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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(yōu)點(diǎn)，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(fā)散角小的特點(diǎn)，空間太陽(yáng)、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(shí)現衛星、飛機等空間移動(dòng)平臺的捕獲、跟蹤和瞄準(Acquisition，Track—ing，Pointing，簡(jiǎn)稱(chēng)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(dòng)平臺ATP技術(shù)的應用設計。 2 系統硬件設計 2．1 ATP系統架構 為了模擬實(shí)驗空間移動(dòng)平臺ATP過(guò)程，設計一套地面模擬ATP系統。整個(gè)系統分為圖像處理模塊、電機控制及驅動(dòng)模塊、二軸電控轉動(dòng)平臺、光學(xué)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(jiǎn)稱(chēng)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(diǎn)DSP器件，它具有C64X內核，指令集與(264X全面兼容，其內部工作時(shí)鐘達600 MHz，指令執行速度高達4 000"4 800 MI/s，它擁有3個(gè)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(xiàn)接口，16位通用I／O端口(GPIO)，3個(gè)定時(shí)器以及I2C總線(xiàn)模塊。DM642對CCD采集的圖像信號進(jìn)行圖像處理和分析，判斷信標光是否進(jìn)入視場(chǎng)，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(zhì)心算法得出信標光坐標，并將信息實(shí)時(shí)傳輸給電機控制部分。 電機控制器采用專(zhuān)門(mén)用于工業(yè)控制的LPC2114ARM及其外圍電路。LPC211ARM采用ARM7TDMI—S核技術(shù)，采用RISC指令，流水線(xiàn)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(dòng)平臺。 電機驅動(dòng)器采用新型的雙極性恒流斬波驅動(dòng)技術(shù)，光電隔離信號輸入，自動(dòng)半流，可設置最大2 A電流和最大125級細分，振動(dòng)和噪聲小。 二軸電控轉動(dòng)平臺按照水平和俯仰兩個(gè)方向轉動(dòng)，其水平方向無(wú)最大角度限制，而俯仰方向接近360°，通過(guò)ARM控制器實(shí)現該轉動(dòng)平臺的方位和俯仰角的精密轉動(dòng)。驅動(dòng)器為最大值128細分時(shí)，其方位和俯仰角的轉角精度達2．725μrad和1．635μrad。 光學(xué)系統由信標光發(fā)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(chǎng)角為3°x3°。CCD安裝于二軸電控轉動(dòng)平臺，相當于光學(xué)天線(xiàn)，用于接收光信號，通過(guò)ARM電機控制實(shí)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(chē)，模擬實(shí)現空間移動(dòng)平臺的運動(dòng)。 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(wǎng)、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(dòng)態(tài)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(dòng)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(guò)UART將相應信息實(shí)時(shí)反饋給控制部分，同時(shí)輸出處理的數據，經(jīng)視頻編碼器SAA7104編碼，經(jīng)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(gè)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(jīng)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(guò)DM642的視頻輸入端口進(jìn)入視頻處理單元模塊，若發(fā)現信標光不在視場(chǎng)中，則執行光柵螺旋掃描算法，直到信標光進(jìn)入視場(chǎng)，此時(shí)圖像處理模塊將提取出信標光光斑的坐標通過(guò)串口發(fā)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(dòng)平臺執行基于增量式PID跟蹤算法控制，該過(guò)程不斷反復，直到信標光光斑始終保持在視場(chǎng)的中心位置，則建立通信鏈路，從而實(shí)現通信；另外，若信標光一開(kāi)始就位于視場(chǎng)，則直接進(jìn)入跟蹤過(guò)程，且整個(gè)掃描和跟蹤過(guò)程是相互嵌套的。跟蹤過(guò)程中一旦目標突然從視場(chǎng)中丟失，則系統則轉去執行掃描過(guò)程，直到再次發(fā)現目標。整個(gè)ATP控制過(guò)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(diǎn)個(gè)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(gè)峰值，在兩峰值之間選取像素點(diǎn)個(gè)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(zhì)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(zhì)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(zhì)心算法的精度高、且算法簡(jiǎn)單，該系統設計選用質(zhì)心來(lái)定位目標。質(zhì)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(gè)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(dòng)平臺信標光的捕獲與跟蹤進(jìn)行實(shí)驗。利用載有信標光的小車(chē)以不同速率在已設計的線(xiàn)路上運動(dòng)，控制器控制二軸電控轉動(dòng)平臺進(jìn)行光柵螺旋掃描，一旦捕獲信標光則轉入到跟蹤狀態(tài)并鎖定目標。如果信標光突然脫離CCD視場(chǎng)，程序將自動(dòng)重新進(jìn)入掃描捕獲狀態(tài)。 實(shí)驗表明，系統跟蹤角速度范圍是0～lOrad／s，跟蹤精度優(yōu)于0．5mrad，基本達到移動(dòng)平臺ATP技術(shù)粗跟蹤要求，也進(jìn)一步證明基于DM642的移動(dòng)平臺ATP技術(shù)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(jìn)和優(yōu)化系統若在靈活性和實(shí)時(shí)性以及算法，將使ATP系統跟蹤精度進(jìn)一步提高。 |
