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摘 要：空间激光通信的光束跟踪系统主要负责完成信标光的精确跟踪和锁定，通常采用光电探测器件并配以相应的电子学伺服控制系统。本文设计了基于FPGA的CCD图像采集处理器，可以实现单CCD探测器的空间捕获和跟踪两种功能。研究了光斑位置中心提取的快速形心算法，实现了跟踪要求视场角为方位±5°、俯仰±5°、跟踪精度为200urad，跟踪灵敏度为10 MW。
关键词：光束跟踪 CCD 形心算法
中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（b）-0001-02
空间激光通信具有高速率、宽带、抗干扰和抗截获能力强等突出优点，是实现高速空间信息保密通信的最佳方案之一。为避免由于大气湍流和建筑物摆动引起的光束漂移而使得通信中断，故需要进行通信光束的实时跟踪，保证通信链路的畅通。
能实现光斑位置检测的光电探测器件常见的主要有四象限红外探测器QD，高灵敏度位置传感器Q-APD，电荷耦合器件CCD等。CCD器件是成像器件，既能成像实现可见光观靶，又可以实现信标光的光斑检测，给整机带来了轻小型化的紧凑型设计，本文设计了一种基于FPGA的CCD图像采集处理及光斑检测跟踪单元，实现了单CCD探测器的空间捕获和跟踪两种功能。
1 总体方案设计
光束跟踪单元包括信标光发射、CCD信标光接收、二维跟踪转台、电机、位置传感器、控制器及串行数据接口。
光斑采集及处理部分主要由高帧频CCD相机和对其进行控制的FPGA组成，空间光通信光斑采集处理器的系统框图如图1所示。
系统具体工作原理如下。
首先由FPGA器件作为本系统的核心单元，负责时序信号的产生、数据的转换以及数据在各个模块之间的转移。经由FPGA的控制把所产生的模拟线号经由A/D转换器件变成数字信号，并完成数据的缓存与处理工作。USB模块进行与上位机之间的通讯工作，将脱靶量上传给上位机，由上位机负责跟踪转台的伺服控制。
探测器选择SONY公司CCD。分辨率1024×768，该CCD在25fps模式下，动态范围达到30.5 dB，采用12位RS-644（LVDS）输出，具有双串口（TTL/LVDS）和两组外触发（TTL/LVDS）模式，工作参数可通过串口进行控制，接口协议简单，用户使用方便。利用其将光学系统所捕捉到的光信号转变成为电信号，经过A/D变换后将图像变换为由数字信号输出。为了降低CCD器件自身的噪声，对其输出信号进行CDS（相关双采样）可以明显的提高其输出信噪比。
FPGA采用Altera公司所设计生产的Cyclone III系列芯片。利用该芯片完成整个系统的时钟设计，为了达到对图像进行实时采样的目的就要对CCD所采集数据进行高速存储，为此采用FPGA构成高速FIFO缓存，采取乒乓操作方式对图像数据进行存储。经由FIFO缓存过的图片数据需要经过一高速接口提供给上位机进行更进一步的运算与应用。利用FPGA设计的部分CCD相机驱动时序部分波形图见图2，采集到的目标光斑经二值化后的图如图3所示。
2 光斑中心的形心算法
CCD是以像素为单位的阵列图像传感器件，利用CCD确定成像在CCD像面上的光斑位置时，要考虑到光斑不是一个几何点，光斑光强分布往往接近高斯分布。设某个光斑由m个像素组成，每个像素都对应确定的空间坐标x，y及灰度值p（x，y），光束跟踪算法采用形心法。形心算法是数字图像经增强和分割后，通过目标轮廓坐标（，），计算目标形心坐标。形心算法计算公式表示为：
空间激光通信具有高速率、宽带、抗干扰和抗截获能力强等突出优点，是实现高速空间信息保密通信的最佳方案之一。为避免由于大气湍流和建筑物摆动引起的光束漂移而使得通信中断，故需要进行通信光束的实时跟踪，保证通信链路的畅通。
