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本文作者：董冉艾勇肖永軍單欣作者單位：武漢大學(xué)

精跟蹤子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1精跟蹤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

精跟蹤系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可分為探測(cè)單元、控制單元、執(zhí)行單元3個(gè)部分，其基本組件參數(shù)如表1所示。探測(cè)單元采用的是PhotonFocus公司的MV-D1024E-160型CMOS相機(jī)，其最大分辨率為1024×1024，開(kāi)窗為256×256時(shí)幀頻最高可達(dá)到2200frame/s?？刂茊卧獮橐慌_(tái)PC機(jī)加上SiliconSofeWare公司的MicroEnableIV型圖像采集卡、一塊AC6631隔離通用4路12位D/A卡(只用到兩路)。執(zhí)行單元為Newport公司的FSM300型音圈電機(jī)，其最大機(jī)械擺角為±26.2mrad，精度≤1μrad。如圖1所示，望遠(yuǎn)鏡鏡筒中接收到的光線經(jīng)過(guò)一系列反射鏡和透鏡后聚焦在相機(jī)的光敏面上成像，圖像數(shù)據(jù)通過(guò)CAMERLINK線傳遞給圖像采集卡，再由PC機(jī)處理，然后PC機(jī)控制D/A卡輸出相應(yīng)的電壓制使得音圈電機(jī)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。

2精跟蹤系統(tǒng)軟件及算法

作為控制單元處理器的PC機(jī)有3點(diǎn)主要任務(wù)：(1)控制相機(jī)及圖像采集卡；(2)將圖像信息進(jìn)行處理并得到要相應(yīng)的控制電壓；(3)控制D/A卡輸出相應(yīng)電壓。其中第二項(xiàng)任務(wù)是重點(diǎn)也是難點(diǎn)所在，它又可以分為光斑的中心計(jì)算和跟蹤控制的電壓值計(jì)算。精跟蹤系統(tǒng)需要高頻率、高精度地得到光斑中心的位置。高精度的算法需要更大的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，也就是說(shuō)精度和速度必須統(tǒng)一起來(lái)設(shè)計(jì)出一個(gè)最優(yōu)化的算法。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以下算法：(1)用域值分割的方法減小背景噪聲的影響。自適應(yīng)域值通常需要全像素范圍的計(jì)算，因此采用固定域值分割的方法，利用人工PC機(jī)上取點(diǎn)得到背景值可以大幅減小運(yùn)算量。不足之處是，當(dāng)背景噪聲發(fā)生較大變化時(shí)，無(wú)法及時(shí)調(diào)整，會(huì)造成質(zhì)心定位的不準(zhǔn)確。(2)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)顯示，對(duì)于精跟蹤來(lái)說(shuō)，質(zhì)心法是一種比較適宜的光斑中心的計(jì)算方法[5-6]，所有高于域值的像素點(diǎn)均參與運(yùn)算，所有低于域值的像素點(diǎn)當(dāng)作是零。這種方法的缺點(diǎn)是，當(dāng)離質(zhì)心較遠(yuǎn)的像素出現(xiàn)大于域值的噪聲點(diǎn)時(shí)，將很大地影響質(zhì)心的精度，因此通常域值會(huì)取偏大一些，這樣雖然會(huì)減小光斑的實(shí)際范圍，但其對(duì)質(zhì)心精度的影響較小[7]。跟蹤控制的電壓值計(jì)算采用的是增量式PID算法。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的最終算法，在處理256×256分辨率的圖像時(shí)，從接收?qǐng)D像到發(fā)出控制電壓耗時(shí)約為0.3ms，已經(jīng)完全能滿足實(shí)時(shí)處理精跟蹤相機(jī)2200幀頻圖像的要求，且受外界背景光影響較小，在白天仍然能正常工作。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

通信實(shí)驗(yàn)在武漢大學(xué)信息學(xué)部實(shí)驗(yàn)大樓和工學(xué)部主教學(xué)樓之間進(jìn)行，兩樓直線距離約為2km。實(shí)驗(yàn)時(shí)信息學(xué)部上的發(fā)射端向工學(xué)部的接收端同時(shí)發(fā)射650nm信標(biāo)光和1550nm信號(hào)光。由于粗跟蹤和精跟蹤之間未建立反饋鏈接，因此采用的是跟蹤標(biāo)定點(diǎn)的方法，即粗跟蹤將其CCD上的光斑保持在某個(gè)給定點(diǎn)時(shí)，精跟蹤相機(jī)上的光斑進(jìn)入視場(chǎng)，精跟蹤將光斑穩(wěn)定在光敏面上的給定點(diǎn)時(shí)，信號(hào)光接收光功率被最大化。接收端下方的一維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)以指定角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬發(fā)射端在水平面上運(yùn)動(dòng)的情況。精跟蹤系統(tǒng)的PC機(jī)由C++編寫(xiě)的程序里有坐標(biāo)的記錄功能，將其保存下來(lái)繪成隨幀號(hào)變化的圖形。共采集了旋轉(zhuǎn)平臺(tái)在不同的6種角速度下的光斑質(zhì)心X、Y軸坐標(biāo)。圖2、3為其中的兩組，中間的劇烈變化部分為精跟蹤停止工作時(shí)的曲線，用于與跟蹤狀態(tài)下的曲線進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)，在原本放置APD的地方放置了光功率計(jì)記錄光功率的變化，并將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)中，通過(guò)LabView編寫(xiě)的程序?qū)⑵浔４嫦聛?lái)。

