FPGA變間隔碼預(yù)測的激光光斑采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

駱 強(qiáng),呂鴻鵬,孫衛(wèi)平,常 磊,劉 灝,張翔宇,楊 勇

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 陜西 西安 710065)

精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)的激光光源或激光指示器光斑相關(guān)參數(shù)是衡量激光制導(dǎo)武器相關(guān)技戰(zhàn)術(shù)性能的重要指標(biāo)[1-2]。目前通用方法是用攝像機(jī)采集激光光斑，但是由于激光光斑存在的時(shí)間非常短[3]，容易出現(xiàn)激光光斑圖像與攝像機(jī)采集的不同步，導(dǎo)致不良結(jié)果——捕捉不到或捕到的不是最亮的光斑圖像，丟失部分或者全部激光光斑信息。針對該問題，本文設(shè)計(jì)一種基于FPGA變間隔碼預(yù)測的激光光斑采集系統(tǒng)，用于測試常見激光光源性能參數(shù)，分析其脈沖寬度、脈沖間隔精度、能量密度、頻率、編碼形式等參數(shù)，采用特定算法，可以計(jì)算出光斑的大小、能量分布、光斑質(zhì)心、形心等參數(shù)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

整個采集系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)漫反射靶、激光探測器、CCD相機(jī)、同步控制器、視頻采集卡、圖像測量分析軟件組成，如圖1所示。其中，標(biāo)準(zhǔn)漫反射靶用于激光光斑的反射；激光探測器用于捕獲反射后的激光能量；CCD相機(jī)用于激光光斑圖像的光電轉(zhuǎn)換；同步控制器用于接收激光探測器發(fā)出的同步脈沖，并按照接收同步脈沖的時(shí)間計(jì)算下一個激光脈沖的到達(dá)時(shí)刻，從而發(fā)送信號控制相機(jī)電子快門工作；視頻采集卡用于對攝像機(jī)輸出的視頻信號進(jìn)行采集；圖像測量分析軟件根據(jù)采集的激光光斑圖像，計(jì)算出光斑的大小、能量分布、光斑質(zhì)心、形心等參數(shù)。

圖1 光斑采集系統(tǒng)的組成

1.2 工作原理

同步控制器接收到激光探測器發(fā)出的激光同步脈沖后，控制CCD相機(jī)攝制經(jīng)過漫反射后的激光圖像，獲得漫反射靶上二維激光圖像的光束強(qiáng)度分布。同時(shí)，計(jì)算機(jī)在同步脈沖控制下接收位于漫反射靶上定標(biāo)探測器的能量數(shù)據(jù)，解算出每一個光斑圖像中任意一點(diǎn)的能量值，求得光斑總能量，采用特定算法，在圖像測量分析軟件中計(jì)算出光斑的大小、能量分布、光斑質(zhì)心、形心等參數(shù)。

2 主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

CCD攝像機(jī)用于采集激光光斑， 本設(shè)計(jì)采用具有LVDS接口的高靈敏度黑白攝像機(jī)。該攝像機(jī)有效視頻像元數(shù)為 1 024×1 024，CCD傳感器為2/3＂，像元尺寸為6.45 μm×6.45 μm，視頻輸出格式為12 bit[4]，具有外部觸發(fā)控制功能。該攝像機(jī)在激光波長處，比普通攝像頭敏感4倍。畫面上模糊點(diǎn)被降低到最少，其動態(tài)范圍比普通攝像頭高，具體的光敏曲線如圖2所示。

視頻采集卡將來自CCD攝像機(jī)的激光光斑圖像信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并輸入計(jì)算機(jī)中。視頻采集卡性能好壞，直接影響形成的光電數(shù)字圖像質(zhì)量，進(jìn)而影響光斑圖像的分析、數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性。本設(shè)計(jì)中采用高清晰、降噪視頻采集卡，該視頻采集卡采用PCI接口和計(jì)算機(jī)相連。視頻采集卡的工作過程是：視頻信號經(jīng)CCD攝像機(jī)傳到視頻采集卡后，首先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；然后PCI總線將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字視頻信號進(jìn)行緩存，經(jīng)過PCI總線緩存器，存儲到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，計(jì)算機(jī)可處理采集到的圖像，也可將采集到的內(nèi)存圖像信號傳送到計(jì)算機(jī)顯示卡顯示。視頻采集卡甚至可將A/D輸出的數(shù)字視頻信號經(jīng)PCI總線直接送到顯示卡，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)終端實(shí)時(shí)顯示。

圖2 高靈敏度黑白攝像機(jī)光敏曲線

同步控制器運(yùn)用CCD測量激光光斑的最大困難在于激光光斑照射時(shí)間非常短，只有十幾納秒，且光斑出現(xiàn)時(shí)間與攝像機(jī)幀頻不同步。這將導(dǎo)致漏采集或采集到的光斑非光能最大時(shí)刻。為確保采集到連續(xù)、完整、最亮的光斑圖像，必須通過同步控制電路的預(yù)測脈沖觸發(fā)CCD攝像機(jī)，使CCD攝像機(jī)在激光光斑到來之前提前打開電子快門，控制電子快門曝光時(shí)間，使光斑正好出現(xiàn)在快門打開階段。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

同步控制軟件通過對FPGA的編程實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA芯片采用altera公司的EP2C8T144I8芯片。同步控制軟件流程如圖3所示。首先利用FPGA芯片對接收到的激光同步脈沖緩存并進(jìn)行周期測量，之后根據(jù)測量的周期值進(jìn)行間隔分選，計(jì)算出脈沖間隔數(shù)，最后根據(jù)提前設(shè)置好的超前相位，輸出快門控制脈沖，控制照相機(jī)電子快門在每一個激光脈沖到來之前開啟工作，這樣保證相機(jī)能夠捕捉到完整的激光光斑。當(dāng)激光同步脈沖的間隔和周期參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，快門控制脈沖也會發(fā)生改變。工作原理圖如圖4。

