一种基于DSP技术的信标光跟踪系统研究

针对目前星地光通信链路建立所急需解决的三大难题,远距离通信、强实时处理和高准确度光束对准,搭建了以DSP(TMS320DM642)为核心处理器,结合CCD、视频解码芯片、SDRAM等外围资源的小型移动平台间信标光跟踪系统,给出了系统的设计原理.根据卫星变速运动的特点,提出了一种最小二乘法的阶数自适应选取算法,对卫星运动轨迹进行动态模拟预测.结果表明,该系统能应用于复杂运动状态下的目标跟踪.

哈特曼与CCD传感器信标光轴精密定位对比

捕获、对准和跟踪是大气激光通信系统的核心技术,信标光轴的精密对准可提高通信的稳定性和降低通信误码率。信标光轴的对准主要是对大气激光通信中光束到达角的计算,应用传统的CCD传感器的光斑质心算法,在强湍流的扰动下已经无法准确地测量光束的到达角;提出了应用哈特曼传感器对波前进行探测,采用Zernike多项式模式法重构波前实时计算到达角起伏,并分析了Zernike模式法重构精度。实验表明:在焦距为1.6m时,采用传统的CCD传感器质心算法测量到达角起伏精度为4～8μrad(RMS);哈特曼传感器在等效焦距为350mm的情况下,测量精度优于2μrad(RMS),满足了大气激光通信系统APT和甚远距离APT技术的需求,同时也满足了未来激光通信机载、星载轻小型化的需求。

信标光强度影响下的Hartmann波前探测

报道了Ｈａｒｔｍａｎｎ波前探测与信标光强度关系的实验研究。给出了在信标光强度变化时的波前探测相对误差以及波前探测误差对自适应光学系统闭环控制的影响。

高帧频信标光定位与跟踪实验研究

信标光斑准确定位是完成空间光通信跟踪和捕获时的一个重要方法。应用改进的Otsu分割方法,对采集序列图像进行实时处理,提取潜在的信标光斑,对后续图像处理引入感兴趣区域的读入技术,在感兴趣区域内对信标光图像进行处理,应用卡尔曼预测模型实现了信标光跟踪,并将跟踪误差控制在精跟踪视场之内。实验结果表明,改进的Otsu具有更佳的抗噪能力和分割效果,并且实时性和定位精度均获得了满意的结果。

实时高帧频信标光图像处理

信标光图像实时处理是完成空间光通信跟踪、捕获的一种过程。文中提出了一种改进的Otsu自适应阈值分割方法,对采集序列图像进行实时处理,提取潜在的信标光斑,后续图像处理引入感兴趣区读入技术,在感兴趣内对信标光图像进行处理。最后,比较了不同定位算法的跟踪结果,改进型Otsu克服了传统阈值分割信息不完备的缺陷,具有更强的抗噪能力、分割效果,实时性和定位精度均获得了满意的结果。

基于PSD的空间信标光位置检测系统的研究

通过采用FPGA作为主控制器,以PSD为位置敏感探测器,设计了一种空间信标角度检测系统,实现了空间信标光位置的实时测量。通过实验数据验证,本系统具有较高的测量精度和实时性,灵敏度高,系统位置分辨率优于5μm,等效视场角10°,最小分辨率0.005°,可广泛应用于光电跟踪系统或光电位置检测领域。详细介绍了系统的软硬件设计和实现方法,给出了多路同步数模转换过程的FPGA逻辑时序,进行了各接口模块的设计和状态跳跃图分析,为信标光角度测量领域设计提供了一种可行的实现方法。

基于DM642的信标光实时图像处理

信标光图像处理是完成空间移动平台光通信跟踪和捕获的一种过程。文章具体讲述了在DM642平台上视频设备驱动程序的开发过程,在图像处理中采用最大中值滤波和质心法能有效地提取目标,应用卡尔曼预测算法能有效地跟踪目标运动轨迹。

