范新坤，張 磊，佟首峰，宋延嵩，江 倫，張藝藍(lán)

（長春理工大學(xué)空地激光通信技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130022）

一種改進(jìn)的相機(jī)靈敏度測(cè)試系統(tǒng)

范新坤，張 磊，佟首峰，宋延嵩，江 倫，張藝藍(lán)

（長春理工大學(xué)空地激光通信技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130022）

空間激光通信系統(tǒng)以激光為載體進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于大氣信道干擾、劇烈平臺(tái)擾動(dòng)、強(qiáng)烈大氣附面層等不利影響，使得捕獲探測(cè)器接收到的光斑信號(hào)非常微弱，影響通信鏈路的建立，對(duì)捕獲探測(cè)器的靈敏度測(cè)量有助于分析和評(píng)價(jià)捕獲鏈路建立的最遠(yuǎn)距離。在充分分析捕獲鏈路功率的基礎(chǔ)上搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用掃描振鏡及CCD相機(jī)完成對(duì)其靈敏度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)曝光時(shí)間為2ms和0.2ms時(shí)，相機(jī)的探測(cè)能力分別為-80.83dBm和-72.43dBm。在極限探測(cè)靈敏度下，選用高斯擬合算法進(jìn)行激光光斑中心的定位計(jì)算，結(jié)果表明該算法定位精度可達(dá)0.01pixel，并且具有良好的穩(wěn)定性。

探測(cè)靈敏度；高斯擬合；亞像素定位；激光通信

0 引 言

在空間激光通信捕獲、瞄睢和跟蹤（acquisition pointing and tracking，APT）系統(tǒng)中，粗、精探測(cè)器的探測(cè)精度決定著整個(gè)系統(tǒng)的跟蹤精度[1]。電荷耦合元件（charge coupled device，CCD）作為一種圖像傳感器，能夠方便給出目標(biāo)圖像中的光強(qiáng)數(shù)值和光斑圖像的位置信息，常用在信標(biāo)光（束散角為mrad量級(jí)）的探測(cè)中[2-3]。光斑圖像在CCD靶面上所占的面積越大，即像素?cái)?shù)越多，光斑的定位精度也就越高。理想條件下CCD探測(cè)到的信標(biāo)光斑為圓光斑，但是在大氣信道干擾、劇烈平臺(tái)擾動(dòng)、強(qiáng)烈大氣附面層等不利影響下[4]，探測(cè)器接收到的光斑信號(hào)功率和形狀不斷變化，完成快速捕獲、精密跟蹤和可靠通信的過程，其難度非常大。為了提高跟蹤精度，需要對(duì)接收單元的探測(cè)能力進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而分析出其靈敏度。文獻(xiàn)[5]主要分析了激光對(duì)CCD的損傷，并對(duì)CCD靶面進(jìn)行標(biāo)定；文獻(xiàn)[6]進(jìn)行了星間跟蹤精度的測(cè)試，搭建測(cè)試平臺(tái)，并對(duì)APT系統(tǒng)參數(shù)分析；文獻(xiàn)[7]通過對(duì)激光光斑的特性分析，設(shè)計(jì)了通過確定光斑的半徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)光斑的檢測(cè)。

本文基于以上分析，提出利用標(biāo)定的衰減片聯(lián)合FPGA圖像處理板實(shí)時(shí)處理進(jìn)入到CCD視場(chǎng)中的微弱光斑[8]，根據(jù)設(shè)計(jì)的光斑中心定位算法，確保在相機(jī)極限探測(cè)能力下能夠捕獲到光斑并進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理[9]。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，當(dāng)曝光時(shí)間分別為2ms和0.2 ms時(shí)，相機(jī)的極限探測(cè)能力分別為-80.83 dBm和-72.43dBm，完全滿足空間激光通信系統(tǒng)捕獲探測(cè)器接收到的光信噪比為7時(shí)，信標(biāo)探測(cè)器所接收到的功率。

