常不理想，嚴重影響到整個的跟蹤系統跟蹤精度的提高，所以必須對采集到的原始光斑圖像進行處理。

在本系統中，先要對采集到的光斑圖像進行直方圖均衡化處理，然后通過一種改進的中值濾波算法來抑制圖像噪聲，再通過自適應閾值分割處理將圖像中所有像素分割為光斑和背景兩部分。針對二值化后的圖像，還需要進一步進行光斑的外邊緣提取，本系統采用經典的Canny邊緣檢測算法來對所采集的光斑圖像進行邊緣提取，然后對提取的光斑的外邊緣進行標準圓擬合，從而得到一個標準的圓形光斑邊緣，最后對該圓形光斑邊緣進行區域填充的形態學運算。

所謂直方圖均衡化處理就是將原始圖像直方圖的灰度中較集中的灰度區域轉變為能在全部灰度范圍分布的技術。實際上就是將圖像通過非線性拉伸，然后重新將圖像像素值進行分配，目的就是使特定灰度區域的像素數量基本一致。直方圖均衡化就是經過一種灰度值映射關系將原始圖像轉化為每個灰度級都存在基本一致的像素數的輸出圖像。通過均衡化處理過后的圖像，像素級別要盡可能的多，且每個灰度級盡量均勻分布。因此，處理后的圖像會擁有很強的對比度以及較大的動態范圍

中值濾波是為了減小圖像中加性噪聲的影響，提高圖像的質量。對于本系統來說，CCD相機采集到的原始光斑圖像，光照引起的散斑和CCD相機的內部隨機噪聲是檢測系統噪聲的主要來源。此外，為了滿足檢測系統的實時性，算法必須具有很快的處理速度。噪聲濾除實際上是低通濾波的過程，即不讓高頻的噪聲信號通過。需要注意的是，由于圖像細節部分與噪聲一樣，也處在信號的高頻部分，所以濾波算法會模糊圖像的細節部分。一個較好的去噪方法，要在保證圖像細節不變模糊的前提下，來盡量消除噪聲對圖像的影響。因此，圖像處理過程中選擇中值濾波算法。

中值濾波本質上是一種統計排序濾波器[9]。對于一個n×n方形窗口的中值濾波器，一次排序就需要n2(n2-1)/2次比較運算。要處理本系統中的圖像，所需時間很長。因此，本文采用一種優化的中值濾波方案，不僅大大提高了其運算速度，而且易于軟件的實現。

本系統中選用濾波窗口的大小為3×3。具體方法是：求出窗口中各列像素灰度值的中值，之后將中間一行的中值作為計算結果，如圖2所示。

圖2 改進的中值濾波

圖像閾值分割在圖像處理方面應用的比較廣泛，同樣也是一種比較成熟的技術，由于圖像中的目標區域和其背景在灰度值上差異很大，于是將圖像看作是兩種不同灰度級的區域的拼接，即分為目標區域和背景區域，為圖像選擇一個合適的閾值，然后分別出圖像中每個像素對應的是目標區域還是背景區域，最終生成一個相應的二值圖像。

閾值分割的目的是把圖像中所有像素劃分為兩部分—光斑和背景[10-11]。這里采用的是迭代法選擇閾值的方法。具體實現步驟如下：

1)掃描圖像，計算出最大、最小灰度，并計算出兩者的平均值作為初始閾值T。

2)利用閾值T將圖像分為兩個區域R1,R2。

3)對區域R1,R2中的所有像素計算平均灰度值u1，u2。

5)重復步驟 2～4，直到逐次迭代所得的T值與上次計算的T值相同為止。

得到閾值T后，再進行二值化處理，二值化閾值變換的函數表達式如下：

x≥T

(6)

