基于光纖通信的光電跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 愷，周 權(quán)，，程玉寶，，邵 立，，賀 巍

（1.解放軍電子工程學(xué)院脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230037；2.解放軍電子工程學(xué)院光電系，安徽合肥 230037）

基于光纖通信的光電跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 愷1，周 權(quán)1，2，程玉寶1，2，邵 立1，2，賀 巍2

（1.解放軍電子工程學(xué)院脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230037；2.解放軍電子工程學(xué)院光電系，安徽合肥 230037）

介紹一種基于光纖通信的光電跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊均采用高性價(jià)比的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行集成。介紹了光纖通信、光電跟蹤的基本原理，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件組成，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了測試和分析。基于該系統(tǒng)的光電跟蹤實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行У丶ぐl(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的進(jìn)一步完善作出了展望。

光纖通信；光電跟蹤；CCD攝像機(jī)；數(shù)字云臺(tái)

隨著科技的發(fā)展，光電跟蹤技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代精確制導(dǎo)武器的一種主要制導(dǎo)手段。光電跟蹤實(shí)驗(yàn)是各高等院校光電相關(guān)專業(yè)一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程，也是我院軍用光電工程實(shí)驗(yàn)體系的重要組成部分。傳統(tǒng)光電跟蹤實(shí)驗(yàn)儀器針對的專業(yè)范圍過窄、綜合化程度較低、成本高，儀器不能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理，或不能后續(xù)開發(fā)利用［1-2］。為了改變這一現(xiàn)狀，讓學(xué)生更直觀、形象地了解光電跟蹤的原理及過程，本文盡可能地利用現(xiàn)成的裝置和成熟的光纖通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了高性價(jià)比、易操作、直觀實(shí)用且具有可擴(kuò)展性的基于光纖通信的光電跟蹤綜合性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 光電跟蹤原理

在跟蹤前，首先檢測出需跟蹤的特定目標(biāo)（當(dāng)然也可以在視頻序列中手動(dòng)框定特定的跟蹤目標(biāo)）。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤應(yīng)用視頻圖像的顏色分布模型。通常使用的RGB色彩空間并不能很好地反映視覺上的顏色感知性，2個(gè)彩色點(diǎn)的RGB空間距離也不能反映其感知度的相似性。故將RGB空間轉(zhuǎn)化為SHV空間來衡量［3］。SHV分別代表色度、飽和度和亮度值。

將當(dāng)前SHV彩色圖像離散化為m個(gè)區(qū)域，在跟蹤時(shí)，為了讓可靠的像素點(diǎn)有較大的權(quán)重，引入如下的權(quán)重函數(shù)，

式中D（i）為差分圖像的像素值。

式中，Hx和Hg分別代表矩形框的長和寬的半軸長，THRE為閾值，ri為方框內(nèi)像素點(diǎn)i遠(yuǎn)離矩形框中心點(diǎn)的歸一化距離，Δx是i點(diǎn)的橫坐標(biāo)到當(dāng)前矩形框中心的水平距離，Δy是i點(diǎn)的橫坐標(biāo)到當(dāng)前矩形框中心的垂直距離，由下式確定：

式中，Bt（x）為t時(shí)刻x點(diǎn)處背景像素值，It（x）為t時(shí)刻x點(diǎn)處當(dāng)前像素值。由上面的權(quán)重函數(shù)，采用如下的公式計(jì)算區(qū)域像素的顏色分布：

跟蹤時(shí)，以矩形框的中心為跟蹤點(diǎn)，預(yù)測位置在上一幀的鄰域搜索。在實(shí)驗(yàn)中，采用7×7像素模板，度量兩模板的相似度：

式中q（u）為計(jì)算區(qū)域內(nèi)像素顏色的標(biāo)準(zhǔn)分布。ρ越大，則分布的相似度越高。對于ρ具有最大匹配值的點(diǎn)（p，q）即認(rèn)為是目標(biāo)的位置。