1 相機(jī)參數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)靈敏度的測(cè)試，選用Photonfocus公司生產(chǎn)的MV-D1024E-40型號(hào)的相機(jī)并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行靈敏度的測(cè)試。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析出該相機(jī)對(duì)微弱光斑的探測(cè)能力[10]，對(duì)開展空間激光通信中捕獲單元的研究以及評(píng)價(jià)捕獲鏈路建立的最遠(yuǎn)距離提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)參考[11]。相機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 相機(jī)參數(shù)

2 衰減片的標(biāo)定

在進(jìn)行靈敏度測(cè)試時(shí)，為了防止相機(jī)產(chǎn)生光飽和或者激光光斑能量過大而被打壞，在光路中采用衰減片將激光光強(qiáng)衰減到CCD相機(jī)可探測(cè)飽和光強(qiáng)以下，可探測(cè)靈敏度光強(qiáng)以上。

衰減片的標(biāo)定光路如圖1所示，整個(gè)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)夜晚環(huán)境下進(jìn)行，避免強(qiáng)背景光的影響。激光器選用波長為808nm的半導(dǎo)體激光器，功率可調(diào)。標(biāo)定的具體步驟為：1）搭建好光路，開啟激光器，并調(diào)節(jié)功率大小，使光斑在監(jiān)視器中的狀態(tài)是穩(wěn)定并可被捕獲到；2）把光功率計(jì)放入圖1所示的位置，并記錄此時(shí)的示數(shù)為P1；3）在上述步驟不變的情況下，移除衰減片后讀取示數(shù)為P2；4）重復(fù)以上步驟，多次記錄P1，P2的數(shù)據(jù)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1 衰減片標(biāo)定

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)求取平均值，得到衰減片的平均衰減值為-32.33dB。在相機(jī)靈敏度測(cè)試中，將用-32.33dB作為衰減片的固定衰減值。

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了完成相機(jī)靈敏度的測(cè)試，在室內(nèi)搭建測(cè)試平臺(tái)（如圖2所示），其主要由發(fā)射和接收2個(gè)部分組成。發(fā)射系統(tǒng)由激光器、準(zhǔn)直器、透鏡、掃描振鏡、反射鏡、濾波片、衰減片構(gòu)成；接收系統(tǒng)由CCD相機(jī)、FPGA圖像處理板、監(jiān)視器、計(jì)算機(jī)等部分構(gòu)成[12]。激光從發(fā)射端射出，準(zhǔn)直器對(duì)光束進(jìn)行整形并輸出平行光；在透鏡的作用下使平行光聚焦，濾波片濾除反射后的雜光，使已經(jīng)衰減過的光束在相機(jī)得到較好的光斑圖像。相機(jī)通過Camera Link接口將光斑圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA圖像處理板中，在監(jiān)視器中顯示光斑的坐標(biāo)及捕獲狀態(tài)。計(jì)算機(jī)通過改變驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)振鏡的偏轉(zhuǎn)，調(diào)整光斑在相機(jī)中的成像位置，并記錄保存下光斑圖像，以便后續(xù)分析處理。

表2 衰減片測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 粗跟蹤測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 精跟蹤測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建完后，不斷降低激光器的輸出功率，直到光功率計(jì)示數(shù)低于-50dBm；移走光功率計(jì)，用CCD相機(jī)接收衰減后的光束；調(diào)整激光功率，待到CCD光斑檢測(cè)臨界點(diǎn)時(shí)，再次放入光功率計(jì)并讀取示數(shù)，即可根據(jù)標(biāo)定關(guān)系得出CCD靈敏度。通過調(diào)整曝光時(shí)間，獲取較好的光斑圖像分別進(jìn)行粗、精跟蹤實(shí)驗(yàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

1）當(dāng)曝光時(shí)間為2ms時(shí)，進(jìn)行粗跟蹤實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，求得相機(jī)靶面的平均接收功率值為-80.83dBm。

2）當(dāng)曝光時(shí)間為0.2ms時(shí)，進(jìn)行精跟蹤實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，求得相機(jī)靶面的平均接收功率值為-72.43dBm。

