專利名稱：靜態(tài)無線激光通信針對強大氣湍流影響的光斑檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種靜態(tài)無線激光通信針對強大氣湍流影響的光斑檢測方法，如在樓 宇間無線激光通信過程中，激光通信雙方在跟蹤過程中均需要檢測激光光斑，屬于激光通 信技術領域。
背景技術：
光在真空中直線傳輸，在大氣中則不然。由于大氣折射率隨著空氣密度的變化而 變化，并且這一變化具有隨機性，所以，光的傳播方向也在隨機改變，并且光波波前破碎。在 激光通信中，導致主要由大氣湍流引起的大氣噪聲即湍流噪聲作為信道噪聲被引入跟蹤系 統(tǒng)。例如，在理想信道如室內(nèi)傳播的光束其光斑規(guī)則，見圖1所示；而在室外傳播的光束其 光斑則凌亂，這主要是因大氣湍流影響所致，光斑質(zhì)心還會因此而發(fā)生脫靶，見圖2所示。 激光通信裝置隨所處樓宇的低頻晃動而晃動，導致光路偏移，也會引起光斑質(zhì)心脫靶。光的衍射角遠遠小于射頻電磁波的衍射角，所以，在無線激光通信中，瞄準、捕獲、 跟蹤系統(tǒng)(APT系統(tǒng))是激光通信裝置中的關鍵組成部分。大氣是一種隨機信道，使得光端 機之間的精確對準更為困難。進行水平鏈路樓宇間無線激光通信時，其初始瞄準、目標捕獲 過程都能夠通過手動完成，唯獨跟蹤過程需要系統(tǒng)自動完成，隨時降低脫靶量，保證通信正 常進行?，F(xiàn)有跟蹤方法見圖3所示，其跟蹤模式為灰度跟蹤。所述跟蹤以光斑檢測為核心。 信標光隨信號光入射光端機接收光學系統(tǒng)1后，見圖4所示，由反射振鏡2反射，經(jīng)半透半 反鏡3分為兩路。信號光透射由雪崩光電二極管(APD)4接收，實現(xiàn)通信。信標光反射由CCD 探測器5檢測，完成控制采樣，通過計算機圖像處理，即分割圖像、自適應閾值二值化、計算 形心或質(zhì)心，同時在其中一個環(huán)節(jié)或者各個環(huán)節(jié)進行濾波，如小波濾噪、PDE濾噪等，最后輸 出脫靶量，由此控制反射振鏡2，實現(xiàn)通信信號的動態(tài)自動跟蹤，使得通信信號具有有效信 號功率，從而實現(xiàn)正常通信。現(xiàn)有技術其不足之處在于1、大氣湍流是隨機運動的，因此，傳輸介質(zhì)的折射率和光波波前的變化也是隨機 的，所以，CCD探測器5檢測到的信標光光斑受信道噪聲影響，形狀破碎，信標光攜帶的信標 信息被噪聲信息所掩蓋。為了從這樣的強噪聲環(huán)境下提取出信標光光斑的位置信息，需要 采取一系列時域或者頻域的濾波手段來濾除噪聲信息。但是，在濾除噪聲信息的同時也使 原有的信標信息受到破壞，最終降低了對準精度，見圖5所示，與圖2相比其能量中心有明 顯誤差，也就是采用水域算子進行圖像分割其結果不僅濾除了噪聲信息，也因破壞了原有 的信標信息而破壞了原始信號。2、任何進行計算機圖像處理的高速處理器的運算能力都是有限的，濾除噪聲信息 的算法其復雜度與噪聲信號功率的大小成正比，復雜度高導致計算量增大，計算速度因此 而下降，所以，計算速度與噪聲信號功率成反比。又因為計算速度直接影響跟蹤帶寬，所以 大氣的變化最終影響到跟蹤精度與跟蹤帶寬。見圖6所示，采用PDE慮噪方式的CV模型分 割效果較好，但是，單幅圖像的處理時間長達112秒。