其中:x為原始灰度值，T為之前用迭代法求出的閾值。

本系統采用Canny邊緣檢測算法來對所采集的光斑圖像進行邊緣提取，Canny邊緣檢測算法在計算過程中其最終的目的是確定數字圖像灰度值變化的梯度最大量，提取到光斑的邊緣后，得到一個非規則的圓，圓擬合算法根據最小二乘原理用圓來逼近激光光斑輪廓，可以計算出標準圓的圓心和半徑。從而得到一個標準的圓形光斑邊緣，最后對該圓形光斑邊緣進行區域填充的形態學運算，從而從目標光斑中提取對表達和描繪區域形狀有意義的圖像。

圖3為原始圖像進行圖像處理的過程。

4 光斑跟蹤實驗

本次實驗的測試日期為2017年12月5日下午6時至2017年12月6日上午6時(晴朗微風，輔助通信信號良好)。實驗場地如圖4所示，發送端位于渭河南河堤路，接收端位于渭河北河堤路，兩端直線距離約為5.2 km。

在渭河北河堤路的實驗接收端放置實驗標靶；在標靶前方放置CCD相機對標靶上光斑目標進行檢測。圖5為實驗方案，為了消除背景光對CCD相機的干擾，相機鏡頭前放置一濾光片，由于本實驗激光束波長為650 nm，故使用650 nm的帶通濾光片。

圖4 實驗場地

圖5 光斑跟蹤實驗

圖6 方位方向光斑跟蹤曲線

本次精跟蹤實驗設定的跟蹤閾值為30 mm，對應于發送端的調整步長為5.4 μrad。實驗所測光斑數據如圖6和圖8所示，圖6為方位方向光斑位置的飄移情況，在實驗的12小時內光斑共有23次飄出閾值，跟蹤系統對其進行了23次調整，每次調整之后均能回到零點位置，其中在方位方向的正向上有18次飄出閾值，在負向上有5次飄出閾值。在整個跟蹤過程中，光斑飄移的整體趨勢可以分成3個階段，第一個階段是實驗的前8.5小時，在這個階段，光斑飄移的整體趨勢為方位方向正向，且有18次飄出閾值，其中分別在實驗的1時、4時以及6.5時光斑存在負向的飄移，這是因為實驗期間，存在雜散光及調試系統時人為抖動的影響，第二個階段是8.5時至9.5時，這個階段光斑先向方位方向正向飄移至10 mm左右，然后開始向方位方向負向飄移，大概在9.5時飄移至方位方向負向閾值處，第三個階段是9.5～12時，在這個階段，光斑飄移的整體趨勢為方位方向負向，有5次飄出閾值。圖7是對所采集的數據進行處理后的結果，在整個跟蹤過程中誤差均值為6.5239 mm，光斑抖動的標準差為14.3531 mm。圖8為俯仰方向光斑位置的飄移情況，在實驗的12小時內光斑共有14次飄出閾值，跟蹤系統對其進行了14次調整，每次調整之后均能回到零點位置，并且光斑飄移的整體趨勢為俯仰方向正向。圖9是對所采集的數據進行處理后的結果，在整個跟蹤過程中誤差均值為14.3078 mm，光斑抖動的標準差為6.5477 mm。

圖7 方位方向光斑位置誤差統計

圖8 俯仰方向光斑跟蹤曲線

圖9 俯仰方向光斑位置誤差統計

5 結論

APT系統一直是空間光通信系統能否取得成功的關鍵，本文設計了一套光斑跟蹤系統，用于對遠場光斑進行實時跟蹤，系統根據自身硬件設備和所處的實驗環境的特點采用改進的PI算法作為數字式控制器來進行調節控制，并通過改進的中值濾波算法來抑制跟蹤過程中噪聲的干擾，再通過閾值分割、邊緣檢測、標準圓擬合以及區域填充等處理得到一個比較理想的目標光斑。最后在野外進行了5.2 km的光斑跟蹤實驗，并對實驗結果進行了分析。結果表明，該系統可以有效的對湍流大氣中的光斑進行跟蹤，系統跟蹤精度可達5.4 μrad，符合空間激光通信系統對跟蹤系統的的要求。此研究為大氣激光通信APT系統的對準與跟蹤提供了可靠的檢測依據。