專利名稱：一種星地量子通信鏈路方向跟蹤系統(tǒng)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)用于星地量子通信中的， 通信鏈路方向提取與跟蹤的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
量子通信比常規(guī)的自由空間激光通信有更高的通信鏈路指向精度要求。星
地量子通信的捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)(ATP)系統(tǒng)用于建立量子通信終端間的量子通信 鏈路，必須具有非常高的跟瞄精度、帶寬和穩(wěn)定性。捕獲跟蹤系統(tǒng)的通信鏈路 方向提取與跟蹤子模塊必須具有更高的性能。
目前公知的應(yīng)用于星地間量子通信的采用CCD或CMOS圖像傳感器作為 探測器的通信鏈路方向提取與跟蹤系統(tǒng)存在以下缺點而難以滿足星地量子通 信的需求-
1. 系統(tǒng)的探測器驅(qū)動、光斑圖像處理、跟蹤控制器等功能由多個電路模塊 或者多個處理單元分別實現(xiàn)。各個功能模塊內(nèi)部運算延時加上模塊間的 數(shù)據(jù)傳輸延時造成系統(tǒng)閉環(huán)的總信號延時較大，達(dá)到3ms甚至更長時 間，限制了捕獲跟蹤系統(tǒng)的跟瞄抑制帶寬。
2. 并未采取抑制大氣湍流對星地間量子通信鏈路干擾作用的措施,或者采
取的抑制措施效果十分有限，即使在較好的大氣條件下最優(yōu)的探測精度 約為1~2//"^左右。
3. 系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜，體積和重量大，不適合作為星載量子通信設(shè)備。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對星地量子通信高精度信標(biāo)跟蹤的應(yīng)用背景，為了解決上述
現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于CMOS或CCD探測器、FPGA硬件圖像處理與信息提取的實時高精度高帶寬的星地通信鏈路方向提取與跟蹤系統(tǒng)。
本發(fā)明主要由圖像傳感器、FPGA、數(shù)模轉(zhuǎn)換接口、數(shù)據(jù)/指令差分接口構(gòu)成，它們的連接關(guān)系如圖1所示。其中，圖像傳感器根據(jù)量子通信的應(yīng)用需求可以選用可見光波段、紅外波段的CCD傳感器或CMOS傳感器；FPGA選用規(guī)模大于8000邏輯單元的器件即可；模數(shù)轉(zhuǎn)換接口芯片選用速度大于10MHz轉(zhuǎn)換頻率的DAC芯片；對差分接口芯片無特殊要求。
圖1還給出在FPGA內(nèi)部集成實現(xiàn)探測器驅(qū)動、光斑圖像處理、跟蹤控制器與數(shù)據(jù)/指令接口等多種功能的方法和電路結(jié)構(gòu)。這些功能通過用Verilog或VHDL硬件描述語言對FPGA編程實現(xiàn)。
其中，F(xiàn)PGA的光斑圖像處理方法是一種硬件巻積方式的圖像處理方法。具體是指FPGA對從CMOS/CCD探測器輸出的圖像數(shù)據(jù)逐點即時處理的方法，包括固定模式噪聲(FPN)校正、圖像濾波預(yù)處理、自適應(yīng)閾值處理、光斑修剪整形和光斑位置提取。其中，固定模式噪聲(FPN)校正采用簡單有效的列模式校正方法；圖像濾波預(yù)處理采用八鄰近中值濾波算法；光斑位置提取采用質(zhì)心算法或形心算法。
閾值的自適應(yīng)算法為系統(tǒng)上電時自動設(shè)定一個初始閾值，在系統(tǒng)工作過程中FPGA統(tǒng)計每幀圖像閾值處理后的亮點(數(shù)據(jù)值大于零的像素點)個數(shù)，根據(jù)當(dāng)前幀圖像的統(tǒng)計結(jié)果自適應(yīng)調(diào)整下一幀圖像的閾值。當(dāng)亮點數(shù)太多時逐漸增加閾值，當(dāng)亮點數(shù)太少時逐漸降低閾值。
光斑修剪整形使用改良的膨脹和腐蝕結(jié)合的方法。所說的本發(fā)明對該圖像處理方法的改良是指，對信標(biāo)光斑圖像做膨脹和腐蝕處理時不對圖像做二值化處理而直接采用原始輸入圖像數(shù)進(jìn)行運算，并且膨脹點的取值為周圍鄰近點的均值。這樣的改良能夠保留真實光斑的亮度分布信息，提高后續(xù)光斑位置提取結(jié)果的精度。本發(fā)明率先將膨脹和腐蝕圖像處理方法應(yīng)用于星地量子通信鏈路方向提取與跟蹤系統(tǒng)，取得良好效果。光斑修剪整形消除了光斑的擴(kuò)散、毛刺和絮狀邊緣、內(nèi)部裂縫，從而較有效地抑制了大氣湍流和其它干擾因素對星地量子通信信標(biāo)的干擾作用。本發(fā)明具有以下優(yōu)點