為了應對強大氣湍流噪聲環(huán)境，在靜態(tài)無線激光通信過程中，在實現(xiàn)動態(tài)跟蹤的 同時，獲得較高的跟蹤精度和跟蹤帶寬，我們發(fā)明了一種靜態(tài)無線激光通信針對強大氣湍 流影響的光斑檢測方法。本發(fā)明之方法的實現(xiàn)需要在現(xiàn)有光端機中增設指示光部分，見圖7所示，指示光 部分由指示光光學系統(tǒng)6和指示光CCD探測器7構成，同時以雙面反射振鏡8取代反射振 鏡2，接收光學系統(tǒng)1與指示光光學系統(tǒng)6分布在雙面反射振鏡8兩側，三者位于一個軸線 上，來自接收光學系統(tǒng)1的光由雙面反射振鏡8的一個反射面反射，來自指示光光學系統(tǒng)6 的指示光由雙面反射振鏡8的另一個反射面反射，并由指示光CCD探測器7接收。本發(fā)明之方法見圖8所示，接收光學系統(tǒng)1接收信標光、信號光，CCD探測器5采 樣，獲得視頻流，輸出脫靶量，該脫靶量作為控制信號控制雙面反射振鏡8，其特征在于，由 指示光CCD探測器7針對來自指示光光學系統(tǒng)6并經(jīng)雙面反射振鏡8反射的指示光采樣， 據(jù)此計算雙面反射振鏡8整體光路偏移量；將該偏移量對CCD探測器5的采樣做整體搬移， 進而提取視頻流中的相對序列信息，計算序列信息熵并作為光斑的特征參數(shù)；根據(jù)該光斑 的特征參數(shù)作圓心擬合，從而確定光斑的能量中心；以上特征構成本發(fā)明之序列跟蹤模式； 以序列信息熵為輸入?yún)⒘窟M行跟蹤評價，根據(jù)評價結果調(diào)整序列信息的提取閾值和在本發(fā) 明之序列跟蹤模式與現(xiàn)有灰度跟蹤模式之間轉換跟蹤模式。本發(fā)明之方法與現(xiàn)有方法不同，利用信標光夾帶的信道噪聲進行動態(tài)跟蹤，信道 噪聲越強烈，其跟蹤精度越高，強大氣湍流越強跟蹤越穩(wěn)定。并不濾除信道噪聲，因此，也 就不存在對原始信號的二次破壞，從而保證跟蹤精度。通過光電配合的方式計算序列信息 十分簡單，其計算量與噪聲信號功率無關，只與有效序列長度有關，計算速度不會因此而下 降，從而保證應有的跟蹤帶寬?？梢姡景l(fā)明從根本上克服了現(xiàn)有技術存在的問題。本發(fā)明 之檢測效果還可由圖9看出，經(jīng)二值化后，黑色部分為序列信息量較小點，白色部分為序列 信息量較大點，通過序列信息較大點做圓心擬合，便可估計出光斑能量中心。當信標光夾帶 的信道噪聲強度較低時，跟蹤模式轉換為現(xiàn)有的灰度跟蹤模式，使得跟蹤過程繼續(xù)進行。


圖1是未受大氣湍流影響的光斑如室內(nèi)傳輸?shù)墓獍邎D像。 圖2是受強大氣湍流影響的光斑如野外傳輸?shù)墓獍邎D像。圖3是現(xiàn)有激光通信跟蹤方法框圖。圖4是與現(xiàn)有激光通信跟蹤方法有關的光端機局部結構示意圖。 圖5是現(xiàn)有激光通信跟蹤方法進行圖像分割后的光斑圖像。 圖6是現(xiàn)有激光通信跟蹤方法采用PDE慮噪方式去噪后的光斑圖像。 圖7是與本發(fā)明之方法有關的光端機局部結構示意圖。 圖8是本發(fā)明之方法框圖，該圖兼作為摘要附圖。 圖9是本發(fā)明之方法圓心擬合后的光斑圖像。具體實施例方式見圖7、圖8所示，接收光學系統(tǒng)1接收信標光、信號光，由CCD探測器5采樣，獲得 視頻流。由指示光CCD探測器7針對來自指示光光學系統(tǒng)6并經(jīng)雙面反射振鏡8反射的指 示光采樣，據(jù)此計算雙面反射振鏡8整體光路偏移量。將該偏移量對CCD探測器5的采樣 做整體搬移，進而提取視頻流中的相對序列信息，計算序列信息熵并作為光斑的特征參數(shù)。 根據(jù)該光斑的特征參數(shù)作圓心擬合，從而確定光斑的能量中心。輸出脫靶量，該脫靶量作為 控制信號控制雙面反射振鏡8。