一种改进的相机灵敏度测试系统

范新坤袁 张 磊袁 佟首峰袁 宋延嵩袁 江 伦袁 张艺蓝渊长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室袁吉林 长春 130022冤

摘 要院空间激光通信系统以激光为载体进行数据传输袁由于大气信道干扰尧剧烈平台扰动尧强烈大气附面层等不利

影响袁使得捕获探测器接收到的光斑信号非常微弱袁影响通信链路的建立袁对捕获探测器的灵敏度测量有助于分析和

评价捕获链路建立的最远距离遥在充分分析捕获链路功率的基础上搭建实验系统袁用扫描振镜及 CCD 相机完成对其

灵敏度测试实验遥 实验表明院当曝光时间为 2ms 和 0.2ms 时袁相机的探测能力分别为-80.83 dBm和-72.43 dBm遥 在极

限探测灵敏度下袁选用高斯拟合算法进行激光光斑中心的定位计算袁结果表明该算法定位精度可达 0.01pixel袁并且具

有良好的稳定性遥关键词院探测灵敏度曰高斯拟合曰亚像素定位曰激光通信

文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2017冤06-0065-05

An improved testing system for camera sensitivity

FAN Xinkun袁 ZHANG Lei袁 TONG Shoufeng袁 SONG Yansong袁 JIANG Lun袁 ZHANG Yilan渊Defence Key Subject Laboratory of Aero and Ground Laser Communication Technology袁

Changchun University of Science and Technology袁Changchun 130022袁China冤

Abstract: Space laser communication system uses laser as the carrier for data transmission. Dueto adverse effects such as atmospheric channel interference袁 violent platform disturbance andstrong atmospheric boundary layer袁 the spot signal received by the capture detector is very weak袁which affects the establishment of communication link. The sensitivity measurement of the capturedetector helps to analyze and evaluate the furthest distance that the capture link is established.Based on the full analysis of the capture link power袁 the scanning galvanometer and CCD camerafor testing system is set up袁 which can accomplish sensitivity test. The test results show thatwhen the exposure time is 2 ms and 0.2 ms袁 detectivity of camera is -80.83 dBm and -72.43 dBmrespectively. In the limit detection sensitivity袁 the Gaussian fitting algorithm is used to locate thecenter of the laser spot. The results show that the locating precision of the algorithm can reach0.01 pixel with a good stability.Keywords: detection sensitivity曰 Gaussian fitting曰 sub-pixel positioning曰 laser communication

收稿日期院2016-10-28曰收到修改稿日期院2016-12-20基金项目院国家高新技术研究发展计划野863 计划冶资助项目渊2014AA701178冤作者简介院范新坤渊1990-冤袁男袁吉林长春市人袁硕士袁主要从事空间激光通信系统高精度激光光斑识别与检测技术研究遥通信作者院张 磊渊1982-冤袁男袁吉林长春市人袁博士袁主要从事复杂条件下目标的识别与检测技术研究遥

中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.43 No.6June袁2017第 43 卷第 6 期2017 年 6 月

doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.014

中国测试 2017 年 6 月

0 引 言在空间激光通信捕获尧 瞄睢和跟踪渊acquisition

pointing and tracking袁APT冤系统中袁粗尧精探测器的

探测精度决定着整个系统的跟踪精度[1]遥 电荷耦合元

件渊charge coupled device袁CCD冤作为一种图像传感

器袁能够方便给出目标图像中的光强数值和光斑图

像的位置信息袁常用在信标光渊束散角为 mrad 量级冤的探测中[2-3]遥 光斑图像在 CCD靶面上所占的面积越

大袁即像素数越多袁光斑的定位精度也就越高遥 理想

条件下 CCD 探测到的信标光斑为圆光斑袁但是在大

气信道干扰尧剧烈平台扰动尧强烈大气附面层等不利

影响下[4]袁探测器接收到的光斑信号功率和形状不断

变化袁完成快速捕获尧精密跟踪和可靠通信的过程袁其难度非常大遥为了提高跟踪精度袁需要对接收单元

的探测能力进行测试袁进而分析出其灵敏度遥文献[5]主要分析了激光对 CCD 的损伤袁 并对 CCD 靶面进

行标定曰文献[6]进行了星间跟踪精度的测试袁搭建测

试平台袁并对 APT 系统参数分析曰文献[7]通过对激

光光斑的特性分析袁设计了通过确定光斑的半径袁实现对光斑的检测遥

本文基于以上分析袁提出利用标定的衰减片联合

FPGA 图像处理板实时处理进入到 CCD 视场中的微

弱光斑[8]袁根据设计的光斑中心定位算法袁确保在相

机极限探测能力下能够捕获到光斑并进行实时的处

理[9]遥 通过实验数据得出袁当曝光时间分别为 2ms 和0.2 ms 时袁相机的极限探测能力分别为-80.83 dBm和-72.43 dBm袁完全满足空间激光通信系统捕获探