2 視頻光纖傳輸原理

光纖傳輸具有頻帶寬、傳輸容量大、損耗小、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾性好、保密性好等一系列明顯的優(yōu)點(diǎn)。要將采集的視頻信號(hào)進(jìn)行光纖傳輸，先將其轉(zhuǎn)換為TTL電平輸出，必須轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，這就需要串行收發(fā)器進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換［4］。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，本實(shí)驗(yàn)采用武漢凌特科技研發(fā)的LTE-GX-02E實(shí)驗(yàn)箱。該實(shí)驗(yàn)箱集成了Alter-FPGA、S2067及SDA7123芯片，分別用于視頻信號(hào)的TTL轉(zhuǎn)換、并行串行轉(zhuǎn)換及D／A轉(zhuǎn)換。

S2067芯片是AMCC公司生產(chǎn)的具有雙向接收和發(fā)送功能的高速串行數(shù)據(jù)傳輸芯片，同時(shí)具有串化／解串功能，并行數(shù)據(jù)寬度16位，操作速率范圍寬達(dá)0.77GHz～1.3GHz，提供2Gbit／s的串行速率，最大帶寬可達(dá)到2.16Gbit／s，適用于雙向、點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。S2067內(nèi)部集成并／串和串并轉(zhuǎn)換單元、時(shí)鐘合成／恢復(fù)單元、自動(dòng)8B／10B編碼／解碼單元、串行中斷、TTL中斷輸出等。同時(shí)S2067提供自測試功能，當(dāng)自測功能開啟時(shí)串化后數(shù)據(jù)直接連接到本芯片的解串部分。另外還提供隨機(jī)數(shù)列發(fā)生／驗(yàn)證單元和信號(hào)丟失檢測電路，調(diào)試方便［5-6］。

實(shí)驗(yàn)箱集成的SDA7123作為數(shù)字視頻信號(hào)的D／A轉(zhuǎn)換芯片。SDA7123是一個(gè)3路高速、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的單片集成電路。它包括3路高速、10位輸入的視頻D／A轉(zhuǎn)換器、標(biāo)準(zhǔn)的TTL輸入和互補(bǔ)輸出高阻抗的模擬輸出電流源，還附加2路視頻控制信號(hào)。SDA7123最大采樣速度240MHz，當(dāng)時(shí)鐘頻率為50 MHz、輸出為1MHz時(shí)，信噪比為-70dB；當(dāng)時(shí)鐘頻率為140MHz、輸出為40MHz時(shí)，信噪比為-53dB。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件組成及工作原理

綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)箱和外設(shè)組成。實(shí)驗(yàn)箱包括光纖發(fā)送電路、光纖接收電路、微控制器及其接口電路、光纖收發(fā)組件以及電源模塊等，外設(shè)主要包括面陣CCD攝像機(jī)、數(shù)字云臺(tái)、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)及顯示器等。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光電跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

光電跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本工作原理：光學(xué)系統(tǒng)將搜索得到的目標(biāo)成像到CCD上，并由CCD將該圖像轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)；然后輸入到光纖發(fā)送電路轉(zhuǎn)化為光信號(hào)并進(jìn)入光纖進(jìn)行傳輸，光信號(hào)到達(dá)接收端后由接收電路轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，并輸入視頻采集卡，采集卡再將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)對上述數(shù)字圖像的邊緣進(jìn)行檢測，再對圖像的中心位置進(jìn)行提取；計(jì)算機(jī)通過自動(dòng)尋找不同時(shí)刻飛行器的圖像中心，得到圖像中心與屏幕中心的位置偏差［7-8］，同時(shí)將此偏差發(fā)送給云臺(tái)控制器，控制云臺(tái)俯仰、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，調(diào)整鏡頭姿態(tài)，使光學(xué)探測器所檢測到的飛行器圖像始終位于屏幕中心附近，有利于對目標(biāo)的跟蹤和識(shí)別。

（1）數(shù)字CCD相機(jī)。采用JAI公司Compact系列數(shù)字工業(yè)相機(jī)中的CB-141PMCL，該相機(jī)能夠提供1 392×1 040像素分辨率，最大幀率為30f／s的傳輸速度及最大12bit數(shù)據(jù)格式的圖像，并提供Base型Camera Link的接口及一個(gè)模擬視頻接口，完全能夠滿足數(shù)字及模擬視頻信號(hào)實(shí)時(shí)采集與傳輸?shù)男枰?/p>

