激光通信系統中光斑采集處理算法研究

徐高魁，王曉艷

（1.昆明鐵道職業技術學院；2.西南林業大學，云南 昆明 650224）

隨著科學的發展和航天事業的迅速發展，對激光技術研究已成為一個熱門話題。激光通信技術可以實現遠距離、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域的重要一環。

目前，數字圖像處理通訊技術的迅速發展，為現代激光圖像通信處理技術的科學研究應用提供了更多的便利。采用數字圖像處理激光技術可以實現在激光射頻通信中物體光斑圖像識別與定位檢測的技術研究，已經發展成為提取光斑識別目標物體位置相關信息的一項關鍵技術。各個學術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研究。查閱相關文獻，國外許多研究技術機構已經采用FPGA 技術實現了一個較高幀頻的高速圖像信號處理控制系統。在國內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境下可以進行長期實驗分析研究的，其實際上在應用中的效果并不明確。目前，已實際投入應用的技術研究中，相關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了對640×480 分辨率底片圖像的24Hz 幀頻的幀率檢測；相關文獻同時提出采用幀頻中值粒子濾波的算法可以實現了對1024×1024 分辨率底片圖像的幀頻檢測，并同時實現了25Hz 幀頻時的響應；相關文獻同時提出了通過采用三鄰域幀頻計數法可以實現對320×256 圖像的83Hz 的幀頻處理。根據前期的市場調研，目前的彩色激光圖像通信處理技術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的彩色光斑衍射圖像通訊處理系統，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的通信性能。因此，本文建立了一個高度現實的FPGA 圖像處理系統，可以在高速圖像領域有效地識別和探測目標。該系統能準確實現10000Hz 的預處理和256×256 圖像分辨率的點位檢測。

1 系統硬件設計

傳統的光探測系統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，使得設計成本提高。同時，傳統方法也使用FPGA+DSP 進行圖像處理系統設計。盡管這種方法使用FPGA 來實現高速圖像采集，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。

為進一步提高系統數據處理控制能力，本文設計了一種需要采用一個FPGA 硬核的高速數字圖像信號采集和數據處理系統。由于FPGA 系統硬核是一個高端化FPGA 中的一種內部運算資源，它通常在保證高端FPGA 的快速數據處理運算能力的同時，進行卷積、除法等復雜公式運算。采用了FPGA 內部多核設計出的數據運算處理控制系統，能夠極大地提高系統數據庫的運算處理速度。所需要設計的相關硬件集成電路及原理結構如圖1 所示。圖中主要設備包括微計算機、FPGA 芯片和視頻攝像機。

圖1 系統結構圖

2 光斑中心計算

系統中光斑位置的定位是通過探測圖像目標來實現的。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果，不適合高幀率的系統設計。因此，本文使用單幅圖像檢測技術，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，它必須首先經過中值濾波和形態學開放運算預處理，然后，計算目標點的質心和形心；最后，通過融合輸出結果。

圖2 光斑中心計算流程圖

3 實驗結果及分析

實驗系統由激光器、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、實時圖像處理系統和上位機組成。除計算機外，所有其他部件和設備都位于氣浮平臺上。激光發射到850nm 的范圍內，經光管準直，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，并將數字圖像信號引入實時處理系統。實時處理系統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到計算機上顯示和存儲。主控制計算機使用Amax，是一個小工作站。

在靜態環境下，采集光斑圖像并計算光斑位置。再將計算結果和設定好的光斑位置值做差來獲得脫靶量。可以看出，在沒有干擾的原始靜態條件下，系統誤差為0.034 像素，是比較小的。該系統可以實現10000Hz 幀頻的圖像光斑探測。

4 結語

本文研究了激光通信過程中光斑的捕獲方式，設計了一種基于FPGA 的高速光斑采集系統。研究了中值濾波對圖像的優化方法，設計了加權平均算法識別光斑位置。結果證明，本系統能夠準確地獲取激光光斑數據。