外场16km信标光捕获实验

外场信标光的快速捕获是空间光通信的一项重要课题。提出了一种基于外场16 km信标光的自适应阈值分割方法,同时给出了系统的设计原理。引入开小窗技术,在感兴趣区域内对信标图像进行处理,实验数据表明其有效性。

移动信标光跟踪仿真研究

针对移动信标光跟踪系统的高精度和高稳定性的要求,设计了移动信标光跟踪仿真系统。采用双DSP和两轴精密转台搭建了粗跟踪的硬件平台。采用中值滤波来消除光斑图像的噪声干扰,质心算法实现对光斑位置的精确提取。采用仿人智能PID控制来改善系统动态跟踪性能,增强了系统对不确定因素的适应性。进行了模拟仿真台运动下的二维动态跟踪实验,实验结果表明跟踪系统有较好的跟踪精度。

无信标光快速捕获技术研究

文章针对卫星光通信的无信标光捕获中由于信号光束散角小、不确定区域大、FPA偏转范围有限等引起的捕获难度大的问题,提出了"大圈套小圈"的扫描策略,提出了"凝视-扫描"、"跳步-扫描"与"扫描-扫描"3种捕获模式。通过对这3种捕获模式的理论分析、建模仿真与实验验证,明确了在不同应用场景下适合的最佳捕获模式。"大圈套小圈"的扫描策略与最佳捕获模式的结合,可实现无信标光快速捕获。

空间分集光通信的信标光切换设计

为了解决空间分集激光通信中信标光同步快速切换的问题,提出一种使用FPGA实现阵列信标光同步转换设计,解决了基于分集激光通信中多路信标光同步快速切换的问题。在此使用卡诺图编程方式,生成电机驱动时序,通过原理图编程方式设计多路粗精信标切换电路。实验结果表明,该方法实现了分集激光通信中多光路的协同工作,并有效地简化了传统信标光切换复杂的系统结构。

基于无信标光APT系统捕获性能分析

针对自由空间激光通信系统中无信标光捕获模式下,信号光的发散角小、存在捕获困难的问题,提出一种在APT系统中采用精跟踪快速反射镜作为捕获执行机构进行捕获的方法。基于捕获过程中捕获时间的理论模型,对多场步进扫描和多场快速全场扫描进行理论分析、Monte Carlo仿真,通过仿真分析可知,在无信标捕获模式下选择多场快速全场扫描捕获性能最佳,并且验证了仿真结果与理论模型的一致性。

基于无线激光通信系统的信标光中心检测误差评价方法

传统的光斑中心计算误差评价方法仅依赖图像本身,并且与实际应用环境的耦合度较低,缺少客观的评价标准,通常采用同一位置光斑多次拍摄图片的均值来近似确定光斑中心;在这篇文章中提出一种基于空间激光通信光学天线子系统的中心检测误差评价方法,在进行系统标校之后,分别采用质心法、Hough变换法和圆拟合的圆心检测方法,通过与激光通信信号光紧密耦合来评价信标光中心计算方法的误差性能;实验结果表明,在所述的实验环境和条件下,质心法准确性较高;在应用层面,该评价方法可以为图像探测单元的方案取舍提供参考。

适用于信标光检测的非对称中值滤波改进算法

在进行星间激光通信时,光斑位置检测的准确性会直接影响捕获、跟踪、瞄准过程。然而由于其采集传输过程中受到干扰或自身器件响应的缺陷,导致出现模糊及噪声,因此在进行光斑定位前应当进行滤波预处理。经典3×3窗口的中值滤波算法对噪声的滤除效果较好,但处理时间过长,因此提出了基于3×4窗口的非对称快速中值滤波的算法。首先对经典方法两个相邻窗口处理时重复利用的6个中间像素值进行排序,再分别与窗口内最左列和最右列中值进行比较,所得中值替换掉原信号中心位置两个像素。经目视观察,两种滤波算法去噪效果相当。对于3×4窗口的改进中值滤波带来的后续光斑定位误差问题,可以通过统一标校进行弥补,误差在可接受范围内。通过程序仿真结果可得,改进的快速中值滤波算法缩短了响应时间。因此,非对称中值滤波改进算法增强了算法的实时性,更适合基于FPGA平台的设计与实现。

