|
1 引言 空間光通信采用激光作為載波。與傳統微波通信相比，空間光通信具有傳輸容量大、方向性強、傳輸速率大、保密性好等優點，在衛星和航空航天等大容量通信方面具有巨大的應用前景。但由于激光具有波束窄、發散角小的特點，空間太陽、月亮等星體背景光的干擾，加之遠距離通信信道對光信號的極大衰減等因素，因而空間光通信能夠快速實現衛星、飛機等空間移動平臺的捕獲、跟蹤和瞄準(Acquisition，Track—ing，Pointing，簡稱ATP)，并建立穩定而有效的通信鏈路。因此，介紹了一種基于DSP的移動平臺ATP技術的應用設計。 2 系統硬件設計 2．1 ATP系統架構 為了模擬實驗空間移動平臺ATP過程，設計一套地面模擬ATP系統。整個系統分為圖像處理模塊、電機控制及驅動模塊、二軸電控轉動平臺、光學系統等，如圖1所示。圖像處理模塊核心是圖像處理器件。采用TMS320DM64(簡稱DM642)作為圖像處理器，該器件是TI公司推出的一款針對多媒體處理應用的高性能定點DSP器件，它具有C64X內核，指令集與(264X全面兼容，其內部工作時鐘達600 MHz，指令執行速度高達4 000"4 800 MI/s，它擁有3個獨立配置的視頻端口，可獨立配置為視頻采集或顯示端口，采用EDMA方式快速地在存儲器與視頻端口之間傳輸視頻信號，另外DM642還擁有多路音頻端口(McASP0)，32位主機接口(HPI)，PCI總線接口，16位通用I／O端口(GPIO)，3個定時器以及I2C總線模塊。DM642對CCD采集的圖像信號進行圖像處理和分析，判斷信標光是否進入視場，并利用灰度直方圖算法計算目標與背景間的閾值，再利用質心算法得出信標光坐標，并將信息實時傳輸給電機控制部分。 電機控制器采用專門用于工業控制的LPC2114ARM及其外圍電路。LPC211ARM采用ARM7TDMI—S核技術，采用RISC指令，流水線執行結構，嵌入式操作系統移植性強。根據DSP處理后的信息調整載有CCD的二軸電控轉動平臺。 電機驅動器采用新型的雙極性恒流斬波驅動技術，光電隔離信號輸入，自動半流，可設置最大2 A電流和最大125級細分，振動和噪聲小。 二軸電控轉動平臺按照水平和俯仰兩個方向轉動，其水平方向無最大角度限制，而俯仰方向接近360°，通過ARM控制器實現該轉動平臺的方位和俯仰角的精密轉動。驅動器為最大值128細分時，其方位和俯仰角的轉角精度達2．725μrad和1．635μrad。 光學系統由信標光發射和CCD接收部分組成。CCD有效像素為582(H)×512(V)，像素尺寸為8．25(H)μm×7．03(V)μm，接收靈敏度為0．005勒克斯，CCD的視場角為3°x3°。CCD安裝于二軸電控轉動平臺，相當于光學天線，用于接收光信號，通過ARM電機控制實現CCD的全空間掃描和信標光接收。信標光置于單片機控制的小車，模擬實現空間移動平臺的運動。 2．2 圖像處理硬件設計 該系統設計的圖像處理模塊采用DM642作為圖像處理核心器件以及其外圍電路組成的視頻通訊模塊(VCM)完成CCD視頻信號的采集和處理。VCM是由視頻處理單元、音頻處理單元、SDRAM、Flash、UART、以及網、I2C、JTAG單元等，其中視頻處理單元主要由DM642、視頻解碼器TVP5150APBS、視頻編碼器SAA7104、同步動態存儲器SDRAM以及控制部分的通信器件UART等組成，如圖2所示。 DM642首先啟動視頻解碼器TVP5150APBS，捕獲并解碼CCD攝像頭的每一幀視頻信號，然后讀取并存儲在SRDRAM中，然后處理所存儲的數據并提取信標光坐標，通過UART將相應信息實時反饋給控制部分，同時輸出處理的數據，經視頻編碼器SAA7104編碼，經VPout端口輸出顯示。 由于DM642功能強大，其應用電路涉及到大量外圍電路，因此整個圖像處理電路VCM相當復雜，限于篇幅原因，這里只給出電源部分電路，以供參考。VCM采用12 V直流電源供電，經DC／DC轉換器TPS54350PWP轉換成3.3V直流電壓作為DM642的電源，由于DM642工作在600 MHz的高頻率下，因此對電源穩定性要求極高，其電路如圖3所示。 3 系統軟件設計 當CCD采集的視頻信號通過DM642的視頻輸入端口進入視頻處理單元模塊，若發現信標光不在視場中，則執行光柵螺旋掃描算法，直到信標光進入視場，此時圖像處理模塊將提取出信標光光斑的坐標通過串口發送給電機控制模塊，電機控制模塊根據接收的信標光坐標信息對二軸電控轉動平臺執行基于增量式PID跟蹤算法控制，該過程不斷反復，直到信標光光斑始終保持在視場的中心位置，則建立通信鏈路，從而實現通信；另外，若信標光一開始就位于視場，則直接進入跟蹤過程，且整個掃描和跟蹤過程是相互嵌套的。跟蹤過程中一旦目標突然從視場中丟失，則系統則轉去執行掃描過程，直到再次發現目標。整個ATP控制過程主要由掃描、捕獲和跟蹤3部分組成。圖4示出軟件設計主程序流程圖。 3．1 信標光坐標閾值提取算法 系統首先采用直方圖法確定信標光坐標提取的閾值，具體做法：將CCD采集的MxN像素的黑白圖像存入數據緩存器，以灰度值(O～255)為x軸，以該灰度值的像素點個數為y軸。由于背景和目標灰度值的不同，必然在坐標系中形成兩個峰值，在兩峰值之間選取像素點個數最少的灰度值為閾值，可以使目標和背景分割誤差最小。 3．2 信標光坐標質心算法 DM642必須精確地從目標圖像提取目標位置信息。常用的定位算法：質心算法、形心定位法、峰值定位法、匹配定位法和投影中心法。質心算法的精度高、且算法簡單，該系統設計選用質心來定位目標。質心法反映了目標的能量的分布狀況。該方法在理想的情況下定位精度小于0．05個像素，且適用的光斑范圍大。 4 結論 在脫離PC機情況下對移動平臺信標光的捕獲與跟蹤進行實驗。利用載有信標光的小車以不同速率在已設計的線路上運動，控制器控制二軸電控轉動平臺進行光柵螺旋掃描，一旦捕獲信標光則轉入到跟蹤狀態并鎖定目標。如果信標光突然脫離CCD視場，程序將自動重新進入掃描捕獲狀態。 實驗表明，系統跟蹤角速度范圍是0～lOrad／s，跟蹤精度優于0．5mrad，基本達到移動平臺ATP技術粗跟蹤要求，也進一步證明基于DM642的移動平臺ATP技術在衛星和航空航天等大容量通信方面具有更大的應用潛力，特別是在改進和優化系統若在靈活性和實時性以及算法，將使ATP系統跟蹤精度進一步提高。 |