测器接收到的光信噪比为 7 时袁信标探测器所接收

到的功率遥1 相机参数

为了实现对相机灵敏度的测试袁选用 Photonfocus

公司生产的 MV-D1024E-40 型号的相机并搭建实

验平台进行灵敏度的测试遥 通过实验数据分析出该

相机对微弱光斑的探测能力[10]袁对开展空间激光通

信中捕获单元的研究以及评价捕获链路建立的最远

距离提供有价值的数据参考[11]遥 相机的主要设计参

数如表 1 所示遥2 衰减片的标定

在进行灵敏度测试时袁为了防止相机产生光饱和

或者激光光斑能量过大而被打坏袁在光路中采用衰

减片将激光光强衰减到 CCD 相机可探测饱和光强

以下袁可探测灵敏度光强以上遥衰减片的标定光路如图 1 所示袁整个标定实验在

室内夜晚环境下进行袁避免强背景光的影响遥 激光

器选用波长为 808nm 的半导体激光器袁功率可调遥标定的具体步骤为院1冤搭建好光路袁开启激光器袁并调

节功率大小袁使光斑在监视器中的状态是稳定并可被

捕获到曰2冤把光功率计放入图 1 所示的位置袁并记录

此时的示数为 P1曰3冤在上述步骤不变的情况下袁移除衰减片后读取示数为 P2曰4冤重复以上步骤袁多次记

录 P1袁P2 的数据袁测试数据如表2 所示遥

参数 数值

扫描模式 逐行扫描

像元尺寸 10.6滋m伊10.6滋m分辨率 1024伊1024 像元

光谱范围 400耀900 nm动态范围 >120 信噪比

曝光时间 10滋s耀0.41 s灰度分辨率 12 位/10 位/8 位

有效感光区域 10.9mm伊10.9mm波特率 9600b/s

模拟增益 1

表 1 相机参数

根据测试数据求取平均值袁得到衰减片的平

均衰减值为-32.33 dB遥 在相机灵敏度测试中袁将用

-32.33dB作为衰减片的固定衰减值遥3 实验过程3.1 测试实验平台

为了完成相机灵敏度的测试袁在室内搭建测试

平台渊如图 2 所示冤袁其主要由发射和接收 2 个部分

组成遥 发射系统由激光器尧准直器尧透镜尧扫描振镜尧反射镜尧滤波片尧衰减片构成曰接收系统由 CCD 相机尧FPGA 图像处理板尧监视器尧计算机等部分构成[12]遥激

