大氣激光通信載波光信號(hào)接收過程中光斑檢測(cè)技術(shù)研究*

徐培玲，王 玉

(1.山西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院電子信息系，山西 太原 030024；2.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的增長(zhǎng)，我國(guó)人民的生活環(huán)境日益改善。人民生活水平提升的同時(shí)，通信技術(shù)[1]也在逐步可靠發(fā)展。早于1960 年，美國(guó)學(xué)者就研制出用于通信的人造衛(wèi)星，為無線通信技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。無線光通信技術(shù)主要是依據(jù)大氣承載信息開展通信，但是激光在向大氣傳達(dá)信息時(shí)，會(huì)受到大氣湍流的影響增加大氣激光通信光信號(hào)接收信息中的光斑，從而降低通信的質(zhì)量，因此需要在大氣激光通信[2]光信號(hào)接收時(shí)，開展必要的光斑檢測(cè)，從而提升大氣激光通信的質(zhì)量。

文獻(xiàn)[3]提出基于位置敏感半導(dǎo)體光電器件的同步輻射光斑位置檢測(cè)。該方法首先依據(jù)光斑檢測(cè)要求，對(duì)光電探測(cè)器開展優(yōu)化設(shè)計(jì)；再基于優(yōu)化后的二維光電位置探測(cè)器確定光斑位置；最后通過激光光斑尺寸算法完成激光光斑尺寸的確定，實(shí)現(xiàn)激光的光斑檢測(cè)。

文獻(xiàn)[4]提出一種水下激光通信系統(tǒng)的光斑檢測(cè)算法。該方法首先對(duì)光斑圖像實(shí)施去霧操作，增強(qiáng)圖像中光斑與背景的對(duì)比度；再使用高斯濾波算法對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理，基于圖像二值化結(jié)果，提取激光光斑；最后依據(jù)灰度中心算法對(duì)光斑開展檢測(cè)，完成光斑的中心計(jì)算。

文獻(xiàn)[5]提出復(fù)雜背景下的激光光斑中心檢測(cè)算法。該方法依據(jù)雙邊濾波算法對(duì)光斑邊緣實(shí)施增強(qiáng)處理；再依據(jù)改進(jìn)的梯度模板，縮減光斑邊緣的斷裂現(xiàn)象，引入形態(tài)學(xué)理論，去除光斑圖像背景；最后通過橢圓擬合方法實(shí)現(xiàn)光斑的中心點(diǎn)檢測(cè)。

由于上述方法沒有對(duì)提取到的光斑形狀實(shí)施修正處理，導(dǎo)致上述方法在開展激光光斑檢測(cè)時(shí)，存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、檢測(cè)效果差的問題。

為解決上述光斑檢測(cè)方法中出現(xiàn)的問題，提出大氣激光通信載波光信號(hào)接收過程中光斑檢測(cè)技術(shù)。

1 光斑圖像處理

1.1 大氣激光通信光信號(hào)圖像轉(zhuǎn)換

由于大氣中通信環(huán)境復(fù)雜，使用的接收信號(hào)器通常為半導(dǎo)體激光器，因此需要使用A/D 轉(zhuǎn)換器，將大氣通信載波光信號(hào)接收信息轉(zhuǎn)換成信號(hào)圖像，直觀地表現(xiàn)出光信號(hào)中存在的光斑。再使用高斯濾波算法對(duì)采集的原始光斑圖像進(jìn)行去噪處理。

信號(hào)在圖像轉(zhuǎn)換過程中，選取光波導(dǎo)A/D 轉(zhuǎn)換器作為信號(hào)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器機(jī)型。該轉(zhuǎn)換器核心為Mach-Zehnde 調(diào)制器陣列，主要由推挽驅(qū)動(dòng)式信號(hào)電機(jī)以及直流電機(jī)組合而成。其中，信號(hào)電極負(fù)責(zé)信號(hào)電壓的模擬調(diào)制，直流電極負(fù)責(zé)消除調(diào)制器的相位不平衡。

轉(zhuǎn)換器在設(shè)計(jì)時(shí)，需要依據(jù)光信號(hào)的光效應(yīng)，獲取調(diào)制器的相位差，通過直流電極消除相位差，完成調(diào)制器的上下臂合成，輸出光信號(hào)的光強(qiáng)，從而生成激光通信光信號(hào)的信息圖像，如下式所示:

