復雜背景下遠距離合作信標識別與定位*

岳成海，佟新鑫，李英杰，劉 松，周 勇

(1. 中國科學院光電信息處理重點實驗室·沈陽·110016;2.中國科學院沈陽自動化研究所· 沈陽·110016;3.中國科學院機器人與智能制造創新研究院· 沈陽·110169)

0 引 言

合作信標識別與定位是飛行器測控應用領域的關鍵技術，如火箭彈遙測制導、無人機遠程跟蹤等。傳統合作信標一般為常亮模式,如燃燒發光體、熱輻射源、氙氣燈，不具備信息調制能力。文獻[1]對美制陶式反坦克導彈的技術路線進行了詳細的描述，彈上信標從最初的熱源信標到氙燈/熱輻射復合信標的迭代，抗干擾能力不斷提高。黃靜等[2]對點源目標的紅外成像作用距離進行了系統論述。由于采用的信標不具備編碼調制功能，信標特性簡單，處理方法單一，無法適應復雜環境或存在主動干擾源的應用場景。同時，受燃料或電能限制，遠距離工作條件下難以實現較高光能輸出，光能衰減后，也難以實現信標的準確識別。

本文針對傳統信標光源的不足，將半導體激光光源作為合作信標光源，充分利用半導體激光光源輸出功率高、開關響應速度快等特性，對驅動調制電路進行研究[3-5]。在調制方式上，引入多種調制方法，實現特定信息到光信號的編碼轉換，以適應復雜的應用環境；在信號接收上，采用面陣CMOS圖像傳感器作為信號接收組件，并在成像前端配置光譜選通組件；信息解調時，設計與信標調制端耦合的解調算法，實現合作信標在復雜應用場景下的準確識別與定位，提高環境適應性與抗干擾能力。

1 驅動調制電路及調制算法設計

1.1 驅動調制電路設計

根據點源目標的作用距離分析[2]可知，為保證遠距離(≥3km)復雜背景下合作信標的信號強度，設計的信標光源輸出光功率應不小于30W，選用半導體激光光源(Laser Diode，LD)作為信標光源，可滿足輸出功率需求與調制需求。設計具有光源輸出功率穩定控制與調制功能的電路系統[3-5]。

對于線性度好的半導體激光器，輸出功率為注入電流的線性關系，如式(1)，其中η為功率轉換系數(與激光器本身參數有關：如諧振腔尺寸等，在一定溫度下，近似為常數，可查閱半導體激光器制造商的數據手冊得到，一般為0.5～0.8)，I為輸入電流，Ith為閾值電流。

P=η(I-Ith)

(1)

圖1所示為半導體激光器的輸出光功率隨加載在半導體激光器上的電流的變化關系，當加載電流小于閾值電流時，激光器工作于自發發射，輸出熒光，輸出光功率很小；當加載電流大于閾值電流時，激光器工作于受激發射，輸出激光，輸出光功率隨加載電流增加，近似呈線性關系。由圖1可知，半導體激光器的閾值電流隨溫度升高而成倍增大；發光效率隨溫度升高而降低，主要由內部熱損耗與量子效率降低導致。

圖1 半導體激光器L/I曲線Fig.1 L/I curve of semiconductor laser

為保證激光器光功率穩定，驅動電路一般包含恒流驅動與恒功率驅動兩種方式。恒流驅動電路一般包含調制輸出電路、電壓/電流轉換電路與反饋電路，反饋電路實時采集流過LD的電流值，調制輸出電路與基準電壓比對，調整輸出給電壓/電流轉換電路的電壓值，達到動態穩定，實質為負反饋控制方式。恒功率驅動電路由電流源與光電探測器組成，以光電探測器采集輸出光功率作為反饋，控制輸入的驅動電流大小，結構較復雜。本文采用恒流驅動方式，并增加溫度監測與控制電路來設計驅動調制電路。