圖3 同步控制軟件流程

首先對光斑圖像進(jìn)行預(yù)處理[5](圖像二值化)，以此為基礎(chǔ)計(jì)算光斑的大小、能量分布、光斑質(zhì)心、形心等參數(shù)。計(jì)算步驟和方法如下：

1) 光斑提取

遍歷光斑圖像，確定光斑峰值點(diǎn)所在位置，然后以此點(diǎn)灰度確定光斑灰度閾值：

Gthres=Gmax/e2

(1)

式(1)中，Gthres為光斑灰度閾值；Gmax為光斑最強(qiáng)能量點(diǎn)對應(yīng)的灰度。依此閾值對圖像進(jìn)行二值化。然后清除非光斑點(diǎn)，只保留光斑點(diǎn)集，以便提取出光斑。

圖4 快門脈沖產(chǎn)生示意圖

2) 光斑尺寸計(jì)算

光斑尺寸是衡量激光器性能的重要參數(shù)[6]。用光斑尺寸作為衡量光束質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)是一種比較直觀而簡便的方法。一般而言，光斑大小除與聚焦激光束本身特性有關(guān)外，還與所用聚焦光學(xué)系統(tǒng)特性有關(guān)。光斑尺寸的計(jì)算如式(2)：

(2)

式(2)中，x、y表示光斑的橫軸和縱軸。

3) 光斑形心計(jì)算

激光光斑位置的準(zhǔn)確定位是決定測量系統(tǒng)精度的關(guān)鍵因素。另外判斷光強(qiáng)均勻性需要采用計(jì)算光斑圖像形心與質(zhì)心偏差的方法，所以光斑形心是光斑的重要參數(shù)。通常在確定激光光斑中心位置前需預(yù)先確定激光光斑的邊緣位置，然后再計(jì)算出光斑中心位置。

(3)

式(3)中，分子表示構(gòu)成圖像的各個像素點(diǎn)的坐標(biāo)和；分母N表示圖像的總像元個數(shù)。

4) 光斑質(zhì)心計(jì)算

這里的質(zhì)心借用物理學(xué)中質(zhì)心的概念，表示激光光斑能量重心/光斑強(qiáng)度加權(quán)平均中心[7]。

設(shè)P(x,y)為點(diǎn)(x,y)發(fā)出的激光光斑信號強(qiáng)度，根據(jù)光斑質(zhì)心定義，攝像機(jī)采集的數(shù)字圖像質(zhì)心(xc,yc)為：

(4)

由于相機(jī)面陣CCD的離散采樣，質(zhì)心計(jì)算公式可以表示為：

(5)

式(5)中，i，j取遍該圖像內(nèi)每一像素，(xi,yj)為第(i,j)個像元對應(yīng)的CCD坐標(biāo)，Pij為第(i,j)個像元接收到的灰度值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在遠(yuǎn)場測試時(shí)，距離被測激光漫反射靶板100 m處發(fā)射激光信號，采集的原始光斑圖像如圖5，原始圖像包含噪聲影響并且邊緣粗糙，通常需要對光斑進(jìn)行優(yōu)化[8]。

圖5 原始光斑圖像

激光光斑圖像預(yù)處理采用減背景法，算法開銷小，速度快，可以有效去除部分噪聲干擾。然后對圖像進(jìn)行閾值變換，變?yōu)槎祱D像，這種圖像往往含有雜點(diǎn)，如圖6所示，有很多孔洞和邊緣毛刺，理論上激光光斑為高斯分布，邊界光滑。

圖6 處理后光斑圖像

為準(zhǔn)確確定光斑區(qū)域，需要對二值圖像輪廓提取和篩選，目前圖像識別領(lǐng)域常用的邊界識別算法有梯度算子、Hough變換等[9]，由于理想激光光斑為圓形，本文采用Sobel算子[10]對光斑邊界檢測。將模板在圖像上移動并在每個位置采用式(6)計(jì)算對應(yīng)的中心像素梯度值，激光光斑邊界檢測后的環(huán)形圖如圖7。

G(x,y)=maxGp(x,y)

(6)

Gp(x,y)=∑∑h(k,l)f(i+k,j+l)

(7)

圖7 邊界檢測結(jié)果圖

通過以上方案實(shí)現(xiàn)基于FPGA變間隔碼預(yù)測的激光光斑采集系統(tǒng)，并對其進(jìn)行調(diào)試和測試，測試結(jié)果如下：

1) 視頻采集功能正常、能夠長時(shí)間、不間斷的獲取采集卡上輸出的數(shù)據(jù)；

2) CCD 工作在外觸發(fā)模式下，圖像采集連貫，激光光斑采集率達(dá)99%，CPU 占用率低。但是，當(dāng)外觸發(fā)信號頻率過高(超過視頻采集卡外觸發(fā)幀頻)，圖像顯示存在一定時(shí)延；

3) 系統(tǒng)可獲取完整的激光光斑圖像，從而得到準(zhǔn)確的激光光斑數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)并完成了一種基于FPGA變間隔碼預(yù)測的激光光斑采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確得到光斑數(shù)據(jù)，如光斑尺寸、形心和質(zhì)心參數(shù)。激光光斑采集率達(dá)99%，測量速度快、精度高，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

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