以上特征構成本發(fā)明之序列跟蹤模式。以序列信息熵為輸 入?yún)⒘窟M行跟蹤評價，根據(jù)評價結果調(diào)整序列信息的提取閾值和在本發(fā)明之序列跟蹤模式 與現(xiàn)有灰度跟蹤模式之間轉換跟蹤模式。其中1、計算雙面反射振鏡光路偏移量為了提升序列信息的提取速度，采用指示光CCD探測器7的采樣計算光路偏移量。 使振鏡從運動狀態(tài)變成相對靜止狀態(tài)，不僅便于高速提取該幀圖像在當前序列中所傳達的 序列信息，而且還大大地降低其計算量。通過計算指示光的形心便可以計算出雙面反射振 鏡8的整體光路的偏移量，S卩Δ χ與Δ y，Δ χ、Δ y分別雙面反射振鏡8的俯仰與方位偏移 值。所述指示光是通過平行光管即指示光光學系統(tǒng)6發(fā)出的完美平行光。2、計算序列信息量與序列信息熵該步驟根據(jù)有限序列之間信號變化的不確定度來計算序列信息量，將其分布情況 作為估計光斑的能量波動中心；通過計算序列信息熵作為閉環(huán)反饋參量轉換跟蹤模式。熵是平均信息量的表征，其定義為=^f0p(X)Ig P(X)論其中，ρ (χ)是隨機J-OO變量X的概率密度函數(shù)。對于視頻流中的序列信息來說，隨機變量X是亮度信息或者梯度 信息，或者是序列間光流的平均信息量。相對于有限序列，序列中每一幀圖像運動光流像素 出現(xiàn)的概率為{Pm (t0)，PrnU1)，…，Pm(tn)}，其靜止的光流像素點出現(xiàn)的概率為{Ps (t0)， Psai), ... , Ps(tn)}。其中:n代表有限序列長度，Pm = Pn+Pi, Pn為噪聲概率，Pi為目標運動概率。序列間運動區(qū)域與靜止區(qū)域所傳遞的序列信息量分別為義⑴=-I1Mi^o)，t4(0 = -2^(0)，其中每一幀圖像相對序列信息熵為H(t) = _{Pm(t)lg[Pm(t)]+Pm( tt)lg[pm(t)]}當序列互相關性較強時，Ps >> Rn，則Lii(t) >> Is (t)，即當序列互相關性較強 時，Is ⑴ 0。序列信息熵為:H(t) Pm(t) Is (t) = -(Pn+Pi) lg(Pn+Pi)。當因樓宇晃動引起的光斑運動較明顯時，序列所傳遞的信息量主要是由光斑運動 軌跡不確定度而產(chǎn)生，當光斑相對靜止時，序列所傳遞的信息量主要是由因強大氣湍流引 起的噪聲的不確定度而產(chǎn)生，在大氣中光斑抖動服從高斯分布模型，所以，在由于強大氣湍 流所帶來的光斑抖動信息即信道噪聲所傳遞的信息量最大，即在光斑相對靜止時，序列間 所傳遞的信息量主要由湍流抖動的不確定度而產(chǎn)生。采用序列信息作為光斑跟蹤的特征， 其區(qū)分能力較強。序列信息模型公式如下M(x, y) = f (χ, y) -f2 (χ+ Δ χ2, y+ Δ y2) | X | 1 (χ+ Δ X1, y+ Δ Υι) -f3 (χ+ Δ χ3, 7+ Δ y3)上式中Μ(χ，y)代表當前序列間信息量分布情況；fn(x，y)代表有限序列灰度信息；Δ^與Ayn分別代表序列η與當前序列的光路偏移量，所謂當前光路偏移量即為由于 雙面反射振鏡8自身姿態(tài)改變所造成的光路的整體改變。顯而易見，當fn(x，y)序列較長 時，對光斑檢測位置檢測較為穩(wěn)定，但對其光斑軌跡跟蹤的收斂速度較低。反之則恰恰相 反。所以在實際應用中需要根據(jù)實際情況選取fn(x，y)序列長度。3、圓心擬合算法圓心擬合是在遵循最小二乘原則前提下，尋找一個理想圓使其趨近于所有的采 樣點，即所有采樣點到圓上的距離最優(yōu)。