在評估分立元件與集成芯片的優缺點后，選用MAX20078芯片作為半導體激光器的恒流控制器芯片設計驅動電路，系統組成如圖2所示。其中CP為主處理器，選用CPLD，完成所有功能模塊的配置與控制；RF為無線通信模塊，由NRF24L01芯片實現，通信距離可達3km，實現信標的遠程控制功能，通過SPI接口與CP互聯；AD模塊由TI高精度12位AD芯片ADC128S實現，采樣率達1MSPS，用于采樣驅動芯片的IOUTV端口電壓，從而測量驅動控制器的輸出電流，通過SPI接口與CP互聯；DA模塊由TI高精度12位DA芯片DAC128S實現，用于控制MAX20078的REFI端口，實現驅動模式配置，通過SPI接口與CP互聯；VC模塊為驅動輸出端電壓、電流、功耗監測模塊，由TI精密電源管理芯片INA260實現，此芯片為16位電流/電壓/功率監控器，通過I2C接口與CP互聯；UC為MAX20078示意框圖，DIM為輸出狀態控制端口，FLT為工作狀態指示端口，兩個端口直接連接CP的GPIO口；TE為溫度監測模塊，實現半導體激光器溫度監測，通過SPI接口與CP互聯。

圖2 調制與驅動電路框圖Fig.2 Block diagram of modulation and drive circuit

1.2 調制方法設計

復雜背景或特殊應用場景下，干擾源各式各樣，不僅包含自然光干擾源，還存在主動干擾源，例如主動對抗干擾，這對合作信標的有效鑒別提出了很大的挑戰。信標調制的目的是實現信標的抗干擾性能，包含功率調制、開關調制、編碼調制。

為配合圖像傳感器成像解調方式，首先由解調端通過無線通信接口發送控制指令，配置調制信號頻率、信號極性關系、調制方式。其中調制信號頻率等價于開關頻率；極性關系指開/關與1/0的映射關系；調制方式包含功率調制、開關調制、直接頻率調制、頻率編碼調制、信息編碼調制，其中信息編碼方式包含奇偶校驗碼、漢明校驗碼、循環冗余校驗碼等。

為兼容信標的運動應用場景，設計的成像解調端圖像處理能力為200Hz，信標輸出的調制頻率范圍為1～200Hz。

(1)功率調制

為實現恒定出光功率，CP處理器實時采集半導體激光器的溫度與驅動芯片的輸出電流，首先根據L/I曲線得到閾值電流，結合式(1)，調整驅動芯片UC的REFI端口的電壓值或DIM端口的PWM信號占空比，實現所需電流輸出，等價于一個反饋環路，達到動態平衡，同時應保證輸出的電壓電流不超過半導體激光器的工作閾值。

(2)開關調制

光源的開關控制通過控制驅動控制芯片的DIM接口實現，首先將REFI端口配置為1.2V以上，此時驅動控制芯片的輸出由DIM端口控制，當DIM為低電平時，輸出關斷；當DIM為高時，輸出開啟。開關調制需要與解調端進行同步化(同步設計參考下文)，只需要在解調窗口內開啟，其他時間窗口關斷，這樣的工作方式有利于系統功耗控制，可有效降低半導體激光器的溫升，提高激光器的穩定性。如圖3所示，開關輸出模式下，L/I曲線更穩定。

圖3 不同輸出模式的L/I曲線Fig.3 L/I curve for different output modes

(3)直接頻率調制

由成像解調端通過無線通信接口發送控制指令，配置調制頻率，CP控制器根據頻率調整驅動控制器DIM端口的開關頻率，實現輸出光信號的頻率變化。

(4)頻率編碼調制

首先由解調端通過無線通信接口配置所需調制頻率，頻率編碼的定義示例如圖4所示，包含常亮段、常暗段和頻率編碼段。設信標輸出的開關頻率為200Hz，常亮為1，常暗為0，解調指令配置頻率為200Hz，則對應的頻率編碼段[0∶7]為10101010，完整編碼數據為10-1010-10-1010；解調指令配置頻率為100Hz，則對應的頻率編碼段[0∶7]為11001100，完整編碼數據為10-1100-10-1100；解調指令配置頻率為50Hz，則對應的頻率編碼段[0∶7]為11110000，完整編碼數據為10-1111-10-0000。

圖4 頻率編碼格式Fig.4 Frequency encoding format

(5)信息編碼調制

首先由解調端通過無線通信接口配置信息編碼方式與信息，這里對奇偶校驗碼和漢明校驗碼兩種編碼方式進行編碼分析。

①奇偶校驗碼

奇偶校驗碼可以檢測出奇數個數的位出錯，通過在要校驗的編碼上加一位校驗位組成，解碼端發送的信息為3bit的110，則編碼信息由4bit構成，信息段為3bit，校驗段為1bit，如圖5所示。在奇校驗模式下，編碼后為1101，對應的完整編碼數據為10-1101；在奇校驗模式下，編碼后為1100，對應的完整編碼數據為10-1100。

