無(wú)線光通信中信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了無(wú)線光通信中信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法,解決現(xiàn)有光斑質(zhì)心定位算法的定位穩(wěn)定性不高且易在中強(qiáng)湍流下容易造成檢測(cè)目標(biāo)丟失的問(wèn)題。該系統(tǒng)包括接收天線、萬(wàn)向架、CCD傳感器、圖像處理器和運(yùn)動(dòng)控制器；信標(biāo)光光源經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射，由位于萬(wàn)向架前端的接收天線接收，萬(wàn)向架后端連接有CCD傳感器，CCD傳感器與圖像處理器、運(yùn)動(dòng)控制器依次相連；接收天線用于接收經(jīng)大氣傳輸?shù)男艠?biāo)光，其采用300mm焦距的全不銹鋼材質(zhì)的平行光管。
【專利說(shuō)明】無(wú)線光通信中信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光通信領(lǐng)域，具體涉及無(wú)線光通信中信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位系統(tǒng)及其實(shí) 現(xiàn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 空間光通信因具有通信容量大、數(shù)據(jù)傳輸率高、收發(fā)系統(tǒng)體積小、重量輕、能耗低、 信號(hào)保密性能與抗干擾性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)大容量通信的最佳解決方案之一。而在 無(wú)線激光通信鏈路建立與維持的過(guò)程中，信標(biāo)光的檢測(cè)和定位發(fā)揮著非常重要的作用，采 用CCD/CMOS相機(jī)作為信標(biāo)光探測(cè)器的激光通信APT系統(tǒng)將受到信標(biāo)識(shí)別定位速度及精度 的影響。
[0003] 光斑定位算法一般為雙二次曲面擬合法、高斯曲面擬合法、形心法和質(zhì)心定位法。 由于受通信粗跟蹤子系統(tǒng)中圖像實(shí)時(shí)處理、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和執(zhí)行部件延遲等因素影響，雙 二次曲面擬合法和高斯曲面擬合法定位精度高，但其算法復(fù)雜，計(jì)算量很大，難以滿足光斑 圖像實(shí)時(shí)處理的要求?？紤]到信標(biāo)光斑閃爍，形狀不規(guī)則，經(jīng)常發(fā)生破碎現(xiàn)象，引入灰度的 質(zhì)心法比較穩(wěn)定，其定位精度優(yōu)于形心法，而計(jì)算量并沒(méi)有顯著增加。因此，現(xiàn)有無(wú)線激光 通信系統(tǒng)一般采用質(zhì)心定位算法，但由于接收的激光光斑已經(jīng)發(fā)生畸變，對(duì)比度低，邊緣模 糊，經(jīng)常出現(xiàn)閃爍、散斑現(xiàn)象，同時(shí)光斑形狀、尺寸不斷變化，會(huì)使檢測(cè)結(jié)果存在較大誤差， 特別在較強(qiáng)湍流下，通過(guò)圖像傳感器抑制光強(qiáng)的起伏很容易導(dǎo)致目標(biāo)質(zhì)心檢測(cè)失敗（有目 標(biāo)存在，但系統(tǒng)認(rèn)為是干擾）。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出了無(wú)線光通信中信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法，其目的是為 了解決現(xiàn)有光斑質(zhì)心定位算法的定位穩(wěn)定性不高且易在中強(qiáng)湍流下容易造成檢測(cè)目標(biāo)丟 失的問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0006] 無(wú)線光通信中信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位系統(tǒng)，其特征在于，包括接收天線、萬(wàn)向架、CCD 傳感器、圖像處理器和運(yùn)動(dòng)控制器；信標(biāo)光光源經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射，由位于萬(wàn)向架前端的接收 天線接收，萬(wàn)向架后端連接有CCD傳感器，CCD傳感器與圖像處理器、運(yùn)動(dòng)控制器依次相連；
[0007] 接收天線用于接收經(jīng)大氣傳輸?shù)男艠?biāo)光，其采用300mm焦距的全不銹鋼材質(zhì)的平 行光管；
[0008] 萬(wàn)向架用于調(diào)整信標(biāo)光接收端的對(duì)準(zhǔn)方向，保證信標(biāo)光有效的入射在光接收傳感 器的視場(chǎng)上；萬(wàn)向架為帶有X軸和Y軸的二軸轉(zhuǎn)臺(tái)，X軸和Y軸均配有二相混合式直流步進(jìn) 電機(jī)，所述萬(wàn)向架在X軸上可進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，Y軸上可進(jìn)行0-80度旋轉(zhuǎn)；所述萬(wàn)向架還帶 有手輪調(diào)整機(jī)構(gòu)；