本實(shí)驗(yàn)在暗環(huán)境下進(jìn)行，通過測(cè)試相機(jī)所能探測(cè)到的微弱光斑信號(hào)來反映相機(jī)的靈敏度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在相同增益的前提下，增加相機(jī)的曝光時(shí)間[13]，CCD視場(chǎng)中接收到的光能量就會(huì)增加，進(jìn)而產(chǎn)生更多的光子數(shù)，使得光斑信號(hào)的信噪比有所提升，相機(jī)的探測(cè)能力就會(huì)增加。

4 基于FPGA的光斑識(shí)別技術(shù)

FPGA由于設(shè)計(jì)的靈活性高、功能強(qiáng)大、容量大、集成度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在圖像處理以及復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)過程[14]。本實(shí)驗(yàn)選用Xilinx公司的Spartan-3E系列XC3S1200E型號(hào)的FPGA實(shí)現(xiàn)光斑濾波、行列計(jì)數(shù)、光斑提取、光斑中心判決、脫靶量輸出和圖像顯示等功能，圖3是FPGA實(shí)現(xiàn)整個(gè)功能的流程圖[15]。

在連接FPGA圖像處理板的Camera Link接口中選用了Base模式下的A端口進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的傳輸，通過接收到的4位圖像使能信號(hào)來實(shí)現(xiàn)圖像的采集與顯示[16]。4位圖像使能信號(hào)分別為LVAL（行有效信號(hào)）、FVAL（幀有效信號(hào)）、DVAL（數(shù)據(jù)有效信號(hào)）和 Spare（保留位）。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖

圖3 圖像處理算法流程圖

4.1 自適應(yīng)閾值二值化

激光光斑的灰度值比圖像背景的灰度值要高，而且灰度值的變化比較劇烈[17]。在進(jìn)行光斑檢測(cè)的時(shí)候，由于光子噪聲和讀出噪聲的干擾，接收到的光斑圖像會(huì)存在一些孤立的亮點(diǎn)，影響確定真實(shí)光斑的位置。為了避免噪聲對(duì)結(jié)果的影響，采用自適應(yīng)閾值法，根據(jù)激光光斑的變化進(jìn)行自適應(yīng)選取最優(yōu)閾值，減小隨機(jī)誤差，提高光斑的分割性能[18]。但是該算法在進(jìn)行光斑中心計(jì)算時(shí)需要在短時(shí)間內(nèi)解析一幀圖像的所有像素信息[19]，對(duì)于處理器的計(jì)算能力要求較高。

自適應(yīng)閾值的計(jì)算公式可表示為

式中：T——自適應(yīng)閾值的計(jì)算結(jié)果；

Ravg——一幀圖像的灰度平均值；

k——常數(shù)，一般取值為5～15；

σ——光斑圖像灰度的均方差。

設(shè)激光光斑圖像為f，大小為m×n，圖像在像素點(diǎn)（i，j）的灰度值為 f（i，j），則有：

根據(jù)光斑圖像的灰度，選取最優(yōu)的k值確定閾值大小進(jìn)行背景與光斑圖像的分割，計(jì)算公式為

4.2 亞像素級(jí)光斑中心計(jì)算

對(duì)光斑圖像進(jìn)行濾波和二值化之后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光斑的提取。本實(shí)驗(yàn)中選用的相機(jī)像元尺寸為10.6μm×10.6μm，在進(jìn)行光斑中心提取過程中，僅憑單個(gè)像素的空間分辨率無法滿足檢測(cè)精度的要求，這就需要對(duì)CCD進(jìn)行亞像素細(xì)分[20]。

目前，最常用的亞像素算法有重心法、曲線擬合、徑向基函數(shù)插值法、密度函數(shù)估算法等?？紤]到在硬件實(shí)際處理的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性，選用高斯曲線擬合定位算法，對(duì)經(jīng)過預(yù)處理后的光斑圖像進(jìn)行亞像素光斑的定位計(jì)算[21]。