圖5 奇偶校驗碼編碼格式Fig.5 Parity check code encoding format

②漢明校驗碼

漢明碼不僅具有糾錯功能，還能根據驗算過程判斷出發生錯誤的位置。例如解碼端發送的信息為4bit的0110，根據漢明校驗碼的編碼規則，需要的校驗位數為3，總長度為7，如圖6所示，0、1、2、3為信息位，4、5、6為校驗位，編碼信息段值為0110-011。特別注意，由于信息段較長，實際傳輸時將其拆分為兩段，因此最終的信標編碼為10-0110-10-011。

圖6 漢明碼編碼格式Fig.6 Hamming encoding format

漢明碼糾錯過程：假如漢明碼的第7位(對應圖6中的0位)出錯，解碼接到數據為1110011，首先根據漢明碼編碼方式得到校驗字段為100，接收的校驗字段為011，每個位置都對不上，因此出錯的位數為7，正確的信息為0110。

2 解調及識別定位算法設計

合作信標將信息轉化為特定格式的光信號后，以合適的功率向外輻射，信號接收選用成像接收模式[6-11]，可同時實現合作信標的定位與識別。成像接收模式下，采用CMOS圖像傳感器采集合作信標所在區域的圖像，當信標光源開啟時，成像為具有一定亮度的亮斑；當信標關閉時，成像為背景，如圖7所示。

圖7 開啟與關閉測試Fig.7 Opening and closing test

2.1 成像解調與編碼同步

成像與信標開關時序如圖8所示，例如信標開啟(on)時間為5ms，關斷(off)時間為5ms，開啟上升時間為t1，關斷下降時間為t2，A、B點分別為圖像傳感器的曝光開始與結束時間點，系統同步的目的是保證信號采集窗口te位于on、off的穩定區間內。t1與t2由驅動電路與半導體激光器的特性決定，一般為幾十ns，對幾百μs到幾ms的曝光時間而言，影響很小，可不做考慮。

圖8 成像與信標編碼時序圖Fig.8 Timing of imaging and beacon coding

工作過程中，合作信標與成像解調為兩個獨立系統，根據使用場景的不同，設計了三種同步方式。

(1)硬同步

使用中，兩個系統通過IO線進行連接，分為主從機，由主機發送計時零點信號，實現兩個系統的同步，同步完成后即可斷開IO線。

(2)無線通信指令同步

前文所述的調制驅動電路包含無線通信模塊。無線通信模塊包含編碼調制延遲與信道延遲，可通過實驗室測量得到發送延遲tx(發送端開始發送到接收端完成接收經過的時間)與接收延時rx(接收端發送響應開始到發送端接收完成經過的時間)。

發送與接收延遲的測量值存在一定的誤差，只能保證一段時間內的同步具有可靠性，需要每隔一定時間進行一次同步處理，以保證調制與解調系統的長時間穩定同步。

(3)成像解調自適應同步

在不進行系統同步的情況下，除圖9所示的理想成像時序關系外，還包含圖10所示的成像時序關系：成像窗口不在on、off的穩定區間內。

圖9 發送延遲和接收延遲Fig.9 Delay of sending and receiving

圖10 成像時序關系Fig.10 Timing of imaging

系統開始工作后，編碼調制端以200Hz的頻率輸出調制光信號，成像解調處理組件首先采集圖像進行處理，定位候選信標位置，然后以一定的步長調制曝光時間點A，當連續兩幀圖像都呈現出亮暗的規律時，同步完成，否則重新選擇候選信標點進行處理。

2.2 信標定位與識別算法

信標定位與識別算法包含三部分：信標定位、成像解調同步和信標調制識別。

(1)信標定位

解調端配置好曝光時間等成像參數后，發送關閉信標指令，采集圖像，解調端發送開啟信標指令，采集圖像；對上述兩幀圖像進行處理，如果某個區域發生亮斑的閃爍，可標記為候選區域，執行一次亮暗交替后，提取候選區可能有多個，可重復3次這個過程，初步進行篩選。信標定位流程如圖11所示。