1. 系統(tǒng)的探測器驅(qū)動、光斑圖像處理、跟蹤控制器等功能由一個FPGA
芯片集成實現(xiàn)，避免了多個電路模塊間數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的延遲，克服了現(xiàn)有系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)傳輸和圖像處理延時大的不足。采用了實時的硬件巻積圖像處理方法使系統(tǒng)延時小于1^ 。
2. 低延時的特點結(jié)合大于2.5kHz系統(tǒng)測帶寬，使得整個系統(tǒng)的跟瞄抑制帶寬可以提高到200Hz以上。達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，基本滿足了星地量子通信尤其是星載終端的需求。
3. 本發(fā)明將膨脹和腐蝕圖像處理算法引入到量子通信捕獲跟蹤系統(tǒng)中使用，并做了改良， 一定程度上克服了現(xiàn)有系統(tǒng)不能有效抑制大氣湍流干擾的不足。在存在大氣湍流的條件下，系統(tǒng)對信標(biāo)激光的探測精度優(yōu)于
4. 系統(tǒng)集成度高，具有小型化、輕量化和高性能的技術(shù)特點。
5. 同時具備數(shù)字接口和模擬接口，具有很好的應(yīng)有適應(yīng)性。


圖1是本發(fā)明的量子通信信標(biāo)探測、通信鏈路方向提取與跟蹤系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明中提出的基于光斑整形與位置提取硬件實時處理算法的效果實例圖。其中，(a)是FPN校正后的信標(biāo)光斑圖像；(b)是濾波預(yù)處理后的信標(biāo)光斑圖像；(c)是自適應(yīng)閾值處理后的信標(biāo)光斑圖像(局部放大)；(d)是光斑修剪整形后的信標(biāo)光斑圖像(局部放大)；(e)是信標(biāo)光斑位置提取得到的結(jié)果；(f)是信標(biāo)光斑位置提取結(jié)果在原始信標(biāo)光斑圖像中的位置。
具體實施例方式
結(jié)合圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和圖2 —組典型試驗數(shù)據(jù)為例，說明系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)方法和各個子模塊的具體功能。實例系統(tǒng)選用CYIL1SM0300AA型CMOS圖像傳感器作為量子通信信標(biāo)探測器，選用EP2C20F256型FPGA作為系統(tǒng)總控制，采用DA26LV31 CM和DA26LV31CM422差分接口芯片實現(xiàn)了收發(fā)雙向接口作為數(shù)據(jù)傳輸與指令控制接口，采用了 AD5399型雙路高速DAC輸出X、 Y兩個方向的跟蹤控制模擬信號。
1. 邏輯驅(qū)動模塊提供CMOS圖像傳感器需要的多路驅(qū)動信號完成傳感器的驅(qū)動功能，使傳感器正常工作輸出圖像數(shù)據(jù)。
2. 在FPGA內(nèi)部預(yù)存了 CMOS圖像傳感器具體的固定模式(FPN)噪聲數(shù)據(jù)，F(xiàn)PN校正子模塊根據(jù)預(yù)存的數(shù)據(jù)對信標(biāo)光斑原始圖像進(jìn)行校正，大幅度提高圖像的質(zhì)量，得到如圖2(a)所示結(jié)果。
3. 圖像濾波預(yù)處理子模塊使用中值濾波方法對信標(biāo)光斑圖像進(jìn)行濾波，進(jìn)一步去除圖像中的雜散光噪聲、探測器缺陷點噪聲和其它椒鹽噪聲，得到如圖2(b)所示結(jié)果。圖像濾波預(yù)處理對信標(biāo)位置的高精度提取有很重要的作用。
4. 自適應(yīng)閾值處理子模塊對圖像的背景與信標(biāo)光斑進(jìn)行區(qū)分，得到如圖2(c)所示結(jié)果。具體方法是，根據(jù)選用的光斑位置提取算法(質(zhì)心算法
或形心算法)，采取相應(yīng)的處理公式
w _1g /(/，力《r (質(zhì)心算法)
或 w — lo /(/，/^r(形心算法)