（2）數(shù)字云臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用了DQ8000Z型數(shù)字云臺(tái)作為攝像機(jī)跟蹤目標(biāo)的機(jī)械平臺(tái)。它由2臺(tái)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)三維轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)接受來自控制器的信號(hào)并實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)行定位［9-10］。水平旋轉(zhuǎn)角度為0°～350°，垂直旋轉(zhuǎn)角度為＋90°，同時(shí)，該云臺(tái)的水平旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)480°／s，垂直旋轉(zhuǎn)速度為120°／s。

（3）光纖通信實(shí)驗(yàn)箱。采用武漢凌特科技研發(fā)的LTE-GX-02E，該實(shí)驗(yàn)箱采用開放式對稱結(jié)構(gòu)，提供多種終端，可以實(shí)現(xiàn)8路計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、2路圖像、2路語音信號(hào)以異步復(fù)接或WDM方式進(jìn)行全雙工光纖混合傳輸，能充分體現(xiàn)光纖傳輸優(yōu)良的帶寬性能及多媒體傳輸特性。光纖采用1 310nm的光發(fā)射及接收模塊，并集成了Alter-FPGA、S2067及SDA7123芯片，分別用于視頻信號(hào)的TTL轉(zhuǎn)換、并行串行轉(zhuǎn)換及D／A轉(zhuǎn)換［11］。

（4）顯示及控制終端。包括視頻采集卡、計(jì)算機(jī)及顯示器。采集卡將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)顯示及處理，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)對云臺(tái)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的鎖定及跟蹤。視頻采集卡選用品尼高Studio9，擁有2套完整的I／O口，可提供最高達(dá)400 Mbit／s的傳輸速率。利用采集卡可將模擬視頻以MPEG、AVI、WMV等格式保存為視頻文件，也可直接刻錄成VCD或DVD。顯示器采用VGA接口的TFT液晶顯示器（聯(lián)想L197WA），響應(yīng)時(shí)間為5ms，分辨率為1 440×900像素，完全能夠滿足視頻圖像的實(shí)時(shí)顯示。編寫的相應(yīng)的光電跟蹤軟件的流程圖見圖2。

4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

首先將1 310nm光接收發(fā)模塊調(diào)為無失真?zhèn)鬏敔顟B(tài)，用視頻線連接攝像頭和1 310nm光發(fā)模塊的輸入端口，用視頻線連接1 310nm光收模塊的模擬輸出接口和視頻采集卡；打開系統(tǒng)電源及計(jì)算機(jī)，打開光電跟蹤軟件，監(jiān)視器上會(huì)顯示攝像頭傳輸?shù)囊曨l信號(hào)；再調(diào)節(jié)1 310nm光接收模塊的RP106、RP108，將圖像質(zhì)量調(diào)整到最佳，用鼠標(biāo)框選要跟蹤的目標(biāo)；然后點(diǎn)擊跟蹤按鈕，開始目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤，自動(dòng)跟蹤開始后，計(jì)算機(jī)按照跟蹤軟件的算法控制云臺(tái)進(jìn)行俯仰和轉(zhuǎn)動(dòng)，最終使目標(biāo)到達(dá)攝像機(jī)的視場中心處，如圖3所示。圖4中上信號(hào)為CH1信道中光接收模塊的輸出的視頻信號(hào)波形，下信號(hào)為CH2信道中CCD攝像機(jī)的輸出信號(hào)（也是調(diào)制輸入端信號(hào)）。

圖2 光電跟蹤軟件流程圖

圖3 目標(biāo)自動(dòng)跟蹤

圖4 CCD輸出及光接收模塊輸出的視頻信號(hào)波形

可見，解調(diào)之后的信號(hào)的頻率、幅度、波形與輸入信號(hào)保持一致，實(shí)現(xiàn)了視頻信號(hào)光纖通信的保真，且整個(gè)系統(tǒng)的跟蹤效果良好，系統(tǒng)能夠自動(dòng)使目標(biāo)保持在攝像機(jī)視場的中心處。

