背景光及大气湍流对空地激光通信接收光斑产生的影响

为了研究在不同背景光及弱湍流条件下的空地激光传输特性,同时为空地激光通信链路总体方案设计提供相应的实验数据,进行了背景光及大气湍流影响空地激光通信系统接收光斑的实验研究,同时提出了在空地激光通信系统中有效抑制背景光及大气湍流效应影响的措施。     

自由空间激光通信四象限探测器性能研究

在自由空间激光通信中,精跟踪单元的探测器经常选用四象限探测器(QD),探测器的性能影响跟踪精度,为了研究四象限探测器在不同条件下的性能,提出变步长的方法,分析光斑大小对动态范嗣和探测灵敏度的影响情况,在满足仿真精度的前提下,缩短了仿真时间.在光斑能量服从高斯分布的情况下,分析背景光、光电响应度和死区对动态范围和探测灵敏度的影响,特别研究非均匀背景光的影响.结果表明,随着光斑半径的增加,光斑位置检测的动态范围在增大,位置探测灵敏度在降低.相同光斑半径条件下,对于服从艾里分布的光斑的位置探测灵敏度高于服从高斯分布的光斑,而动态范围小于后者,非均匀背景光对探测器性能的影响比均匀背景的影响大.     

激光通信成像光斑处理方法研究

本文针对目前海域条件下激光通信的难题,对海域条件下激光通信过程中成像的光斑提取方法进行了研究。依据此研究,搭建了测试平台进行实验,通过测试平台得到光斑图像,对光斑图像进行了处理,通过图像比对验证了此种方法的可行性,为激光通信海面通信光斑提取提供了一种解决方法。实验结果表明:采用本文方法在图像复原时最大误差在X方向为2.60像素,在Y方向为1.54像素。此种方法对于海域条件下的激光通信系统信标光光斑处理可达到应用所需效果。     

空间激光通信单探测器复合跟踪控制技术研究

空间激光通信终端伺服系统是一种高精度的跟踪机构,在扰动条件下,通信系统对跟踪系统的稳定性及精度提出了较高的要求。本文主要介绍了激光通信伺服系统的复合跟踪技术,详细论述了单探测器复合跟踪方式的选择以及激光通信伺服系统的控制流程。最后,在振动平台上进行了粗精复合的激光跟踪实验。实验结果显示,当通信终端系统跟踪最大振动加速度为0.22°/s2的振动平台时,跟踪目标平稳性较好,单独采用粗跟踪时误差为60 μrad,采用粗精复合跟踪时位置误差可以达到2 μrad。实验结果表明,空间激光通信系统中单探测器复合跟踪技术的设计满足了系统跟踪精度的要求,为激光通信控制系统的设计提供了一定的参考。     

采用CCD的空间光通信光斑位置提取重心算法的分析及实验

对采用CCD的空间光通信光斑位置提取重心算法进行了理论分析,对不同程度光束偏转的APT系统光斑位置定位及无空气扰动条件下背景光对光斑位置定位的影响进行了实验研究。     

基于伺服控制的水下光动态通信捕获跟踪系统设计

基于空间光通信捕获、对准、跟踪技术的基本理念,笔者设计了一套基于伺服控制的水下无线光动态通信捕获跟踪系统,提出了基于跟踪微分器的电机加减速控制技术,设计了转台粗、精跟踪策略。在此基础上,笔者开展仿真验证、室内模拟测试及水下激光光斑捕获跟踪实验。仿真验证结果表明了该系统与算法策略在原理上的可行性;室内模拟测试方位、俯仰跟踪精度分别为0.08 mrad和0.27 mrad,这表明可将本系统应用于水下无线光动态通信;水下激光光斑捕获跟踪实验结果表明系统的捕获概率优于99%,捕获时间少于9 s,水箱施加扰动前后的跟踪精度分别为0.6 mrad和2 mrad。本文为后续开展水下无线光动态通信技术研究提供了一种技术方法和研究思路。     

自由空间激光通信中APT粗跟踪研究

自由空间激光通信APT(Acquisition,Pointing and Tracking)系统主要由粗跟踪系统和精跟踪系统组成,粗跟踪系统主要是完成对目标信号的捕获,以确保入射的信标光在精跟踪控制系统的动态范围内.介绍了粒子滤波在APT粗跟踪系统中的应用,针对粒子滤波在跟踪算法中存在的问题进行了改进,设计了颜色和轮廓双重信息融合的似然模型;为提高目标跟踪算法在异常情况下的有效性,采用了异常检测和恢复策略,并设计了跟踪光斑目标的模拟系统.实验表明:所提出的多信息融合的似然模型跟踪算法在目标尺度变化、背景干扰、姿态变化、部分遮档等环境下均能稳定地跟踪目标,提高了大气激光通信链路的可靠性.     

