[发明专利]一种高速激光光斑检测系统

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种检测系统，尤其涉及一种高速激光光斑检测系统。

背景技术

由于激光通信系统具有带宽、高速、抗截获能力强、抗干扰能力强和轻小型等突出优点，使其非常适合深空、星际、星地、空空、空地等链路通信，因此在近年来得到了迅速发展。激光通信链路的建立与保持离不开对信标光的捕获、跟踪与瞄准(acquisition，tracking and pointing，ATP)。基于数字图像处理的光斑目标位置信息提取是ATP中的一项关键技术，其提取速度与精度直接影响链路的通断，开展相关研究有着重要的意义。

对基于数字图像处理的激光通信光斑检测技术的研究主要可分为算法理论和实际应用两个方面。算法方面，ZHANG等人提出了基于噪声特性的自动阈值处理算法； LIU等人提出了基于圆心拟合的中心定位算法； SUN等人提出了基于小波的光斑去噪算法； SHAO提出了修正的单点灰度值算法。上述对于算法的研究均是通过仿真环境进行处理效果的验证，其硬件可移植性和算法实时性尚有待考量。在应用方面，LU等人提出的基于粒子滤波的方法应用于分辨率为640piexl×480piexl，帧频为24Hz的序列图像中； CHENG采用中值滤波实现了分辨率1024piexl×1040piexl，帧频25Hz序列图像的光斑提取； XU等人提出的基于上三邻域连续点计数法能够对分辨率320piexl×256piexl，帧频83Hz的图像进行实时处理。随着对激光通信研究的不断深入，对提取光斑目标的频率要求也越来越高，100Hz及以下的提取频率已经不能满足动态链路的建立与保持。国外一些学者通过以现场可编程门阵列( fieldprogrammablegate array，FPGA) 为核心器件的系统已经实现了对高帧频图像的实时处理。发明内容

本发明的目的是为了实现激光通信系统对信标光的捕获、跟踪与瞄准，设计了一种高速激光光斑检测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

高速激光光斑检测系统由FPGA及外围电路组成。系统的主要工作过程为图像接收模块接收相机采集到的图像信号，并将数字图像信息传输至缓存模块中，图像处理模块从缓存依次提取数据并进行滤波和光斑中心提取等操作，图像处理模块将提取的光斑中心坐标值传输至信号整合模块中，信号整合模块将图像与其光斑中心坐标信息进行数据合并，通过PCI-e 通信模块将原始图像信息与光斑中心坐标传输至主控计算机中。

所述的FPGA采用赛灵思公司(Xilinx) 的XC5VLX110T型FPGA芯片为核心运算器件。该款FPGA内部资源丰富，根据其技术资料显示，有17280个资源单元，每个资源单元内包括4个显示查找表和4个触发器，拥有5328×1000块随机存储器可作为缓存； 运算能力方面，该FPGA拥有64个DSP48E数字信号运算内核，能够进行卷积、除法等复杂运算。利用XC5VLX110T型FPGA内的功能内核和丰富的存储资源可以实现对高帧频图像的实时处理与通信控制等功能。

所述的图像处理模块采用1维算子滤波和多方位滤波器相结合的滤波方法。

本发明的有益效果是：

高速激光光斑检测系统以现场可编程门阵列为核心器件，系统通过方位滤波器对图像进行预处理，采用连通域分析提取目标形心，实现了对高帧频图像中的激光光斑中心的检测。该系统应用于激光通信系统中，可为动态链路的建立与保持提供必要的实时参量信息。

具体实施方式

高速激光光斑检测系统由FPGA及外围电路组成。系统的主要工作过程为图像接收模块接收相机采集到的图像信号，并将数字图像信息传输至缓存模块中，图像处理模块从缓存依次提取数据并进行滤波和光斑中心提取等操作，图像处理模块将提取的光斑中心坐标值传输至信号整合模块中，信号整合模块将图像与其光斑中心坐标信息进行数据合并，通过PCI-e通信模块将原始图像信息与光斑中心坐标传输至主控计算机中。

图像处理模块的设计流程如下：为保证系统的实时性，在对图像进行预处理时设计采用空域滤波，与频域滤波相比，FPGA的并行处理机制更适合实现空域滤波算法。数字图像信息是1 组2维数字信号，因此在设计时首先从2维滤波器入手展开研究，拉普拉斯-高斯( Laplacian of Gaussian，LOG) 算子是典型的2维滤波算子。，算法基本思想如下: 图像以2位数字信号形式与高斯算子卷积达到平滑效果，拉普拉斯算子将边缘点转换成零交叉点，通过交叉零点来实现对图像边缘的检测。由于高斯函数关于轴对称，因此LOG算子属于各向同性算子，当目标性状不规则时，采用经典LOG 算子滤波不能对不同方向的边缘进行有效的检测，而且不利于FPGA进行算法实现。为解决上述问题，提出1维LOG算子概念，而待处理图像均为2维数字信号，采用1 维算子滤波仅能从行方向或列方向对图像进行处理，因此需设计多方位滤波器对2维数字图像信号进行滤波。用σl表示各方位的高斯分布标准差，多方位滤波算子能够对原图像各点与其八邻域点所构成的射线方向对图像进行滤波。滤波效果与序列长度Mj( j = 1，2，…，8) 和σl有关。σl越大，对噪声的滤波效果越好，但会丢失越多的边缘信息；σl越小，对目标的检测效果越好，但对噪声的平滑能力就越弱。序列长度越长，滤波效果越好，但各方位的1 维滤波算子是关于变量平方的e负指数函数，当变量的绝对值很大时，算子函数值接近于0，因此序列长度过长没有意义，反而会影响运算速度。设置不同方向上的σl值与序列长度可以针对包含不同目标类型的图像进行滤波。由于实际工程中，光斑所成形状不是严格的圆形，因此通过设置不同的σl值能够适合对相应形状光斑的处理。在阈值分割算法方面，为保证系统实时性，设计中采用控制计算机动态设定全局阈值；为解决光斑破碎的问题，在阈值分割后进行了二值化图像的形态学开运算； 最后通过FPGA进行连通域分析与目标提取的操作，确定图像中是否包含光斑目标，如果有则输出目标形心的坐标值。