光从发射端射出袁准直器对光束进行整形并输出平

行光曰在透镜的作用下使平行光聚焦袁滤波片滤除反

射后的杂光袁使已经衰减过的光束在相机得到较好

的光斑图像遥 相机通过 Camera Link 接口将光斑图

FPGA图像处理板

监视器CCD相机透镜 衰减片 光功率计准直器

激光器

光信号 电信号

图1 衰减片标定

66

第 43 卷第 6 期

滤波片/衰减片

反射镜

控制

监视器

扫描振镜透镜

激光器

准直器计算机

FPGA图像处理板

CCD相机

光信号 电信号

图2 实验系统组成框图

像数据传输到 FPGA 图像处理板中袁在监视器中显

示光斑的坐标及捕获状态遥 计算机通过改变驱动电

压袁实现振镜的偏转袁调整光斑在相机中的成像位置袁并记录保存下光斑图像袁以便后续分析处理遥3.2 实验结果与分析

在测试实验平台搭建完后袁不断降低激光器的

输出功率袁直到光功率计示数低于-50 dBm曰移走光

功率计袁用 CCD 相机接收衰减后的光束曰调整激光

功率袁待到 CCD 光斑检测临界点时袁再次放入光功

率计并读取示数袁即可根据标定关系得出 CCD 灵敏

度遥通过调整曝光时间袁获取较好的光斑图像分别进

行粗尧精跟踪实验遥 测试数据如表 3尧表 4 所示遥1冤当曝光时间为 2ms 时袁进行粗跟踪实验遥根据测试结果袁求得相机靶面的平均接收功率

值为-80.83 dBm遥2冤当曝光时间为 0.2ms 时袁进行精跟踪实验遥根据测试结果袁求得相机靶面的平均接收功率

值为-72.43 dBm遥本实验在暗环境下进行袁通过测试相机所能探测

到的微弱光斑信号来反映相机的灵敏度遥实验验证袁在相同增益的前提下袁增加相机的曝光时间[13]袁CCD视场中接收到的光能量就会增加袁进而产生更多的光

子数袁使得光斑信号的信噪比有所提升袁相机的探测

能力就会增加遥4 基于 FPGA的光斑识别技术

FPGA 由于设计的灵活性高尧 功能强大尧 容量

大尧集成度高等特点袁广泛应用在图像处理以及

复杂算法的实现过程[14]遥 本实验选用 Xilinx 公司的

Spartan-3E 系列 XC3S1200E 型号的 FPGA 实现光

斑滤波尧行列计数尧光斑提取尧光斑中心判决尧脱靶量

输出和图像显示等功能袁图 3 是 FPGA 实现整个功

能的流程图[15]遥在连接 FPGA 图像处理板的 Camera Link 接口

中选用了 Base 模式下的 A 端口进行图像数据的传

输袁通过接收到的 4 位图像使能信号来实现图像的采

集与显示[16]遥 4 位图像使能信号分别为 LVAL渊行有

效信号冤尧FVAL渊帧有效信号冤尧DVAL渊数据有效信号冤

次数 P1/dBm P2/dBm 衰减值/dB1 -55.82 -23.01 -32.812 -56.01 -23.18 -32.833 -55.23 -24.15 -31.084 -55.33 -24.20 -31.135 -56.20 -23.65 -32.556 -56.48 -23.13 -33.357 -56.72 -23.75 -32.978 -55.53 -23.52 -32.019 -56.23 -24.08 -32.1510 -57.17 -24.76 -32.41

表 2 衰减片测试数据

次数 功率计数值/dBm 衰减值/dB CCD /dBm1 -47.30 -32.33 -79.632 -48.41 -32.33 -80.743 -48.02 -32.33 -80.354 -47.60 -32.33 -79.935 -48.77 -32.33 -81.106 -49.55 -32.33 -81.887 -48.48 -32.33 -80.818 -47.93 -32.33 -80.269 -49.51 -32.33 -81.8410 -49.49 -32.33 -81.82

表 3 粗跟踪测试数据

次数 功率计数值/dBm 衰减值/dB CCD /dBm1 -41.02 -32.33 -73.352 -39.91 -32.33 -72.243 -40.05 -32.33 -72.384 -39.96 -32.33 -72.295 -39.98 -32.33 -72.316 -40.20 -32.33 -72.537 -40.03 -32.33 -72.368 -39.92 -32.33 -72.259 -40.01 -32.33 -72.3410 -39.95 -32.33 -72.28

