專(zhuān)利名稱(chēng)：基于動(dòng)態(tài)開(kāi)窗方法的量子通信捕獲跟蹤相機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于量子通信技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種應(yīng)用于量子通信捕獲跟蹤相 機(jī)中的動(dòng)態(tài)開(kāi)窗捕獲跟蹤方法和基于這種方法的量子通信捕獲跟蹤相機(jī)。
技術(shù)背景目前，空間或星地量子通信技術(shù)以及量子通信的捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)(ATP)系 統(tǒng)技術(shù)是國(guó)際新技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，尤其在國(guó)內(nèi)這方面的研究尚處于起步階 段。在量子通信捕獲跟瞄系統(tǒng)中，通常采用四象限雪崩管或CCD/CMOS圖像 傳感器作為系統(tǒng)的量子通信信標(biāo)探測(cè)器。隨著宇航級(jí)圖像傳感器性能的提高， 圖像傳感器逐漸成為空間或星地量子通信捕獲跟瞄系統(tǒng)探測(cè)器的主流器件。 現(xiàn)有相機(jī)用于空間或星地量子通信作通信捕獲跟蹤相機(jī)時(shí)，存在著大捕獲視 場(chǎng)、大跟蹤視場(chǎng)范圍的需求與高探測(cè)分辨率、高探測(cè)幀頻的需求之間的矛盾。 通過(guò)縮小相機(jī)的光學(xué)鏡頭焦距來(lái)擴(kuò)大相機(jī)視場(chǎng)的方法，會(huì)使其探測(cè)分辨率下 降；通過(guò)使用大面陣的探測(cè)器來(lái)擴(kuò)大相機(jī)視場(chǎng)的方法，會(huì)降低探測(cè)幀頻。反之， 提高分辨率和探測(cè)頻率也會(huì)減少相機(jī)的視場(chǎng)范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可應(yīng)用于量子通信獲跟蹤相機(jī)的方法和一種基 于此種方法的捕獲跟蹤相機(jī)，以解決星地量子通信捕獲跟蹤相機(jī)大捕獲視場(chǎng)、 大跟蹤視場(chǎng)范圍的需求與高探測(cè)分辨率、高探測(cè)幀頻的需求之間的矛盾，實(shí)現(xiàn) 一種既具有大捕獲視場(chǎng)、大跟蹤范圍又具有高探測(cè)分辨率和高探測(cè)幀頻的星地 量子通信捕獲跟蹤相機(jī)。本發(fā)明捕獲跟蹤相機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由光學(xué)鏡頭l、探測(cè)器2和總 控制器3三個(gè)核心部件構(gòu)成。其中，光學(xué)鏡頭1要根據(jù)具體的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)合 理的焦距；探測(cè)器2采用光敏面大像素多(大于640*480元)并且能夠開(kāi)窗讀 出圖像數(shù)據(jù)的CMOS或CCD圖像傳感器?？偪刂破?可以選用FPGA器件、 DSP器件或其它具有數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制功能的器件。總控制器除了完成現(xiàn)有捕獲跟蹤相機(jī)常規(guī)的探測(cè)器驅(qū)動(dòng)、信標(biāo)光斑位置提 取、數(shù)據(jù)傳輸控制和指令響應(yīng)等功能外，還實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)信標(biāo)光斑捕獲和開(kāi)窗 跟蹤算法，總控制器根據(jù)捕獲工作狀態(tài)或信標(biāo)光斑跟蹤工作狀態(tài)自動(dòng)設(shè)置探測(cè) 器相應(yīng)的工作模式。捕獲跟蹤相機(jī)的工作流程如圖2所示1. 系統(tǒng)上電后，自動(dòng)進(jìn)入捕獲工作狀態(tài)。2. 循環(huán)判斷捕獲跟蹤相機(jī)是否捕獲到信標(biāo)光斑，若未捕獲到信標(biāo)光斑，則 繼續(xù)保持捕獲工作狀態(tài)；若捕獲到信標(biāo)光斑，則進(jìn)入跟蹤工作模式。3. 捕獲到信標(biāo)光斑后，捕獲跟蹤相機(jī)進(jìn)入信標(biāo)光斑跟蹤工作模式，對(duì)信標(biāo) 光斑進(jìn)行連續(xù)跟蹤。4. 循環(huán)判斷捕獲跟蹤相機(jī)是否跟蹤丟失了信標(biāo)光斑，若信標(biāo)光斑沒(méi)有丟 失，則繼續(xù)保持連續(xù)跟蹤；若信標(biāo)光斑丟失，則自動(dòng)回到捕獲工作狀態(tài) 重新對(duì)信標(biāo)激光進(jìn)行搜索捕獲。