能实现光斑位置检测的光电探测器件常见的主要有四象限红外探测器QD，高灵敏度位置传感器Q-APD，电荷耦合器件CCD等。CCD器件是成像器件，既能成像实现可见光观靶，又可以实现信标光的光斑检测，给整机带来了轻小型化的紧凑型设计，本文设计了一种基于FPGA的CCD图像采集处理及光斑检测跟踪单元，实现了单CCD探测器的空间捕获和跟踪两种功能。
1 总体方案设计
光束跟踪单元包括信标光发射、CCD信标光接收、二维跟踪转台、电机、位置传感器、控制器及串行数据接口。
光斑采集及处理部分主要由高帧频CCD相机和对其进行控制的FPGA组成，空间光通信光斑采集处理器的系统框图如图1所示。
系统具体工作原理如下。
首先由FPGA器件作为本系统的核心单元，负责时序信号的产生、数据的转换以及数据在各个模块之间的转移。经由FPGA的控制把所产生的模拟线号经由A/D转换器件变成数字信号，并完成数据的缓存与处理工作。USB模块进行与上位机之间的通讯工作，将脱靶量上传给上位机，由上位机负责跟踪转台的伺服控制。
探测器选择SONY公司CCD。分辨率1024×768，该CCD在25fps模式下，动态范围达到30.5 dB，采用12位RS-644（LVDS）输出，具有双串口（TTL/LVDS）和两组外触发（TTL/LVDS）模式，工作参数可通过串口进行控制，接口协议简单，用户使用方便。利用其将光学系统所捕捉到的光信号转变成为电信号，经过A/D变换后将图像变换为由数字信号输出。为了降低CCD器件自身的噪声，对其输出信号进行CDS（相关双采样）可以明显的提高其输出信噪比。
FPGA采用Altera公司所设计生产的Cyclone III系列芯片。利用该芯片完成整个系统的时钟设计，为了达到对图像进行实时采样的目的就要对CCD所采集数据进行高速存储，为此采用FPGA构成高速FIFO缓存，采取乒乓操作方式对图像数据进行存储。经由FIFO缓存过的图片数据需要经过一高速接口提供给上位机进行更进一步的运算与应用。利用FPGA设计的部分CCD相机驱动时序部分波形图见图2，采集到的目标光斑经二值化后的图如图3所示。 2 光斑中心的形心算法
CCD是以像素为单位的阵列图像传感器件，利用CCD确定成像在CCD像面上的光斑位置时，要考虑到光斑不是一个几何点，光斑光强分布往往接近高斯分布。设某个光斑由m个像素组成，每个像素都对应确定的空间坐标x，y及灰度值p（x，y），光束跟踪算法采用形心法。形心算法是数字图像经增强和分割后，通过目标轮廓坐标（，），计算目标形心坐标。形心算法计算公式表示为：
，
式中，为目标轮廓的点数。
3 实验与结果
首先通过regionprops函数找出与所求区域具有相同标准二阶中心矩的椭圆的长轴长度，短轴长度，离心率等，并找出包含所求区域的最小凸多边形，的顶点坐标。通过一定的方法，用所求椭圆的相关参数确定一个正多边形。使该正多边形具有一个相当大的边数，是该多边形接近一个圆。这个圆就是所要拟合的圆。在指令t=linspace（0，2*pi，N）中，N-1表示所求正多边形的边数，N越大，所拟合的圆越精确。拟合效果见图4，（a）、（b）分别为N=7、N=500时的效果图。
然后计算出则该光斑的重心坐标，即为脱靶量。通过USB模块传至上位机，上位机采用DSP技术，根据脱靶量计算出运动方向与加速度，通过对二维跟踪转台的闭环控制，实现对激光光斑的精确跟踪。实现了跟踪要求视场角为方位±5°、俯仰±5°、跟踪精度为200urad。
4 结论
本文设计了基于FPGA的CCD图像采集处理器，可以实现单CCD探测器的空间捕获和跟踪两种功能。通信接口选用USB2.0标准作为与上位机之间的接口。研究了光斑位置中心提取的快速形心算法，实现了跟踪要求视场角为方位±5°、俯仰±5°、跟踪精度为200urad，跟踪灵敏度为10 MW。
参考文献
[1]李晓峰.星地激光通信链路原理与技术[M].北京：国防工业出版社，2007.
[2]王亚丽，段锦.空间光通信中激光光斑检测与特征分析[J].红外与激光工程，2007，36（7）：166-170.
[3]刘丹平，胡渝.提高光斑图像质心精度的去噪方法[J].光电工程，2005，32（8）：56-58.