[0009] C⑶傳感器用于接收入射信標(biāo)光的圖像；圖像處理器用于對(duì)C⑶傳感器接收的圖 像進(jìn)行處理，完成信標(biāo)光光斑質(zhì)心的定位；運(yùn)動(dòng)控制器用于調(diào)整信標(biāo)光接收端的對(duì)準(zhǔn)方向， 使接收端天線實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)信標(biāo)光發(fā)射端。
[0010] 無(wú)線光通信中信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位 方法如下所示：
[0011] 1)信標(biāo)光圖像的處理；當(dāng)目標(biāo)處于接收端CCD視場(chǎng)內(nèi)時(shí)，在圖像處理器中進(jìn)行信 標(biāo)光圖像的處理，計(jì)算出當(dāng)前幀圖像的閾值F;
[0012] 2)信標(biāo)光光斑質(zhì)心預(yù)提取，獲取當(dāng)前幀質(zhì)心（x(k)，y(k));若目標(biāo)區(qū)域?yàn)椋∟，N)， 則光斑質(zhì)心位置為：

【權(quán)利要求】
1. 無(wú)線光通信中信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位系統(tǒng)，其特征在于，包括接收天線、萬(wàn)向架、CCD 傳感器、圖像處理器和運(yùn)動(dòng)控制器；信標(biāo)光光源經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射，由位于萬(wàn)向架前端的接收 天線接收，萬(wàn)向架后端連接有CCD傳感器，CCD傳感器與圖像處理器、運(yùn)動(dòng)控制器依次相連； 接收天線用于接收經(jīng)大氣傳輸?shù)男艠?biāo)光，其采用300_焦距的全不銹鋼材質(zhì)的平行光 管； 萬(wàn)向架用于調(diào)整信標(biāo)光接收端的對(duì)準(zhǔn)方向，保證信標(biāo)光有效的入射在CCD傳感器的視 場(chǎng)上；萬(wàn)向架為帶有X軸和Y軸的二軸轉(zhuǎn)臺(tái)，X軸和Y軸均配有二相混合式直流步進(jìn)電機(jī)， 所述萬(wàn)向架在X軸上可進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，Y軸上可進(jìn)行0-80度旋轉(zhuǎn)；所述萬(wàn)向架還帶有手 輪調(diào)整機(jī)構(gòu)； CCD傳感器用于接收入射信標(biāo)光的圖像；圖像處理器用于對(duì)CCD傳感器接收的圖像進(jìn) 行處理，完成信標(biāo)光光斑質(zhì)心的定位；運(yùn)動(dòng)控制器用于調(diào)整信標(biāo)光接收端的對(duì)準(zhǔn)方向，使接 收端天線實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)信標(biāo)光發(fā)射端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線光通信中信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位系統(tǒng)，其特征在于，CCD傳 感器采用黑白面陣CXD，有效像素?cái)?shù)為752X582，感光面積為1/3英寸，采樣頻率25幀/秒， 具有強(qiáng)光抑制功能，自動(dòng)增益自定義，視場(chǎng)16mrad(水平方向）X12mrad(俯仰方向）。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線光通信中信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位系統(tǒng)，其特征在于，圖像 處理器采用TIC6000系列DSP。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線光通信中信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位系統(tǒng)，其特征在于，運(yùn)動(dòng) 控制器以TIC2000系列DSP為核心構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制板，同時(shí)配備DMD402A型細(xì)分電機(jī)驅(qū)動(dòng)器， 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的亞微弧度級(jí)調(diào)整。
5. 無(wú)線光通信中信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位方 法如下所示： 1) 信標(biāo)光圖像的處理；當(dāng)目標(biāo)處于接收端CCD視場(chǎng)內(nèi)時(shí)，在圖像處理器中進(jìn)行信標(biāo)光 圖像的處理，計(jì)算出當(dāng)前幀圖像的閾值F; 2) 信標(biāo)光光斑質(zhì)心預(yù)提取，獲取當(dāng)前幀質(zhì)心（x(k)，y(k));若目標(biāo)區(qū)域?yàn)椋∟，N)，則光 斑質(zhì)心位置為：
