激光通信系统中光斑采集处理算法研究

2021-03-11徐高魁王晓艳

中国设备工程 2021年3期

徐高魁，王晓艳

（1.昆明铁道职业技术学院；2.西南林业大学，云南昆明 650224）

随着科学的发展和航天事业的迅速发展，对激光技术研究已成为一个热门话题。激光通信技术可以实现远距离、准确、快速的信息传输，抗干扰性也很强。在激光通信技术的研究中，快速捕获、精确跟踪、精确瞄准等方向是激光通信领域的重要一环。

目前，数字图像处理通讯技术的迅速发展，为现代激光图像通信处理技术的科学研究应用提供了更多的便利。采用数字图像处理激光技术可以实现在激光射频通信中物体光斑图像识别与定位检测的技术研究，已经发展成为提取光斑识别目标物体位置相关信息的一项关键技术。各个学术研究合作单位都积极开展了电子光斑反射位置成像信息分析检测的基础研究。查阅相关文献，国外许多研究技术机构已经采用FPGA 技术实现了一个较高帧频的高速图像信号处理控制系统。在国内对多点光斑灰度检测的模拟算法主要包括：自动化阈值处理模拟算法，圆心拟合的中心节点定位处理算法，基于小波的多点光斑灰度去噪处理算法，单点光斑灰度值算法等。这些实验方法都认为是在高度仿真好的环境下可以进行长期实验分析研究的，其实际上在应用中的效果并不明确。目前，已实际投入应用的技术研究中，相关研究人员提出了通过采用中值粒子帧频滤波算法可以实现了对640×480 分辨率底片图像的24Hz 帧频的帧率检测；相关文献同时提出采用帧频中值粒子滤波的算法可以实现了对1024×1024 分辨率底片图像的帧频检测，并同时实现了25Hz 帧频时的响应；相关文献同时提出了通过采用三邻域帧频计数法可以实现对320×256 图像的83Hz 的帧频处理。根据前期的市场调研，目前的彩色激光图像通信处理技术对激光图像通讯处理的帧频速度要求在1000 ～3000Hz 范围，研制出高帧频快速响应的彩色光斑衍射图像通讯处理系统，能够满足目前激光图像通信的帧频要求，有效地提高激光通讯系统的通信性能。因此，本文建立了一个高度现实的FPGA 图像处理系统，可以在高速图像领域有效地识别和探测目标。该系统能准确实现10000Hz 的预处理和256×256 图像分辨率的点位检测。

1 系统硬件设计

传统的光探测系统主要以计算机为核心来输出处理。在以计算机作为核心的情况下，通过图像采集卡接收摄像机的图像信息，然后，将其传输至计算机，完成光斑中心位置的计算。当要处理的图像的帧速率太高时，高速图像处理需要非常高的计算机硬件，使得设计成本提高。同时，传统方法也使用FPGA+DSP 进行图像处理系统设计。尽管这种方法使用FPGA 来实现高速图像采集，但是，由于DSP 单线程操作的局限性，图像处理速度仍然不太高。

为进一步提高系统数据处理控制能力，本文设计了一种需要采用一个FPGA 硬核的高速数字图像信号采集和数据处理系统。由于FPGA 系统硬核是一个高端化FPGA 中的一种内部运算资源，它通常在保证高端FPGA 的快速数据处理运算能力的同时，进行卷积、除法等复杂公式运算。采用了FPGA 内部多核设计出的数据运算处理控制系统，能够极大地提高系统数据库的运算处理速度。所需要设计的相关硬件集成电路及原理结构如图1 所示。图中主要设备包括微计算机、FPGA 芯片和视频摄像机。

图1 系统结构图

2 光斑中心计算

系统中光斑位置的定位是通过探测图像目标来实现的。目前，通常使用的目标定位方法有：单图像检测方法和序列图像检测方法。序列图像检测方法需基于多个帧进行操作才能输出一个结果，不适合高帧率的系统设计。因此，本文使用单幅图像检测技术，首先，是初步处理；然后，是计算目标的中心位置。其工作原理如图2 所示。在处理中，它必须首先经过中值滤波和形态学开放运算预处理，然后，计算目标点的质心和形心；最后，通过融合输出结果。

图2 光斑中心计算流程图

3 实验结果及分析

实验系统由激光器、准直光管、两组快速反射镜、快速反射镜控制器、高速CMOS 摄像机、实时图像处理系统和上位机组成。除计算机外，所有其他部件和设备都位于气浮平台上。激光发射到850nm 的范围内，经光管准直，依次入射到第一和第二快反射镜上。所用摄像机为Mc-3082 型CMOS 摄像机，它的调整分辨率为256×256，帧率为10000Hz，曝光时间为0.09ms。功能是在两次反射后接收光信号，并将数字图像信号引入实时处理系统。实时处理系统完成从中心位置提取图像和光斑，然后，将图像信号和目标位置信息传输到计算机上显示和存储。主控制计算机使用Amax，是一个小工作站。

在静态环境下，采集光斑图像并计算光斑位置。再将计算结果和设定好的光斑位置值做差来获得脱靶量。可以看出，在没有干扰的原始静态条件下，系统误差为0.034 像素，是比较小的。该系统可以实现10000Hz 帧频的图像光斑探测。