式中:信號(hào)調(diào)制時(shí)產(chǎn)生的靜態(tài)相位差描述為ηn，外加電壓產(chǎn)生的相位差標(biāo)記為ζn，余弦函數(shù)標(biāo)記為cos，光信號(hào)光強(qiáng)值標(biāo)記為Gn，消除因子標(biāo)記為γ。最后通過上述計(jì)算結(jié)果獲取大氣激光通信光信號(hào)的光強(qiáng)值，生成光信號(hào)的信息圖像。

圖像生成后，使用高斯濾波方法濾除圖像表面噪聲。高斯濾波方法是引入加權(quán)因子的圖像均值濾波算法，使用該方法開展圖像去噪時(shí)，圖像的去噪效果柔和，圖像邊緣清晰。

設(shè)定原始光斑圖像的像素為(m，n)，像素方差為ε2，以此完成原始光斑圖像的高斯濾波去噪處理，結(jié)果如下式所示:

式中:δ表示濾波器尺寸參數(shù)，光斑原始圖像的圖像去噪結(jié)果標(biāo)記為H(m，n)，光斑中心至像素點(diǎn)之間的距離標(biāo)記為m、n。

1.2 圖像增強(qiáng)

為了保證轉(zhuǎn)換后圖像中光斑可以最大范圍地增強(qiáng)，根據(jù)Retinex 原理將去噪后的光斑圖像分成照度圖像與反射圖像兩個(gè)部分?？紤]到激光通信光信號(hào)反射通常比反射圖像更暗，因此，在增強(qiáng)照度圖像的基礎(chǔ)上，利用Sigmoid 函數(shù)對(duì)反射圖像實(shí)施運(yùn)算，使照明差異均勻，實(shí)現(xiàn)最大范圍的圖像增強(qiáng)，為光斑檢測(cè)奠定基礎(chǔ)。

綜合上述分析，將采集的光斑圖像描述為式(3):

式中:采集的光斑原始圖像用A(m，n)表述，反射圖像描述成E(m，n)形式，照度圖像用K(m，n)描述。

1.2.1 照度圖像增強(qiáng)方法

采用雙邊濾波方法對(duì)原始光斑圖像照度實(shí)施估計(jì)處理，設(shè)定光斑圖像像素集合為Ψ，圖像的濾波輸出結(jié)果如下式所示:

式中:光斑原始圖像的濾波輸出結(jié)果標(biāo)記為Va，高斯函數(shù)分別描述成為f、g，圖像中像素點(diǎn)o的亮度值標(biāo)記為Uo，a點(diǎn)亮度值標(biāo)記為Ua，標(biāo)準(zhǔn)化因子描述成為J(A)。

基于上述計(jì)算結(jié)果可知，原始光斑圖像中，計(jì)算像素點(diǎn)a的亮度值時(shí)會(huì)受到相鄰像素的影響，從而降低圖像的照度計(jì)算效率，因此需要結(jié)合灰度分層方法[6]提高圖像的照度計(jì)算效率，具體流程如下:

①使用三維網(wǎng)格描述光斑圖像的二維灰度圖像，一維、二維網(wǎng)格與圖像像素位置對(duì)應(yīng)，三維網(wǎng)格對(duì)應(yīng)圖像亮度。

②建立固定閾值，對(duì)三維網(wǎng)格進(jìn)行初始化處理，結(jié)果如下式所示:

式中:網(wǎng)格固定閾值標(biāo)記為Φ(om，on，r)，網(wǎng)格維度與像素對(duì)應(yīng)結(jié)果標(biāo)記為(om，on)，亮度值標(biāo)記為r。

③基于上述計(jì)算結(jié)果對(duì)網(wǎng)格展開高斯濾波處理，結(jié)果如下式所示:

式中:高斯的三維圖像函數(shù)標(biāo)記為Gαa，αr，光斑圖像的空域向量用αa表述，亮度向量描述成αr，濾波處理結(jié)果表述成V[Φ](om，on，r)。

④最后將圖像的濾波處理結(jié)果放入網(wǎng)格中，完成光斑圖像的照度估計(jì)計(jì)算。

光斑圖像完成照度估計(jì)后，使用直方圖截取方法對(duì)光斑照度圖像直方圖兩端開展截取處理，將剩余圖像像素壓縮至[0，1]范圍內(nèi)，依據(jù)Gamma 算法對(duì)其展開校正處理，通過校正處理結(jié)果完成最終照度圖像的計(jì)算，結(jié)果如下式所示:

式中:光斑圖像的原始像素值標(biāo)記為i，圖像照度標(biāo)記為n(i)，校正函數(shù)用β表述。

1.2.2 反射圖像增強(qiáng)方法

光斑照度圖像增強(qiáng)后，為了保證整體光斑圖像的增強(qiáng)效果，對(duì)反射圖像進(jìn)行增強(qiáng)。建立圖像對(duì)數(shù)域，將光斑原始圖像以及照度圖像放入其中開展做差運(yùn)算，可以直接獲取光斑圖像的反射圖像，再使用Sigmoid 函數(shù)對(duì)反射圖像實(shí)施運(yùn)算，即可完成反射圖像的增強(qiáng)處理[7]，過程如下式所示:

式中:增強(qiáng)結(jié)果用s(r)表述，增強(qiáng)系數(shù)用w表述。

2 光斑檢測(cè)方法

2.1 閾值分割

圖像完成增強(qiáng)后，激光光斑圖像[8]中背景灰度值低，光斑灰度值高，因此可采用閾值分割方法對(duì)激光光斑實(shí)施粗提取處理，將激光光斑從圖像背景中分離出來。

常用圖像閾值設(shè)定方法通常有固定閾值以及自適應(yīng)閾值兩種。固定閾值主要依據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定獲取圖像的單一閾值實(shí)現(xiàn)圖像的處理，但是圖像的實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際條件之間偏差較大；自適應(yīng)閾值主要依據(jù)圖像灰度值的分布狀態(tài)開展圖像的閾值計(jì)算，靈活性較強(qiáng)。因此在激光光斑圖像閾值分割時(shí)，選取自適應(yīng)閾值完成激光光斑圖像的閾值分割。

依據(jù)激光光斑圖像灰度值分布特點(diǎn)，使用統(tǒng)計(jì)分布方法建立激光光斑圖像的自適應(yīng)閾值模型，過程如下式所示:

式中:建立的圖像自適應(yīng)閾值模型用y表述，光斑圖像的閾值計(jì)算結(jié)果描述成C，常數(shù)標(biāo)記為l，激光光斑圖像的平均灰度用Qavg表述，灰度均方誤差用?表述。

依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，假定激光光斑圖像尺寸為p×q，以此計(jì)算激光光斑圖像的平均灰度以及灰度均方誤差，結(jié)果如下式所示:

式中:激光光斑圖像像素點(diǎn)(i，j)的灰度值標(biāo)記為R(i，j)。

最后基于上述計(jì)算結(jié)果，完成圖像的閾值分割，實(shí)現(xiàn)激光光斑圖像的光斑提取。

2.2 圖像幾何糾正方法

依據(jù)提取的光斑可知，激光光軸與靶面之間存在夾角，因此采集的激光光斑圖像不是激光光斑的正射圖像，所以在開展光斑檢測(cè)時(shí)，需要選取相關(guān)方法對(duì)提取的光斑展開幾何變換糾正[9]。過程如圖1所示。

圖1 激光光斑圖像幾何糾正流程

依據(jù)圖1 可知，光斑在幾何校正時(shí)，需要從空白陣列出發(fā)，通過對(duì)圖像像元位置進(jìn)行計(jì)算，完成光斑的過重采樣，從而構(gòu)建出激光正射光斑。

設(shè)定提取的原始激光光斑為z(m，n)，糾正后激光光斑為z(M，N)，以此計(jì)算二者之間的變換關(guān)系，過程如下式所示:

式中:光斑坐標(biāo)的二元多項(xiàng)式用Fm、Fn表述，光斑像元的原始坐標(biāo)用(m，n)表述，糾正后的光斑位置用(M，N)表述。

光斑校正后，選取激光光斑相鄰像素點(diǎn)作為十字絲標(biāo)記的已知點(diǎn)，結(jié)合最小二乘法完成光斑坐標(biāo)的多項(xiàng)式求解。因?yàn)楣獍咝Ｕ昂蟮南裨恢米兓?，?huì)導(dǎo)致圖像的灰度變化，因此還需要采用雙線內(nèi)插算法對(duì)光斑投影點(diǎn)灰度展開計(jì)算，獲取幾何修正后的激光光斑圖像。

2.3 光斑中心檢測(cè)