圖11 信標定位流程圖Fig.11 Process of beacon positioning

閃爍亮斑提取方法可采用直接閾值分割法和差后閾值分割法，閃爍亮斑的判別條件包含閃爍、大小、亮度、外形等特征。

直接閾值分割法的處理流程為：首先對信標開啟時采集的圖像進行閾值分割，得到多個目標區域并記錄，然后采集信標關閉時的圖像，在上一步的記錄位置上進行閾值分割，如果沒有分割目標則標記該區域為候選目標點。該方法適用于背景干擾較少的情況。

差后閾值分割法采用先做幀間差分后分割的處理方式，具有較強的抗干擾能力。設信標開啟時采集的圖像為fk，信標關閉時采集的圖像為fk+1，T為閾值，x、y定義為像素坐標。

(2)

若信標開啟后的圖像與信標關閉后的圖像差大于等于閾值T則標記為1，否則標記為0，最終得到二值圖像，對二值圖像進行區域分割得到候選目標區域。閾值分割測試如圖12所示，圖12(a)為有背景干擾情況下，信標開啟時的成像圖，圖12(b)為信標關閉狀態下的成像圖，圖12(c)為差后閾值分割結果圖，可見該方法可有效去除背景干擾，準確提取信標區域。

(2)成像解調同步

信標定位完成后，進入成像解調同步流程，參考前文所述的同步方式，如果是硬同步或無線通信指令同步，可直接進入信標精確識別流程；如果是成像解調自適應同步，則需按流程進行成像端的成像時間基準調整。成像解調自適應同步處理流程如圖13所示。首先配置好信標的光功率與開關頻率，配置成像傳感器的成像頻率與開關頻率相同，曝光時間小于2.5ms，并隨機配置一個成像時間點。連續采集兩張圖像，在信標區域進行處理，參照圖10，移動曝光時間點，第一次出現亮暗交替時記錄時間點tm0，然后繼續移動曝光時間點(約束最大移動時間為5ms)，當出現暗亮交替時記錄時間點tm1，此時的tm1即為同步時間點。

(a)有干擾

(b)信標關閉

(c)分割結果

圖13 自適應同步處理流程Fig.13 Process of adaptive synchronization

(3)信標調制識別

在完成上述信標定位與同步后，還需要進行最終的信標調制識別，以更加準確地提取信標。處理流程為：解調端發送調制命令，信標進行響應，如果正確解調到所需的調制信號，則上文定位的信標是正確可靠的。

3 實驗驗證及結果分析

3.1 調制驅動電路測試

驅動電路的開關時間測量結果如圖14所示，上升時間小于50μs，下降時間小于50μs，滿足調制所需頻率要求。

圖14 驅動電路上升時間與下降時間Fig.14 Rising time and falling time of driving circuit

如圖15所示調頻輸出測量結果，調制頻率分別設定為200Hz、100Hz和50Hz，輸出信號變化與設定頻率一致。

圖15 調頻輸出結果Fig.15 Frequency output

3.2 工作距離測試

圖16(a)、(b)、(c)分別為1km、2km、3km距離下，圖像傳感器采集到的圖像，傳感器曝光時間為200μs，激光光源輸出功率為30W，信標成像清晰穩定。實驗結果表明，設計的光源滿足工作距離要求。

(a)1km測試

(b)2km測試

(c)3km測試

3.3 解調識別測試

圖17所示為200Hz頻率編碼測試，編碼為10～1010，解調同步后的成像端順序采集6幅圖像，信標區依次成像亮、暗、亮、暗、亮、暗，即10～1010，與編碼碼字一致。干擾目標解碼后為11～1111，可有效去除。

圖18所示為偶校驗編碼測試，原始信息數據為110，根據編碼規則，碼字為10～1100，解調同步后的成像端順序采集6幅圖像，信標區依次成像亮、暗、亮、亮、暗、暗，即10～1100，與編碼碼字一致。干擾目標解碼后為11～1111，可有效去除。

圖17 頻率編碼測試Fig.17 Frequency code test

圖18 偶校驗碼測試Fig.18 Parity check code test

4 結 論

本文對傳統信標光源存在的不足進行了探討，引入半導體激光器作為信標光源，對激光光源的特性進行研究后，設計了相應的驅動調制電路，并驗證了驅動調制電路的性能；設計了調制解調耦合算法，并通過實驗完成了調制與解調的實現過程，在存在干擾源的情況下，實現了合作信標的準確識別。以上研究與實驗表明，文中所述激光信標能夠滿足應用要求，設計的調制解調算法可極大地提高目標的識別準確性與抗干擾能力。