表 4 精跟踪测试数据

范新坤等院一种改进的相机灵敏度测试系统 67

中国测试 2017 年 6 月

图像输入/输出

脱靶量输出光斑中心计算

模块行列计数模块

光斑判决模块滤波模块

自适应阈值模块

图像接收部分

相机控制部分

相机接口

相机 行有效尧帧有效

数据有效尧保留位图像数据

相机控制信号

图3 图像处理算法流程图

和 Spare渊保留位冤遥4.1 自适应阈值二值化

激光光斑的灰度值比图像背景的灰度值要高袁而且灰度值的变化比较剧烈[17]遥 在进行光斑检测的

时候袁由于光子噪声和读出噪声的干扰袁接收到的光

斑图像会存在一些孤立的亮点袁影响确定真实光斑

的位置遥为了避免噪声对结果的影响袁采用自适应阈

值法袁根据激光光斑的变化进行自适应选取最优阈

值袁减小随机误差袁提高光斑的分割性能[18]遥 但是该

算法在进行光斑中心计算时需要在短时间内解析一

帧图像的所有像素信息[19]袁对于处理器的计算能力

要求较高遥自适应阈值的计算公式可表示为

T=Ravg+k窑滓 渊1冤式中院T要要要自适应阈值的计算结果曰

Ravg要要要一帧图像的灰度平均值曰k要要要常数袁一般取值为 5耀15曰滓要要要光斑图像灰度的均方差遥

设激光光斑图像为 f袁大小为 m伊n袁图像在像素

点渊i袁j冤的灰度值为 f渊i袁j冤袁则有院

Ravg=m

i = 1移 n

j = 1移 f渊 i袁 j 冤m伊n

滓=m

i = 1移 n

j = 1移[ f渊 i袁 j 冤-Ravg ] 2

m伊n-1姨扇

墒

设设设设设设设设设设缮设设设设设设设设设设

渊2冤

根据光斑图像的灰度袁选取最优的 k 值确定阈值

大小进行背景与光斑图像的分割袁计算公式为

f渊 i袁 j 冤= f渊 i袁 j 冤 f渊 i袁 j 冤逸T0 f渊 i袁 j 冤约T嗓 渊3冤

4.2 亚像素级光斑中心计算

对光斑图像进行滤波和二值化之后袁实现了对光

斑的提取遥 本实验中选用的相机像元尺寸为 10.6滋m伊10.6 滋m袁在进行光斑中心提取过程中袁仅凭单个像素

的空间分辨率无法满足检测精度的要求袁这就需要

对 CCD 进行亚像素细分[20]遥目前袁最常用的亚像素算法有重心法尧曲线拟

合尧径向基函数插值法尧密度函数估算法等遥 考虑到

在硬件实际处理的复杂性和实时性袁选用高斯曲线拟

合定位算法袁对经过预处理后的光斑图像进行亚像

素光斑的定位计算[21]遥对激光光斑而言袁其能量分布满足高斯分布

函数[22-23]袁高斯曲线表达式可表示为

f渊 i袁 j 冤=T0exp {- [ 渊x-x0冤 22滓x

2 + 渊y-y0冤 22滓y

2 ] } 渊4冤式中院T0要要要峰值参数袁且 I0 为光斑在探测器上的总

能量袁T0= I02仔滓x滓y曰

x0尧y0要要要光斑的中心位置曰滓x尧滓y要要要激光光斑分别沿 x袁y 方向上光强分

布的标准差遥对式渊4冤两端取对数袁展开后可得到院

ln f渊i袁j冤= lnT0- x022滓x2 - y022滓y

2 + x0滓x

2 x+y0滓y

2 y- x22滓x

2 - y22滓y

2 渊5冤由最小二乘拟合算法计算出所有残差的平方和

并求取极小值袁将拟合的极值点渊x0袁y0冤作为光斑的

中心位置遥通过以上算法袁可以精确地计算出光斑的中心坐

标袁保证在进行灵敏度实验时不会由于光斑能量的

微弱而无法确定是否捕获到的问题袁提高了测试的

准确性遥为了验证本文算法对光斑的定位精度袁在实

验过程中袁通过调整振镜的方位得到 20 帧光斑图像袁并用 Matlab 对固定阈值质心算法尧 自适应阈值质心

算法尧高斯拟合算法进行仿真遥从图 4 中可以看出袁前两种算法对光斑中心的

定位精度在 0.1pixel袁而高斯拟合算法的定位精度

在 0.01pixel袁并且稳定性得到明显提高遥对其原因进

68

第 43 卷第 6 期

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500x/像素

65.065.165.265.365.465.565.665.765.865.966.0

固定阈值质心算法自适应阈值质心算法高斯拟合算法

图4 定位精度分析

一步理论分析可以得出院1冤固定阈值质心法由于采

用固定阈值袁造成在一帧图像中接近阈值的像素点

被舍弃袁使图像分布不均匀袁计算结果产生较大的误

差曰2冤采用自适应阈值后袁根据每一帧图像灰度值的

变化袁自动选择合适的阈值袁兼顾了图像各个像素的

情况曰3冤高斯拟合算法处理的光斑是由标准高斯函

数离散化后得到的袁其光斑的灰度矩阵是按照高斯

函数形式分布的袁即使大气信道尧噪声和背景光的

干扰使光斑产生闪烁尧破碎尧散斑效应等袁通过拟合

也可以得到比固定阈值质心算法更高的定位精度遥5 结束语

空间激光通信接收探测器的灵敏度是 APT 系

统中的重要性能指标之一袁在空间激光通信链路功

率分析的基础上袁搭建实验平台袁实现对相机的灵敏

度测试遥在微弱光斑信号条件下袁利用亚像素细分技

术袁提高了光斑定位精度遥参考文献

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