激光光斑幾何糾正后，直接對(duì)獲取的正射光斑開展檢測(cè)并計(jì)算光斑中心位置。

使用Hough 變換算法[10-11]將圖像從空間域變換至參數(shù)空間中，通過光斑的極值點(diǎn)檢測(cè)，確定光斑曲線參數(shù)，完成光斑的規(guī)則抽取。

設(shè)定激光光斑的圓周點(diǎn)集合為{(pi，qi)｜i＝1，2，…，x}，參數(shù)位置標(biāo)記為(s，t，r)，以此建立光斑圓周極坐標(biāo)方程，過程如下式所示:

式中:光斑圓周極坐標(biāo)方程用(s，t，r2)表示，光斑的余弦夾角用cosφ描述，而正弦夾角則表述成sinφ形式。

依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果檢測(cè)光斑邊緣，設(shè)定參數(shù)λ和r為像素的量化間隔，獲取光斑圖像與光斑邊緣之間的距離，以此計(jì)算光斑的中心位置，完成激光光斑的檢測(cè)，過程如下式所示:

式中:激光光斑與邊緣之間的距離標(biāo)記為d，光斑中心位置標(biāo)記為g(m，n)zx，激光光斑影像的實(shí)際形變量用θ表述。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證上述激光光斑檢測(cè)方法的整體有效性，需要對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行搭建與調(diào)試。實(shí)驗(yàn)使用星特朗Nexstar8SE 望遠(yuǎn)鏡作為收發(fā)天線，2 臺(tái)MV-300UC 型號(hào)CCD 工業(yè)相機(jī)作為前端捕獲相機(jī)，2 臺(tái)EM-200CM型號(hào)CCD 工業(yè)相機(jī)作為后端跟蹤相機(jī)，此外還需要PC 機(jī)以及室外供電設(shè)備，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)搭建示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

分別采用大氣激光通信載波光信號(hào)接收過程中光斑檢測(cè)技術(shù)(所提方法)、基于位置敏感半導(dǎo)體光電器件的同步輻射光斑位置檢測(cè)(文獻(xiàn)[3]方法)、復(fù)雜背景下的激光光斑中心檢測(cè)算法(文獻(xiàn)[5]方法)展開測(cè)試；

在測(cè)試激光光斑檢測(cè)方法時(shí)，激光光斑檢測(cè)方法的檢測(cè)性能是測(cè)試光斑檢測(cè)方法優(yōu)劣的關(guān)鍵。采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法以及文獻(xiàn)[5]方法展開激光光斑檢測(cè)過程中，選取光斑圓心偏差率、檢測(cè)時(shí)間以及光斑檢測(cè)效果作為激光光斑檢測(cè)的測(cè)試指標(biāo)，以此檢測(cè)上述3 種光斑檢測(cè)方法的檢測(cè)性能。

①光斑圓心偏差率測(cè)試

激光光斑在檢測(cè)時(shí)，激光光斑中心位置定位是檢測(cè)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。選取激光光斑圓心偏差率為測(cè)試指標(biāo)，以此測(cè)試所提方法、文獻(xiàn)[3]方法以及文獻(xiàn)[5]方法的光斑中心定位情況。設(shè)定激光光斑圓心偏差率為ρ，計(jì)算過程如下式所示:

式中:激光光斑實(shí)際圓心與檢測(cè)圓心之間的偏差距離標(biāo)為記l0，光斑實(shí)際半徑描述成R。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，激光光斑在檢測(cè)過程中，計(jì)算出的激光光斑中心偏差率越高，說明激光光斑檢測(cè)方法的檢測(cè)性能越差，激光光斑中心偏差率越小，說明激光光斑檢測(cè)方法的檢測(cè)性能越好。

為精確反映檢測(cè)方法的檢測(cè)精度，隨機(jī)生成100 張人工激光光斑圖像，其中50 張為無噪聲干擾圖像，另外50 張?zhí)砑釉肼暩蓴_，分別對(duì)不同數(shù)量的樣本圓進(jìn)行檢測(cè)，光斑中心偏差率越低，說明該方法檢測(cè)結(jié)果具有更好的精度。3 種激光光斑檢測(cè)方法的光斑中心偏差率測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 無噪聲情況下不同檢測(cè)方法的中心偏差率測(cè)試結(jié)果