對(duì)激光光斑而言，其能量分布滿足高斯分布函數(shù)[22-23]，高斯曲線表達(dá)式可表示為

式中：T0——峰值參數(shù)，且I0為光斑在探測(cè)器上的總

x0、y0——光斑的中心位置；

σx、σy——激光光斑分別沿x，y方向上光強(qiáng)分布的標(biāo)準(zhǔn)差。

對(duì)式（4）兩端取對(duì)數(shù)，展開后可得到：

由最小二乘擬合算法計(jì)算出所有殘差的平方和并求取極小值，將擬合的極值點(diǎn)（x0，y0）作為光斑的中心位置。

通過以上算法，可以精確地計(jì)算出光斑的中心坐標(biāo)，保證在進(jìn)行靈敏度實(shí)驗(yàn)時(shí)不會(huì)由于光斑能量的微弱而無法確定是否捕獲到的問題，提高了測(cè)試的準(zhǔn)確性。為了驗(yàn)證本文算法對(duì)光斑的定位精度，在實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)整振鏡的方位得到20幀光斑圖像，并用Matlab對(duì)固定閾值質(zhì)心算法、自適應(yīng)閾值質(zhì)心算法、高斯擬合算法進(jìn)行仿真。

圖4 定位精度分析

從圖4中可以看出，前兩種算法對(duì)光斑中心的定位精度在0.1pixel，而高斯擬合算法的定位精度在0.01pixel，并且穩(wěn)定性得到明顯提高。對(duì)其原因進(jìn)一步理論分析可以得出：1）固定閾值質(zhì)心法由于采用固定閾值，造成在一幀圖像中接近閾值的像素點(diǎn)被舍棄，使圖像分布不均勻，計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差；2）采用自適應(yīng)閾值后，根據(jù)每一幀圖像灰度值的變化，自動(dòng)選擇合適的閾值，兼顧了圖像各個(gè)像素的情況；3）高斯擬合算法處理的光斑是由標(biāo)準(zhǔn)高斯函數(shù)離散化后得到的，其光斑的灰度矩陣是按照高斯函數(shù)形式分布的，即使大氣信道、噪聲和背景光的干擾使光斑產(chǎn)生閃爍、破碎、散斑效應(yīng)等，通過擬合也可以得到比固定閾值質(zhì)心算法更高的定位精度。

5 結(jié)束語

空間激光通信接收探測(cè)器的靈敏度是APT系統(tǒng)中的重要性能指標(biāo)之一，在空間激光通信鏈路功率分析的基礎(chǔ)上，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)的靈敏度測(cè)試。在微弱光斑信號(hào)條件下，利用亞像素細(xì)分技術(shù)，提高了光斑定位精度。

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（編輯：商丹丹）

An improved testing system for camera sensitivity

FAN Xinkun， ZHANG Lei， TONG Shoufeng， SONG Yansong， JIANG Lun， ZHANG Yilan
（Defence Key Subject Laboratory of Aero and Ground Laser Communication Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

Space laser communication system uses laser as the carrier for data transmission.Due to adverse effects such as atmospheric channel interference， violent platform disturbance and strong atmospheric boundary layer， the spot signal

by the capture detector is very weak，which affects the establishment of communication link.The sensitivity measurement of the capture detector helps to analyze and evaluate the furthest distance that the capture link is established.Based on the full analysis of the capture link power，the scanning galvanometer and CCD camera for testing system is set up，which can accomplish sensitivity test.The test results show that when the exposure time is 2ms and 0.2ms，detectivity of camera is-80.83dBm and-72.43 dBm respectively.In the limit detection sensitivity，the Gaussian fitting algorithm is used to locate the center of the laser spot.The results show that the locating precision of the algorithm can reach 0.01 pixel with a good stability.

detection sensitivity； Gaussian fitting； sub-pixel positioning； laser communication

A

1674-5124（2017）06-0065-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.014

2016-10-28；

2016-12-20

國家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863計(jì)劃”資助項(xiàng)目（2014AA701178）

范新坤（1990-），男，吉林長春市人，碩士，主要從事空間激光通信系統(tǒng)高精度激光光斑識(shí)別與檢測(cè)技術(shù)研究。

張 磊（1982-），男，吉林長春市人，博士，主要從事復(fù)雜條件下目標(biāo)的識(shí)別與檢測(cè)技術(shù)研究。