空间移动平台信标光的地面模拟捕获与跟踪实验

采用TMS320LF2407A与TMS320DM642的双(DSP)新颖设计,运用卡尔曼预测模型实现了一种新型空间移动平台光通信的信标光扫描、跟踪控制系统。详细论述了系统的硬件、软件设计,给出不同实验条件下的信标光捕获时间,并分析了信标光捕获时间误差和减少捕获时间误差的方法。地面模拟空间移动平台信标光捕获实验表明,信标光捕获与跟踪精度高、扫描速度快,该实验系统具有很好的实用价值。

卫星激光通信均匀信标光的研究

采用信标光是完成卫星激光通信捕获过程的一种重要手段,信标光的远场分布对捕捉概率和捕获时间有较大的影响。为满足通信系统的性能要求,对信标的远场分布提出一定的要求是必要的。首先从理论计算的角度,分析了远场高斯分布信标光对卫星激光通信捕获过程的影响,认为在存在光束抖动的情况下,均匀信标光在捕获阶段具有明显的优势。基于多激光器合束技术,利用半导体激光器设计了一个能实现远场均匀分布的信标光模块。给出了模块结构,分析了均匀信标光产生的机理,并从理论上推导了该模块的远场光强分布表达式。实验表明,所研制的均匀信标光模块可出射功率超过3.8 W,不均匀度小于11%的远场均匀信标光,通光效率为54%,从而证明了所设计的信标光模块的可行性。

舰载激光通信信标光光斑自动检测技术研究

舰载激光通信中,成功捕获信标光是通信链路建立的首要条件。为了实现复杂海面背景下信标光自动检测,针对简单背景提出了基于阈值分割的质心提取算法,此算法适用于简单背景下信标光的检测。实验结果表明,此方法简单有效、实时性好,单帧目标结算时间小于20ms。同时,针对复杂海面背景,质心提取算法易受到反射光及鱼鳞光的影响,提出了基于水天线检测下信标光自动检测提取的方法,仿真试验结果表明,此算法可以有效抑制太阳反射光的干扰。最后研究了基于Haar特征与光流法相结合的目标识别技术,为信标光的检测提供了一种新的方法。

基于空频域特征的白天星地信标光跟踪算法

提出了一种白天信标光图像跟踪算法。分析了太阳光反射进相机视场的噪声以及探测器噪声在空域和频域的特点,使用两个频域滤波器检测候选区域。研究结果表明,所提算法具有较高的精度、较快的速度以及较高的可靠性,可用于白天环境下星地信标光的跟踪探测。

低轨卫星激光载荷配置及快速建链方法的研究

为了适应未来低轨卫星轻量化和低成本的发展趋势,满足星间激光快速建链的使用需求,对星间激光配置原则进行了分析,采用转台式激光载荷和固定式激光载荷相结合的载荷配置方式,分别用于异轨道面间和同轨道面内的星间建链,设计了基于在轨恒星标校、信标光辅助建链和光轴一致性的激光载荷快速星间建链方案,并介绍了全流程。结果表明,星间激光载荷建链时间小于30 s,可实现长时间的星间激光稳定跟踪通信。该研究结果有助于推动星间激光通信的发展和大规模在轨应用。

三光源LED光信标空间布局优化计算

在航空、海运及海上救生等各方面,光学信标是一种重要的光学指示手段。为了适应较远作用距离的要求,提出了采用高亮度、高发光效率的LED光源的光学信标。针对采用三光源光信标的空间布局进行了相关理论计算,建立光束空间数学模型,给出三光源的最佳空间布置,并计算出光信标盲区范围及盲区大小。本文的计算结果为光信标的结构设计提供必要的理论基础,其计算方法为多光源信标空间布局计算提供一定的参考。