在捕獲工作模式下，捕獲跟蹤相機(jī)需要大捕獲視場(chǎng)來(lái)提高捕獲速度和捕獲 概率但對(duì)探測(cè)頻率要求較低，因而總控制器將探測(cè)器配置為全幀探測(cè)讀出模式， 捕獲視場(chǎng)為整個(gè)探測(cè)器光敏面對(duì)應(yīng)的最大視場(chǎng)。在信標(biāo)光斑跟蹤模式下，捕獲跟蹤相機(jī)需要很高的探測(cè)幀頻來(lái)提高整個(gè)捕 獲跟瞄系統(tǒng)的帶寬，因而總控制器將探測(cè)器配置為以光斑位置為中心開(kāi)窗讀出 圖像的模式，以大幅度提高探測(cè)頻率。開(kāi)窗的大小可根據(jù)需要自動(dòng)設(shè)置，使探測(cè)頻率可以達(dá)到1000 4000幀/秒，完全能夠滿(mǎn)足跟瞄系統(tǒng)的帶寬需求。因?yàn)?窗口跟隨光斑位置移動(dòng)，所以捕獲跟蹤相機(jī)的有效探測(cè)范圍仍然為探測(cè)器全幀 對(duì)應(yīng)的最大視場(chǎng)。提高穩(wěn)定性的探測(cè)器光斑位置開(kāi)窗算法為了避免個(gè)別光強(qiáng)閃爍過(guò)大造成 光斑消失的圖像影響，不能直接以前一幀圖像的光斑位置為中心進(jìn)行當(dāng)前開(kāi)窗 位置的中心。以前10幀圖像的光斑位置均值作為當(dāng)前圖像開(kāi)窗的中心位置， 并且在短時(shí)間無(wú)光斑時(shí)保持窗口位置不變，這樣就濾除了光斑閃爍造成的不穩(wěn) 定作用，從而保證了系統(tǒng)的跟蹤穩(wěn)定性。 本發(fā)明捕獲跟蹤相機(jī)具有以下特點(diǎn)1. 系統(tǒng)硬件構(gòu)成簡(jiǎn)單，具有良好穩(wěn)定的性能以及靈活智能的自適應(yīng)工作模 式控制方法。2. 既具有大捕獲視場(chǎng)、大跟蹤范圍又具有高探測(cè)分辨率和高探測(cè)幀頻。


圖1是本發(fā)明捕獲跟蹤相機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；其中，l光學(xué)鏡頭，2探測(cè)器，3總控制器。圖2是本發(fā)明捕獲跟蹤相機(jī)的工作模式自動(dòng)控制程序流程圖。圖3是本發(fā)明捕獲跟蹤相機(jī)的具體工作過(guò)程說(shuō)明示意圖。其中，(a)是捕獲跟蹤相機(jī)全幀捕獲模式的工作方式示意圖，(b)、 (c)、 (d)是捕獲跟蹤相機(jī)動(dòng)態(tài)開(kāi)窗跟蹤模式的工作方式示意圖。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明捕獲跟蹤相機(jī)一個(gè)實(shí)例系統(tǒng)中，采用焦距500mm的光學(xué)鏡頭， 選用CYIL1SM4000型大面陣CMOS圖像傳感器作為探測(cè)器，選用EP2C20F256 型FPGA作為系統(tǒng)總控制器，使用Verilog硬件描述語(yǔ)言對(duì)FPGA進(jìn)行自動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)。下面以圖3為例對(duì)本發(fā)明捕獲跟蹤相機(jī)的動(dòng)態(tài)開(kāi)窗捕獲跟蹤的功 能進(jìn)行具體說(shuō)明。1. 如圖3(a) (d)所示，信標(biāo)捕獲跟蹤相機(jī)在各種工作狀態(tài)下實(shí)時(shí)探測(cè)提取 信標(biāo)光的位置，為跟蹤系統(tǒng)閉環(huán)提供信標(biāo)與系統(tǒng)視軸中心間的脫耙量(虛 線箭頭矢量)。2. 如圖3(a)所示，捕獲跟蹤相機(jī)在捕獲模式下，使用CYIL1SM4000型大 面陣CMOS圖像傳感器的全幀2048元X2048感光元探測(cè)，15幀/秒的 探測(cè)頻率，以達(dá)到最大的捕獲視場(chǎng)降低機(jī)構(gòu)掃描捕獲時(shí)間提高捕獲概 率。結(jié)合500mm的光學(xué)焦距、12y mX 12 u m的探測(cè)器像元大小，可以 計(jì)算出捕獲跟蹤相機(jī)的捕獲視場(chǎng)為3。 X3° 。3. 在捕獲模式下探測(cè)到信標(biāo)光以后，捕獲跟蹤相機(jī)進(jìn)入跟蹤模式。在此模 式下，以光斑位置為中心開(kāi)窗讀出探測(cè)器的圖像，以大幅度提高探測(cè)頻 率，如圖3(b)所示。開(kāi)窗的大小可根據(jù)需要自動(dòng)設(shè)置為256元X256元， 探測(cè)頻率可以達(dá)到1000幀/秒；或128元X128元，探測(cè)頻率可以達(dá)到 2000 4000幀/秒，完全能夠滿(mǎn)足跟瞄系統(tǒng)的帶寬需求。此時(shí)雖然探測(cè) 視場(chǎng)很小，但是已經(jīng)完全能夠覆蓋整個(gè)信標(biāo)光斑并留有足夠余量。