其中，/為輸入圖像數(shù)據(jù)，/'為輸出圖像數(shù)據(jù)，r為區(qū)分光斑和背景的閾值。初始閾值設(shè)定為56，在系統(tǒng)工作過程中統(tǒng)計每幀圖像閾值處理后的亮點(數(shù)據(jù)大于零)個數(shù)，根據(jù)當(dāng)前圖像的統(tǒng)計結(jié)果自適應(yīng)調(diào)整下一幀圖像的閾值。
5. 光斑修剪整形子模塊對光斑圖像進(jìn)行修剪整形，去除大氣湍流和其它干擾因素對信標(biāo)光斑造成的擴(kuò)散、毛刺和絮狀邊緣、內(nèi)部裂縫等不良作用。采用改良的腐蝕和膨脹算法相結(jié)合對圖像處理一到兩次即可得到較理想的結(jié)果，如圖2(d)所示。
6. 光斑位置提取子模塊采用質(zhì)心算法或者形心算法，根據(jù)以下公式對光斑位置進(jìn)行提取
2琳，力
'X取力
—Z取力
其中，S、 L》/、 ％和y分別是一幀圖像的數(shù)據(jù)集合、像素點的橫坐標(biāo)、像素點的縱坐標(biāo)、輸入到光斑位置提取子模塊當(dāng)前像素點的數(shù)據(jù)值、光斑位置橫坐標(biāo)提取結(jié)果和光斑位置縱坐標(biāo)提取結(jié)果。
光斑位置提取得到如圖2(e)所示結(jié)果，十字中心為提取得到的光斑中心位置。圖2(f)為提取結(jié)果在信標(biāo)光斑原始圖像中的位置。7.光斑中心位置與系統(tǒng)光軸中心相減即得到信標(biāo)脫靶量，將此脫靶量輸入到數(shù)字PID控制子模塊進(jìn)行跟蹤控制處理，輸出應(yīng)有的跟蹤數(shù)字控制量。該跟蹤數(shù)字控制量通過數(shù)據(jù)/指令接口和422差分接口輸出到其它應(yīng)用單元或者數(shù)據(jù)采集單元，同時經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換控制邏輯和雙路高速DAC輸出X、 Y兩個方向的跟蹤控制模擬信號。其它應(yīng)用單元或者上位機(jī)可以通過442差分接口和數(shù)據(jù)/指令接口，對信標(biāo)提取與跟蹤系統(tǒng)的工作方式、各種工作參數(shù)、CMOS圖像傳感器的配置參數(shù)以及各子模塊的使能參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
權(quán)利要求
1.一種星地量子通信鏈路方向跟蹤系統(tǒng)，它由圖像傳感器、FPGA、數(shù)模轉(zhuǎn)換接口、數(shù)據(jù)/指令差分接口構(gòu)成，其特征在于系統(tǒng)采用FPGA器件通過Verilog或VHDL硬件描述語言實現(xiàn)探測器驅(qū)動、光斑圖像處理、跟蹤控制器與數(shù)據(jù)/指令接口功能；所述的光斑圖像處理采用硬件卷積方式的圖像處理方法，具體是指FPGA對從CMOS/CCD探測器輸出的圖像數(shù)據(jù)逐點即時處理的方法，包括固定模式噪聲校正、圖像濾波預(yù)處理、自適應(yīng)閾值處理、光斑修剪整形和光斑位置提取。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種星地量子通信鏈路方向跟蹤系統(tǒng)，其特征 在于所述的光斑修剪整形采用改良的腐蝕和膨脹相結(jié)合算法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種星地量子通信鏈路方向跟蹤系統(tǒng)，針對星地量子通信高精度信標(biāo)跟蹤的應(yīng)用背景，提供一種基于CMOS或CCD探測器、FPGA硬件圖像處理與信息提取的實時高精度高帶寬信標(biāo)探測與信息獲取系統(tǒng)，采用了集成化設(shè)計方法；并提出光斑整形與位置提取相結(jié)合的信標(biāo)光斑圖像處理方法，一定程度上抑制了衛(wèi)星和地面間大氣湍流信道對信標(biāo)光的干擾作用，提高了捕獲跟蹤系統(tǒng)的跟瞄精度、帶寬和穩(wěn)定性。在存在大氣湍流的條件下，系統(tǒng)對信標(biāo)激光的探測精度優(yōu)于0.5μrad，探測帶寬大于2.5kHz，滿足了星地量子通信捕獲跟蹤系統(tǒng)尤其是星載終端的需求。
文檔編號H04B10/30GK101645742SQ20091019516
公開日2010年2月10日 申請日期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 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所