1精跟蹤相機(jī)端實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)于精跟蹤系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要跟蹤補(bǔ)償?shù)墓饩€傾斜角相當(dāng)大一部分低頻是由粗跟蹤的殘差造成的，大氣湍流造成的抖動(dòng)幅度則要小的多。因此，表2列出了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在不同運(yùn)動(dòng)速度下粗跟蹤系統(tǒng)的殘差，而由于光路中透鏡的變換，粗跟蹤中X軸的抖動(dòng)在精跟蹤中表現(xiàn)為Y軸的抖動(dòng)，Y軸則表現(xiàn)為X軸。可以看到表中粗跟蹤系統(tǒng)在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)角速度大于0.8(°)/s時(shí)，其殘差已經(jīng)大于精跟蹤的500μrad視場(chǎng)，但精跟蹤系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)—音圈電機(jī)的偏轉(zhuǎn)范圍高達(dá)±26mrad，且其反應(yīng)速度和相機(jī)幀頻都相當(dāng)高，而粗跟蹤的殘余抖動(dòng)頻率相對(duì)較低，一般僅為幾Hz，因此，只要光斑進(jìn)入過(guò)精跟蹤視場(chǎng)，即使總偏移角度大于500μrad，仍然可以被有效跟蹤到。經(jīng)過(guò)精跟蹤系統(tǒng)的補(bǔ)償后，在定點(diǎn)及各種不同運(yùn)動(dòng)速度時(shí)的光斑質(zhì)心變化如圖2、3及表3所示。由于轉(zhuǎn)臺(tái)慣量等原因，粗跟蹤的殘差隨模擬運(yùn)動(dòng)速度的變快而變大，也就是精跟蹤在單位時(shí)間內(nèi)要補(bǔ)償?shù)慕嵌葍A斜也在增大，因此預(yù)計(jì)精跟蹤后的光斑坐標(biāo)浮動(dòng)也將隨著運(yùn)動(dòng)速度的變快而變大。由于是一維轉(zhuǎn)動(dòng)，表3中，只有精跟蹤的Y方向也就是粗跟蹤的X方向質(zhì)心坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差的變化基本符合課題組的預(yù)測(cè)。但是最大偏移量卻呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)律的變化，初步推斷是由于最大偏移量本身受突發(fā)因素的影響較大，而每組數(shù)據(jù)的記錄時(shí)間只有幾十秒，樣本不夠大而導(dǎo)致的。圖3中，當(dāng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，跟蹤曲線出現(xiàn)了沒(méi)有被補(bǔ)償?shù)降牡皖l抖動(dòng)，且其頻率基本和粗跟蹤的殘余抖動(dòng)一致，課題組推斷這是因?yàn)榇指櫄埐钜呀?jīng)達(dá)到毫弧度級(jí)，經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡放大，在精跟蹤光路中則達(dá)到了十幾毫弧度，做為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，音圈電機(jī)在大幅度偏轉(zhuǎn)時(shí)響應(yīng)速度較慢，而且在粗跟蹤殘差很大時(shí)，到達(dá)精跟蹤相機(jī)的光斑不僅產(chǎn)生了位移還產(chǎn)生了高頻的明顯形變，從而產(chǎn)生了質(zhì)心的變化。

2光功率計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由于跟蹤系統(tǒng)最終是為通信服務(wù)的，為了得到跟蹤系統(tǒng)對(duì)通信的效果和影響，把能向PC機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的光功率計(jì)接入了在原通信系統(tǒng)中用來(lái)接收信號(hào)光的光纖處，以10kHz的頻率采集耦合后的光功率，以此來(lái)評(píng)估跟蹤對(duì)通信系統(tǒng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5及表4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在各種平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度下，接收到的光功率的均值、標(biāo)準(zhǔn)差基本和平臺(tái)不動(dòng)時(shí)的定點(diǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)一致。上節(jié)中，精跟蹤相機(jī)端實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的精跟蹤殘差由于幅度較小，而耦合有一定的接收面積，在光功率上基本沒(méi)有體現(xiàn)出隨著平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度而變化的特點(diǎn)。表4中還加入了兩組未開(kāi)啟精跟蹤時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看到第一組數(shù)據(jù)記錄過(guò)程中，光斑完全未能耦合入光纖中，其數(shù)據(jù)基本可認(rèn)為是背影噪聲，而在第二組數(shù)據(jù)中，有短時(shí)間的耦合成功，但標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開(kāi)啟跟蹤時(shí)。而表4中的最大起伏值除了一組完全未能耦合的以外基本相同，課題組推斷，是由于光斑閃爍變化的幅度本身就已經(jīng)達(dá)到了光功率計(jì)能測(cè)量到的上限，所以文中的最大起伏已經(jīng)是由閃爍引起的而不是光斑位移引起的，而這是一維的精跟蹤系統(tǒng)無(wú)能為力的。

結(jié)論

APT系統(tǒng)一直是激光通信系統(tǒng)能否成功的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計(jì)的APT系統(tǒng)中的精跟蹤部分，通過(guò)對(duì)精跟蹤相機(jī)端實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和光功率計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以認(rèn)為該設(shè)計(jì)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠當(dāng)目標(biāo)以小于1.2(°)/s的角速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，將誤差保持在系統(tǒng)的允許范圍內(nèi)，保障了鏈路的暢通。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題：(1)由于精跟蹤與APD接收模塊之間無(wú)反饋回路，因此只能靠人工定出光功率較高的點(diǎn)，而光功率本身由于閃爍、飄移等十分不穩(wěn)定，定出的較高點(diǎn)往往并不一定是效果最好的點(diǎn)。(2)當(dāng)粗跟蹤殘差較大時(shí)，精跟蹤會(huì)出現(xiàn)未補(bǔ)償?shù)牡皖l抖動(dòng)，這點(diǎn)有望通過(guò)控制算法的改進(jìn)來(lái)解決。