激光制导动靶照射精度测量系统

为了实现激光制导动靶照射光斑的精确测量,建立了高精度相对测量系统。对光斑检测、精准时序控制及动靶跟踪等主要问题做了深入的研究。首先介绍光斑检测的原理和实现,保证在不同的光照条件下均可快速、有效地检测到光斑;然后采用精准时序控制技术实现光斑信号及图像的同步采集,完成激光编码方式的监测;最后采用可见传感器跟踪靶板,红外传感器采集光斑图像,针对草原背景复杂、对比度低等情况,采用有向边缘算子及直线段检测算法检测靶板边缘,利用轨迹预测算法保证靶板跟踪的稳定性,完成激光光斑照射精度的精确检测。通过外场实验证明,该系统能够自动对光斑的时序特性和空间特性进行测量,时序精度达到0.04μs,位置精度达到0.07mrad。能够满足动靶照射精度稳定跟踪、精确测量的要求。     

自适应光学波前信号提取

天光背景及系统自身探测器件所引入的噪声对自适应光学系统的探测精度具有较大的影响,为消除这两方面噪声的影响,设计并实现了基于FPGA的波前光斑信号提取系统。该系统通过3个算法模块完成噪声的滤除,中值滤波模块用于去除杂散噪声,Top-hat变换模块用于滤除较为平稳的背景噪声,自适应阈值分割模块用于去除残余噪声。基于FPGA平台进行了系统的实现,在室内的自适应光学精跟踪系统平台上对光斑信号的提取效果及提取前后的精度进行了实验测试,结果表明,该处理平台能较好地提取出目标光斑,处理后的质心精度也较高,且该处理平台的延时较小,能够满足自适应光学系统实时性的要求。     

改进阈值分割的光斑中心定位方法

光斑定位精度是激光通信瞄准、捕获、跟踪(APT)系统的重要指标,而传统的光斑定位算法,面临定位精度低,抗干扰能力差,实时性差等问题。为了满足激光通信APT系统光斑高精度定位的需求,提出一种改进的激光光斑中心定位方法。该方法通过改进阈值分割,降低了噪声干扰,提高了光斑定位精度。结果表明,与传统的阈值分割方法相比,光斑中心计算精度提高了25%以上,是一种可行的光斑中心定位方法。     

基于Fisher准则的Otsu法在光斑中心定位中的应用

激光光斑中心检测广泛应用于基于视觉的形变量测系统中,故其检测算法的优劣直接影响系统量测精度。现有的光斑定位算法存在定位精度低,抗干扰能力差等问题,为了实现光斑的高精度定位,提出一种改进的激光光斑中心定位算法。该方法通过将Fisher准则函数应用于Otsu法对光斑图像进行阈值分割,降低了噪声干扰,提高了光斑定位精度。实验表明,与传统的阈值分割方法相比,光斑中心定位误差降低了40 %以上。     

湖面自由空间光通信信标光的粗跟踪设计与实验

以湖面信标光为真实移动跟踪目标,设计了二维粗跟踪演示系统,验证空间光通信捕获、跟踪和对准(ATP)系统对机动目标的跟踪性能。采用双DSP和两轴精密转台搭建了粗跟踪的硬件平台。采用直方图阈值分割法将信标光从复杂的湖面背景中分离出来。采用预测自校正控制算法设计粗跟踪系统的控制器,具有较好的鲁棒性。进行了针对湖面移动信标光的二维跟踪实验,实验结果表明,粗跟踪系统有较好的跟踪精度,跟踪精度与跟踪距离远近关系不大,满足空间光通信跟踪系统的要求。     

基于小概率策略的Otsu图像分割方法

Otsu自适应阈值法是一种经典的图像阈值分割方法,在其基础上发展起来的2维Otsu法及其改进算法由于存在计算(或空间)复杂度较高、抗噪能力差、难以扩展到多阈值等不足而制约了其应用。该文针对2维Otsu法的不足,将噪声点的出现视为小概率事件,用噪声点的邻域均值代替其灰度值,将噪声点转换为目标(或背景)像素,减少了图像中的噪声点数量;继而直接采用1维Otsu法进行分割,以较小的代价获得良好的分割效果。算法分析及测试实验表明：与现有2维Otsu法相比,该算法在复杂度、抗噪性、多阈值扩展性等方面都有明显改善。     