5 結(jié)束語

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用技術(shù)成熟的外設(shè)，配合國產(chǎn)性價(jià)比較高的實(shí)驗(yàn)箱能夠搭建光電跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，而且學(xué)生通過對該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作能較好地把光纖通信、光電跟蹤的原理和實(shí)踐聯(lián)系起來，更直觀地了解光纖信息傳輸及光電跟蹤的相關(guān)知識(shí)及過程。使用普通CCD攝像機(jī)、國產(chǎn)數(shù)字云臺(tái)、光纖通信實(shí)驗(yàn)箱等高性價(jià)比的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行功能集成，大大降低了整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的成本［12］。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的FPGA芯片功能擴(kuò)展方便，可以實(shí)現(xiàn)VHDL編程，對輸入的圖像信號(hào)進(jìn)行處理后輸出等功能；而且隨著光端機(jī)的普及，也可用光端機(jī)替代實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行圖像信號(hào)的光纖傳輸［13］，此外對于光電跟蹤的算法也可以不斷完善和更新，從而進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)的新穎性和擴(kuò)展性。

（References）

［1］沈濤，黃金哲，姬廣舉，等.光纖通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2010（9）：24-27.

［2］何家維，何昕，魏仲慧.高速Cameralink圖像數(shù)據(jù)光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.信息技術(shù)，2011（10）：27-31.

［3］王歆，許占偉.一種空間目標(biāo)光電跟蹤新方法［J］.天文學(xué)報(bào)，2012（2）：40-43.

［4］林琳，王加賢，凌朝東.四路視頻和音頻信號(hào)的光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（1）：35-38.

［5］陳昕.數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中光收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)與研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2009.

［6］劉佳，孫立.基于FPGA的視頻信號(hào)數(shù)字化光纖傳輸實(shí)驗(yàn)接收裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2011（7）：17-20.

［7］顏世剛，劉少偉，柳磊.光電跟蹤系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助控制實(shí)現(xiàn)［J］.光學(xué)與光電技術(shù)，2009（3）：33-36.

［8］畢永利，劉琳，黃顯林，等.光電平臺(tái)自動(dòng)跟蹤控制技術(shù)［J］.中小企業(yè)管理與科技：下旬刊，2011（9）：12-15.

［9］蔣鋒.基于ARM的光電跟蹤系統(tǒng)伺服控制器設(shè)計(jì)［D］.西安：中國科學(xué)院研究生院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，2009.

［10］鄧超.無線光電自動(dòng)跟蹤平臺(tái)研究［J］.信息通信，2011（5）：51-55.

［11］武奕楠，呂增明，張宇，等.基于FPGA的多通道面陣CCD成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.光機(jī)電信息，2011（6）：28-32.

［12］胡君亮.低成本光纖通信實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和制作［J］.物理教師，2005（8）：30.

［13］周建華.光纖通信綜合性實(shí)驗(yàn)探索［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2005（增刊1）：53-54.

Design of one experimental system for photoelectric tracking based on optical fiber communication

Zhang Kai1，Zhou Quan1，2，Chen Yubao1，2，Shao Li1，2，He Wei2
（1.State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology，Hefei 230037，China；2.Electronic Engineering Institute of PLA，Hefei 230037，China）

The design and realization of one experimental system for the photoelectric tracking based on the optical fiber communication are introduced.The modular design is used for the system，where each module using the high cost-effective independent experimental device is integrated.The basic principle of optical fiber communication，optoelectronic tracking and the experimental hardware composition of the system are introduced.Meanwhile the experimental results of the system are tested and analyzed.The students’learning interest can be effectively stimulated，and their knowledge can be expanded as well as their practical and innovative ability can be improved by the optical fiber communication experiment based on this system.Finally the further improvement of the experimental system is prospective.

optical fiber communication；optoelectric tracking；CCD camera；digital platform

TN929.11-33

A

1002-4956（2013）03-0070-04

2012-06-29 修改日期：2012-09-05

軍隊(duì)2110實(shí)驗(yàn)室建設(shè)1、2期

張愷（1982—），男，上海，碩士，助教，從事軍用光電子學(xué)及光電對抗的教學(xué)和科研工作.

E-mail：kzhang＠aiofm.ac.cn