[4]母一宁，温冠宇，王贺，等.基于序列信息圆心拟合的大气激光光斑检测技术[J].空军工程大学学报（自然科学版），2011，12（1）：59-63.
关键词：光束跟踪 CCD 形心算法
中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（b）-0001-02
空间激光通信具有高速率、宽带、抗干扰和抗截获能力强等突出优点，是实现高速空间信息保密通信的最佳方案之一。为避免由于大气湍流和建筑物摆动引起的光束漂移而使得通信中断，故需要进行通信光束的实时跟踪，保证通信链路的畅通。
能实现光斑位置检测的光电探测器件常见的主要有四象限红外探测器QD，高灵敏度位置传感器Q-APD，电荷耦合器件CCD等。CCD器件是成像器件，既能成像实现可见光观靶，又可以实现信标光的光斑检测，给整机带来了轻小型化的紧凑型设计，本文设计了一种基于FPGA的CCD图像采集处理及光斑检测跟踪单元，实现了单CCD探测器的空间捕获和跟踪两种功能。
1 总体方案设计
光束跟踪单元包括信标光发射、CCD信标光接收、二维跟踪转台、电机、位置传感器、控制器及串行数据接口。
光斑采集及处理部分主要由高帧频CCD相机和对其进行控制的FPGA组成，空间光通信光斑采集处理器的系统框图如图1所示。
系统具体工作原理如下。
首先由FPGA器件作为本系统的核心单元，负责时序信号的产生、数据的转换以及数据在各个模块之间的转移。经由FPGA的控制把所产生的模拟线号经由A/D转换器件变成数字信号，并完成数据的缓存与处理工作。USB模块进行与上位机之间的通讯工作，将脱靶量上传给上位机，由上位机负责跟踪转台的伺服控制。
探测器选择SONY公司CCD。分辨率1024×768，该CCD在25fps模式下，动态范围达到30.5 dB，采用12位RS-644（LVDS）输出，具有双串口（TTL/LVDS）和两组外触发（TTL/LVDS）模式，工作参数可通过串口进行控制，接口协议简单，用户使用方便。利用其将光学系统所捕捉到的光信号转变成为电信号，经过A/D变换后将图像变换为由数字信号输出。为了降低CCD器件自身的噪声，对其输出信号进行CDS（相关双采样）可以明显的提高其输出信噪比。
FPGA采用Altera公司所设计生产的Cyclone III系列芯片。利用该芯片完成整个系统的时钟设计，为了达到对图像进行实时采样的目的就要对CCD所采集数据进行高速存储，为此采用FPGA构成高速FIFO缓存，采取乒乓操作方式对图像数据进行存储。经由FIFO缓存过的图片数据需要经过一高速接口提供给上位机进行更进一步的运算与应用。利用FPGA设计的部分CCD相机驱动时序部分波形图见图2，采集到的目标光斑经二值化后的图如图3所示。
2 光斑中心的形心算法
CCD是以像素为单位的阵列图像传感器件，利用CCD确定成像在CCD像面上的光斑位置时，要考虑到光斑不是一个几何点，光斑光强分布往往接近高斯分布。设某个光斑由m个像素组成，每个像素都对应确定的空间坐标x，y及灰度值p（x，y），光束跟踪算法采用形心法。形心算法是数字图像经增强和分割后，通过目标轮廓坐标（，），计算目标形心坐标。形心算法计算公式表示为：
空间激光通信具有高速率、宽带、抗干扰和抗截获能力强等突出优点，是实现高速空间信息保密通信的最佳方案之一。为避免由于大气湍流和建筑物摆动引起的光束漂移而使得通信中断，故需要进行通信光束的实时跟踪，保证通信链路的畅通。
能实现光斑位置检测的光电探测器件常见的主要有四象限红外探测器QD，高灵敏度位置传感器Q-APD，电荷耦合器件CCD等。CCD器件是成像器件，既能成像实现可见光观靶，又可以实现信标光的光斑检测，给整机带来了轻小型化的紧凑型设计，本文设计了一种基于FPGA的CCD图像采集处理及光斑检测跟踪单元，实现了单CCD探测器的空间捕获和跟踪两种功能。
1 总体方案设计