其中xi;j和yi;j分別為目標(biāo)區(qū)域中像元（i,j)的橫縱坐標(biāo)，f(i,j)為像元（i,j)的灰 度值； 3) :光斑質(zhì)心濾波穩(wěn)定處理；按照上述步驟可以求得當(dāng)前幀的光斑坐標(biāo)實(shí)際值和前一 幀光斑坐標(biāo)實(shí)際值，由于光斑在視場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可分解為X和y軸的運(yùn)動(dòng)，且存在速度信息； 考慮到進(jìn)行光斑質(zhì)心預(yù)測(cè)時(shí)，各信息需要使用向量表示： X(k)'，y(k) '分別表示k時(shí)刻在X、Y軸上的速度；
Ik時(shí)刻的狀態(tài)向量，其包含光斑位置及速度信息；
為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣
為觀測(cè)矩陣
為系統(tǒng)噪聲，W(k)eN(0，Q(k))，Q(k)為系統(tǒng)噪聲方差；
為觀測(cè)噪聲，V(k)eN(0，R(k))，R(k)為觀測(cè)噪聲方差； 則可得到該濾波預(yù)測(cè)算法的狀態(tài)方程和量測(cè)方程，如下：
4) 根據(jù)上一幀的預(yù)測(cè)值，求出當(dāng)前幀預(yù)測(cè)初步值為：μ-1) = /1(幻i(A-l) 5) 求出誤差協(xié)方差預(yù)測(cè)方程： P(kIk-1) =A(k)P(k-1)A(k)T+Q(k-1) 6) 求出預(yù)測(cè)濾波增益 H(k) =A(k)P(kIk-1)C(k)T[C(k)P(kIk-1)C(k)T+R(k)] 7) 修正預(yù)測(cè)值及誤差協(xié)方差矩陣 X{k) =X{k\k-\) +H{k)[Y(k)-C{k)A{k)X(k-\)'\ P(k) =P(kIk-1) [l-H(k)C(k)] 8) 當(dāng)信標(biāo)光目標(biāo)存在于接收端視場(chǎng)內(nèi)時(shí)，則將修正后的}作為實(shí)際質(zhì)心坐標(biāo)輸出； 而當(dāng)強(qiáng)大氣湍流導(dǎo)致光強(qiáng)起伏嚴(yán)重時(shí)，致使接收端的信標(biāo)光起伏嚴(yán)重，甚至使目標(biāo)提取失 敗時(shí)，可采用μ作為實(shí)際質(zhì)心坐標(biāo)輸出。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的無(wú)線光通信中信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于， 在步驟1)信標(biāo)光圖像的處理前，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器控制萬(wàn)向架在一定的視場(chǎng)內(nèi)掃描完成調(diào) 整信標(biāo)光接收天線指向信標(biāo)發(fā)射端，確定初始調(diào)整的運(yùn)動(dòng)掃描方式并計(jì)算掃描步長(zhǎng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的無(wú)線光通信中信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于， 掃描步長(zhǎng)取接收端光學(xué)天線視場(chǎng)的4/5,即 步長(zhǎng)a= 0.8* ((XD視場(chǎng)的最小值/平行光管焦距）=20. 32μrad，取整數(shù)值并加1， 步長(zhǎng)a取21μrad。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的無(wú)線光通信中信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于， 在步驟1)信標(biāo)光圖像的處理前，通過(guò)手動(dòng)方式完成調(diào)整信標(biāo)光接收天線指向信標(biāo)發(fā)射端。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的無(wú)線光通信中信標(biāo)光光斑穩(wěn)定定位實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于， 信標(biāo)光圖像處理采用中值加權(quán)濾波處理后，再采用自適應(yīng)閾值分割法進(jìn)行圖像二值化處 理，并計(jì)算出當(dāng)前幀圖像的閾值F。
【文檔編號(hào)】H04B10/11GK104467960SQ201410819578
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月25日
【發(fā)明者】肖永軍, 丁幺明, 李紀(jì)平, 熊曾剛, 易青松, 黃永林, 馬洪華 申請(qǐng)人:湖北工程學(xué)院