圖4 噪聲干擾下不同方法的中心偏差率測(cè)試結(jié)果

分析圖3 可知，隨著樣本圓數(shù)量的增加，3 種光斑檢測(cè)方法檢測(cè)出的圓心偏差率均出現(xiàn)不同程度的增大趨勢(shì)。但是，所提方法測(cè)試出的激光光斑圓心偏差率是3 種光斑檢測(cè)方法中最低的，由此可說明所提方法在激光光斑檢測(cè)時(shí)，定位精度高。

分析圖4 可知，與無噪聲圖像對(duì)比，噪聲干擾下激光光斑中心偏差率測(cè)試結(jié)果要高于無噪聲環(huán)境的激光光斑偏差率測(cè)試結(jié)果。但是，所提方法在噪聲干擾下測(cè)試出的激光光斑圓心偏差率依舊是3 種方法中最低的，證明所提方法在開展激光光斑檢測(cè)時(shí)，不易受到噪聲干擾。

②執(zhí)行時(shí)間測(cè)試

在開展激光光斑圖像檢測(cè)時(shí)，執(zhí)行時(shí)間的長(zhǎng)短同樣是測(cè)試檢測(cè)方法檢測(cè)性能的關(guān)鍵。采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法以及文獻(xiàn)[5]方法開展激光光斑檢測(cè)時(shí)，對(duì)上述3 種方法的執(zhí)行時(shí)間展開測(cè)試。測(cè)試方法為分別對(duì)不同尺寸的圖像進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)耗費(fèi)的時(shí)間越少，表示該方法的檢測(cè)效率越高。測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 不同方法的檢測(cè)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

分析表1 可知，隨著圖像尺寸的增加，3 種激光光斑檢測(cè)方法的執(zhí)行時(shí)間都呈現(xiàn)出不同程度的上升趨勢(shì)。其中，所提方法檢測(cè)出的光斑檢測(cè)時(shí)間是3種方法中最低的，這主要是因?yàn)樗岱椒ㄔ诩す夤獍邫z測(cè)時(shí)，采用閾值分割方法對(duì)激光光斑開展提取處理，因此所提方法在激光光斑檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)時(shí)間低于其他兩種方法，說明該方法的檢測(cè)效率更高。

③檢測(cè)效果對(duì)比

基于上述測(cè)試結(jié)果，對(duì)所提方法、文獻(xiàn)[3]方法以及文獻(xiàn)[5]方法的光斑檢測(cè)效果進(jìn)行測(cè)試，以原始圖像作為標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)到的光斑形狀越接近原始圖像，表示該方法的檢測(cè)效果越好。為了直觀地對(duì)比不同方法光斑形狀的效果，在輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)將不同方法的光斑檢測(cè)范圍用框線進(jìn)行描述，檢測(cè)出的光斑中心用黑色實(shí)心原點(diǎn)進(jìn)行描述。測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同方法的光斑檢測(cè)效果

分析圖5 可知，所提方法在開展激光光斑圖像檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)出的激光光斑中心以及光斑形狀均與光斑實(shí)際中心、形狀相一致，其主要原因是所提方法利用Retinex 原理增強(qiáng)去噪后的光斑圖像，并從中提取和修正了光斑形狀，在此基礎(chǔ)上基于光斑曲線參數(shù)計(jì)算激光光斑變形值，優(yōu)化了光斑中心檢測(cè)結(jié)果。而文獻(xiàn)[3]方法以及文獻(xiàn)[5]方法的檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間存在較大偏差。由此可證明，所提方法在激光光斑檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)方法具備有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于激光通信過程中，接收的信息中會(huì)存在大量光斑，對(duì)大氣通信產(chǎn)生的影響巨大，因此對(duì)激光通信中載波光信號(hào)接收過程的激光光斑開展檢測(cè)就變得尤為重要。針對(duì)傳統(tǒng)激光光斑檢測(cè)方法中存在的問題，提出大氣激光通信載波光信號(hào)接收過程中光斑檢測(cè)技術(shù)。該方法通過激光光斑圖像的增強(qiáng)結(jié)果，提取圖像中的光斑形狀；再采用Hough 變換算法完成激光光斑的中心定位，實(shí)現(xiàn)光斑的檢測(cè)。由于圖像在去噪過程中存在問題，因此需要針對(duì)該項(xiàng)問題繼續(xù)對(duì)該方法進(jìn)行優(yōu)化處理。