光束跟踪单元包括信标光发射、CCD信标光接收、二维跟踪转台、电机、位置传感器、控制器及串行数据接口。
光斑采集及处理部分主要由高帧频CCD相机和对其进行控制的FPGA组成，空间光通信光斑采集处理器的系统框图如图1所示。
系统具体工作原理如下。
首先由FPGA器件作为本系统的核心单元，负责时序信号的产生、数据的转换以及数据在各个模块之间的转移。经由FPGA的控制把所产生的模拟线号经由A/D转换器件变成数字信号，并完成数据的缓存与处理工作。USB模块进行与上位机之间的通讯工作，将脱靶量上传给上位机，由上位机负责跟踪转台的伺服控制。
探测器选择SONY公司CCD。分辨率1024×768，该CCD在25fps模式下，动态范围达到30.5 dB，采用12位RS-644（LVDS）输出，具有双串口（TTL/LVDS）和两组外触发（TTL/LVDS）模式，工作参数可通过串口进行控制，接口协议简单，用户使用方便。利用其将光学系统所捕捉到的光信号转变成为电信号，经过A/D变换后将图像变换为由数字信号输出。为了降低CCD器件自身的噪声，对其输出信号进行CDS（相关双采样）可以明显的提高其输出信噪比。
FPGA采用Altera公司所设计生产的Cyclone III系列芯片。利用该芯片完成整个系统的时钟设计，为了达到对图像进行实时采样的目的就要对CCD所采集数据进行高速存储，为此采用FPGA构成高速FIFO缓存，采取乒乓操作方式对图像数据进行存储。经由FIFO缓存过的图片数据需要经过一高速接口提供给上位机进行更进一步的运算与应用。利用FPGA设计的部分CCD相机驱动时序部分波形图见图2，采集到的目标光斑经二值化后的图如图3所示。 2 光斑中心的形心算法
CCD是以像素为单位的阵列图像传感器件，利用CCD确定成像在CCD像面上的光斑位置时，要考虑到光斑不是一个几何点，光斑光强分布往往接近高斯分布。设某个光斑由m个像素组成，每个像素都对应确定的空间坐标x，y及灰度值p（x，y），光束跟踪算法采用形心法。形心算法是数字图像经增强和分割后，通过目标轮廓坐标（，），计算目标形心坐标。形心算法计算公式表示为：
，
式中，为目标轮廓的点数。
3 实验与结果
首先通过regionprops函数找出与所求区域具有相同标准二阶中心矩的椭圆的长轴长度，短轴长度，离心率等，并找出包含所求区域的最小凸多边形，的顶点坐标。通过一定的方法，用所求椭圆的相关参数确定一个正多边形。使该正多边形具有一个相当大的边数，是该多边形接近一个圆。这个圆就是所要拟合的圆。在指令t=linspace（0，2*pi，N）中，N-1表示所求正多边形的边数，N越大，所拟合的圆越精确。拟合效果见图4，（a）、（b）分别为N=7、N=500时的效果图。
然后计算出则该光斑的重心坐标，即为脱靶量。通过USB模块传至上位机，上位机采用DSP技术，根据脱靶量计算出运动方向与加速度，通过对二维跟踪转台的闭环控制，实现对激光光斑的精确跟踪。实现了跟踪要求视场角为方位±5°、俯仰±5°、跟踪精度为200urad。
4 结论
本文设计了基于FPGA的CCD图像采集处理器，可以实现单CCD探测器的空间捕获和跟踪两种功能。通信接口选用USB2.0标准作为与上位机之间的接口。研究了光斑位置中心提取的快速形心算法，实现了跟踪要求视场角为方位±5°、俯仰±5°、跟踪精度为200urad，跟踪灵敏度为10 MW。
参考文献
[1]李晓峰.星地激光通信链路原理与技术[M].北京：国防工业出版社，2007.
[2]王亚丽，段锦.空间光通信中激光光斑检测与特征分析[J].红外与激光工程，2007，36（7）：166-170.
[3]刘丹平，胡渝.提高光斑图像质心精度的去噪方法[J].光电工程，2005，32（8）：56-58.
[4]母一宁，温冠宇，王贺，等.基于序列信息圆心拟合的大气激光光斑检测技术[J].空军工程大学学报（自然科学版），2011，12（1）：59-63.