采樣空間為(xi，Yi)，其中i e (1,2,3...N), 采樣點到圓心距離di2= (Xi-A)2+(Yi-B)2，其中A、B為圓心坐標。采樣點(Xi, Yi)到 圓上的距離與半徑平方差的累加和為Xi2+Yi2+aXi+bYi+c，對其求平方和Q(a，b，c)= Σ (Xi2+Yi2+aXi+bYi+c)2，其中a、b、c是計算圓心坐標和半徑的系數(shù)。求a、b、c，使Q (a，b， c)的值最小。其中Q(a，b，c)必然大于0，因此，函數(shù)存在大于或等于0的極小值，極大值為 無窮大。Q(a，b，c)對a、b、c求偏導，令偏導等于0，得到極值點，比較所有極值點的函數(shù)值 即可得到最小值。
權利要求
1.一種靜態(tài)無線激光通信針對強大氣湍流影響的光斑檢測方法，接收光學系統(tǒng)(1)接 收信標光、信號光，CCD探測器( 采樣，獲得視頻流，輸出脫靶量，該脫靶量作為控制信號 控制雙面反射振鏡(8)，其特征在于，由指示光CCD探測器(7)針對來自指示光光學系統(tǒng) (6)并經(jīng)雙面反射振鏡(8)反射的指示光采樣，據(jù)此計算雙面反射振鏡(8)整體光路偏移 量；將該偏移量對CCD探測器(5)的采樣做整體搬移，進而提取視頻流中的相對序列信息， 計算序列信息熵并作為光斑的特征參數(shù)；根據(jù)該光斑的特征參數(shù)作圓心擬合，從而確定光 斑的能量中心；以上特征構成本發(fā)明之序列跟蹤模式；以序列信息熵為輸入?yún)⒘窟M行跟蹤 評價，根據(jù)評價結果調(diào)整序列信息的提取閾值和在本發(fā)明之序列跟蹤模式與現(xiàn)有灰度跟蹤 模式之間轉換跟蹤模式。
2.根據(jù)權利要求1所述的光斑檢測方法，其特征在于，通過計算指示光的形心計算出 雙面反射振鏡(8)的整體光路的偏移量，即ΔΧ與Ay，ΔΧ、Ay分別雙面反射振鏡(8)的 俯仰與方位偏移值。
3.根據(jù)權利要求1所述的光斑檢測方法，其特征在于，根據(jù)有限序列之間信號變化的 不確定度來計算序列信息量，將其分布情況作為估計光斑的能量波動中心；通過計算序列 信息熵作為閉環(huán)反饋參量轉換跟蹤模式。
4.根據(jù)權利要求1所述的光斑檢測方法，其特征在于，圓心擬合是在遵循最小二乘原 則前提下，尋找一個理想圓使其趨近于所有的采樣空間，即所有采樣點到圓上的距離最優(yōu)。
全文摘要
靜態(tài)無線激光通信針對強大氣湍流影響的光斑檢測方法屬于激光通信技術領域。現(xiàn)有技術的對準精度低，跟蹤帶寬窄。本發(fā)明接收光學系統(tǒng)接收信標光、信號光，由CCD探測器采樣，獲得視頻流。由指示光CCD探測器針對來自指示光光學系統(tǒng)并經(jīng)雙面反射振鏡反射的指示光采樣，據(jù)此計算雙面反射振鏡整體光路偏移量。將該偏移量對CCD探測器的采樣做整體搬移，進而提取視頻流中的相對序列信息，計算序列信息熵并作為光斑的特征參數(shù)。根據(jù)該光斑的特征參數(shù)作圓心擬合，從而確定光斑的能量中心。輸出脫靶量，該脫靶量作為控制信號控制雙面反射振鏡。以序列信息熵為輸入?yún)⒘窟M行跟蹤評價，根據(jù)評價結果調(diào)整序列信息的提取閾值和轉換跟蹤模式。
文檔編號H04B17/00GK102055537SQ20101052586
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月1日 優(yōu)先權日2010年11月1日
發(fā)明者佟首峰, 姜會林, 母一寧 申請人:長春理工大學