4. 在自適應(yīng)信標(biāo)光斑開(kāi)窗跟蹤模式下，探測(cè)器的開(kāi)窗中心跟隨信標(biāo)光斑移 動(dòng)，窗口在整個(gè)探測(cè)器光敏面范圍內(nèi)移動(dòng)，所以捕獲跟蹤相機(jī)的探測(cè)跟 蹤范圍等于最大視場(chǎng)，即3° X3。。如圖3(b) (d)戶(hù)萬(wàn)示。5. 跟蹤模式下，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)連續(xù)丟失光斑時(shí)，相機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)回到捕獲工 作模式。通過(guò)上述具體控制方法，捕獲跟蹤相機(jī)在捕獲信標(biāo)光斑是具有最大的捕獲 視場(chǎng)，同時(shí)在跟蹤光斑時(shí)具有最大的跟蹤范圍和很高的探測(cè)分辨率、很高的探測(cè)幀頻<
權(quán)利要求
1.一種基于動(dòng)態(tài)開(kāi)窗方法的量子通信捕獲跟蹤相機(jī)，它由光學(xué)鏡頭(1)、探測(cè)器(2)和總控制器(3)三個(gè)核心部件構(gòu)成，其特征在于所述的相機(jī)總控制器(3)設(shè)置有自適應(yīng)信標(biāo)光斑捕獲和開(kāi)窗跟蹤算法，總控制器根據(jù)捕獲工作狀態(tài)或信標(biāo)光斑跟蹤工作狀態(tài)自動(dòng)設(shè)置探測(cè)器相應(yīng)的工作模式，具體工作流程如下A.系統(tǒng)上電后，相機(jī)自動(dòng)進(jìn)入捕獲工作狀態(tài)；B.循環(huán)判斷捕獲跟蹤相機(jī)是否捕獲到信標(biāo)光斑，若未捕獲到信標(biāo)光斑，則繼續(xù)保持捕獲工作狀態(tài)；若捕獲到信標(biāo)光斑，則進(jìn)入跟蹤工作模式；C.捕獲到信標(biāo)光斑后，捕獲跟蹤相機(jī)進(jìn)入信標(biāo)光斑跟蹤工作模式，對(duì)信標(biāo)光斑進(jìn)行連續(xù)跟蹤；D.循環(huán)判斷捕獲跟蹤相機(jī)是否跟蹤丟失了信標(biāo)光斑，若信標(biāo)光斑沒(méi)有丟失，則繼續(xù)保持連續(xù)跟蹤；若信標(biāo)光斑丟失，則自動(dòng)回到捕獲工作狀態(tài)重新對(duì)信標(biāo)激光進(jìn)行搜索捕獲。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動(dòng)態(tài)開(kāi)窗方法的量子通信捕獲跟蹤相 機(jī)，其特征在于在所述的捕獲工作狀態(tài)下，總控制器(3)將探測(cè)器配置為 全幀探測(cè)讀出模式,捕獲視場(chǎng)為整個(gè)探測(cè)器光敏面對(duì)應(yīng)的最大視場(chǎng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動(dòng)態(tài)開(kāi)窗方法的量子通信捕獲跟蹤相 機(jī)，其特征在于在所述的信標(biāo)光斑跟蹤模式下，總控制器(3)將探測(cè)器配 置為以光斑位置為中心開(kāi)窗讀出圖像的模式，開(kāi)窗的大小根據(jù)需要自動(dòng)設(shè)置， 使探測(cè)頻率達(dá)到1000 4000幀/秒。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種量子通信捕獲跟瞄系統(tǒng)的高性能信標(biāo)光捕獲跟蹤相機(jī)。該系統(tǒng)在現(xiàn)有信標(biāo)探測(cè)相機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)信標(biāo)光斑跟蹤開(kāi)窗算法，根據(jù)捕獲信標(biāo)光斑或跟蹤信標(biāo)光斑的實(shí)時(shí)工作條件自動(dòng)設(shè)置探測(cè)器開(kāi)窗視場(chǎng)的中心位置和大小，解決現(xiàn)有捕獲跟蹤相機(jī)的技術(shù)不足，即星地量子通信ATP相機(jī)對(duì)大捕獲視場(chǎng)、大跟蹤視場(chǎng)范圍的需求與對(duì)高探測(cè)分辨率、高探測(cè)幀頻的需求之間的矛盾。
文檔編號(hào)H04B10/10GK101645738SQ20091019516
公開(kāi)日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2009年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月4日
發(fā)明者林均仰, 王建宇, 嶸 舒, 賈建軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所