空间激光通信中复合跟踪技术研究

空间激光通信前提是信标光束的精确对准,因此复合轴的跟踪技术是关键,粗精复合的耦合性问题成为研究重点。设计了一套基于单探测器复合轴的跟踪系统,对其原理及关键技术进行阐述,采用粗跟踪配合补偿精跟踪偏转量的方法,解决了耦合性问题,并完成伺服控制系统设计。搭建实验系统对跟踪性能及指标进行验证,实验结果表明,在±0.25°@0.1Hz扰动下系统跟踪误差控制在1个像素之内,跟踪误差均方根为0.13,结合实际条件知,系统像元角分辨率22μrad,故系统整体跟踪精度优于3μrad,可实现对信标光的精确跟踪,满足空间激光通信的应用需求。     

Modified Fuzzy Linear Discriminant Analysis for Threshold Selection

Otsu’s thresholding method is a popular and efficient method for image segmentation. However, its performance is greatly affected by noise and the population size of object and background. In this paper, a novel thresholding method is proposed based on modified fuzzy linear discriminant analysis (MFLDA). MFLDA is an extension of linear discriminant analysis to fuzzy domain, where the between-class variance is modified as the distance between the centers of background and object. The optimal threshold is selected such that the MFLDA criterion is maximized. Some images are used to test the performance of the proposed thresholding method and results reveal that the proposed method is less affected by noise, the population size of objects and background, and better segmentation results are obtained than Otsu’s method and other classical thresholding methods.     

摆镜式激光通信终端光束指向与粗跟踪特性

基于两正交旋转轴的单平面镜（摆镜式）激光通信终端的粗跟踪问题,提出了一种求解光束指向的法矢量求解算法,给出了该类型通信终端的粗跟踪算法。采用矢量反射定律和矩阵旋转变换规律,理论推导了摆镜的光束指向模型和跟踪模型,对比分析了不同安装方式对光束指向和畸变的影响,并对模型分别进行了建模仿真和实验研究。结果表明:光束传输模型和粗跟踪模型的精度优于3 μrad,所研制的摆镜式激光终端粗跟踪精度,最大误差优于15.5 μrad (3σ),均方根误差优于10.5 μrad,满足激光通信终端对高精度粗跟踪的技术要求。该研究工作对摆镜式扫描系统的光束指向分析和激光终端粗跟踪具有借鉴意义。     

基于迭代学习控制的潜望式激光通信终端系统的动态跟踪设计

为提高潜望式激光通信终端伺服系统的动态跟踪性能,针对基于永磁同步电机的二维伺服转台的控制系统进行了设计。通过采取空间矢量控制方法实现电机的解耦控制,建立控制模型并完成了各控制回路的设计。针对动目标跟踪设计了迭代学习控制方法以提高通信终端的动态跟踪性能,并对控制系统的速度阶跃响应进行测试,分析通信终端系统的低速平稳性。最后,搭建了4.62 km激光通信的动态跟踪实验,利用六自由度转台模拟平台抖动,为动态跟踪验证实验创造外部平台扰动条件。实验结果表明:通信终端系统速度阶跃响应的稳态误差为±0.02 (°)/s,表明伺服系统速度回路具有较快的动态响应特性和较高的稳态精度,在最大加速度为0.219 (°)/s2的正弦波扰动条件,二维伺服转台的动态粗跟踪精度可以达到62 μrad,粗精复合跟踪精度优于2 μrad,验证了通信终端伺服系统的有效性及其动态跟踪性能,为进一步提高终端系统的跟踪精度奠定基础。     

采用剪切波变换的红外弱小目标背景抑制

提出了一种将剪切波变换与贝叶斯统计机理相结合的背景抑制新方法来解决红外搜索跟踪系统探测复杂空中和地面背景杂波中的弱小目标这一难题.根据红外图像中目标和背景杂波的不同分布特性,首先,采用剪切波变换对原始红外图像进行多尺度和多方向分解,获得原始图像的多尺度和方向细节特征,然后,通过应用高斯尺度混合模型进行处理,从而将红外图...     

Experiment study of ATP system for free-space optical communications

To meet the requirement of high tracking angular accuracy for the acquisition, tracking, and pointing (ATP) subsystem of the free-space optical communication, and provide the basis for the further optical communication between maritime mobile platforms, the experimental system, which executing part for the fine tracking is voice coil motor with high frequency and good performance for error compensation, is established, and the whole system can be controlled by personal computer. A series of experiments has been done for the simulation target of different uniform speed, and the data of tracking error for fine tracking and coarse tracking are collected, analyzed and evaluateds separately, and the real-time optical power of communication laser is also collected. The result shows that standard deviation for ATP system tracking error increases with the increase of target speed, while the range of tracking error appears to be no order. Furthermore, communication link can be hold for a long time.