[发明专利]基于动态开窗方法的量子通信捕获跟踪相机

说明书

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，具体是指一种应用于量子通信捕获跟踪相机中的动态开窗捕获跟踪方法和基于这种方法的量子通信捕获跟踪相机。

背景技术

目前，空间或星地量子通信技术以及量子通信的捕获跟踪瞄准(ATP)系统技术是国际新技术研究的热点之一，尤其在国内这方面的研究尚处于起步阶段。在量子通信捕获跟瞄系统中，通常采用四象限雪崩管或CCD/CMOS图像传感器作为系统的量子通信信标探测器。随着宇航级图像传感器性能的提高，图像传感器逐渐成为空间或星地量子通信捕获跟瞄系统探测器的主流器件。现有相机用于空间或星地量子通信作通信捕获跟踪相机时，存在着大捕获视场、大跟踪视场范围的需求与高探测分辨率、高探测帧频的需求之间的矛盾。通过缩小相机的光学镜头焦距来扩大相机视场的方法，会使其探测分辨率下降；通过使用大面阵的探测器来扩大相机视场的方法，会降低探测帧频。反之，提高分辨率和探测频率也会减少相机的视场范围。

发明内容：

本发明的目的是提供一种可应用于量子通信获跟踪相机的方法和一种基于此种方法的捕获跟踪相机，以解决星地量子通信捕获跟踪相机大捕获视场、大跟踪视场范围的需求与高探测分辨率、高探测帧频的需求之间的矛盾，实现一种既具有大捕获视场、大跟踪范围又具有高探测分辨率和高探测帧频的星地量子通信捕获跟踪相机。

本发明捕获跟踪相机结构如图1所示，主要由光学镜头1、探测器2和总控制器3三个核心部件构成。其中，光学镜头1要根据具体的应用需求设计合理的焦距；探测器2采用光敏面大像素多(大于640*480元)并且能够开窗读出图像数据的CMOS或CCD图像传感器。总控制器3可以选用FPGA器件、DSP器件或其它具有数据处理和系统控制功能的器件。

总控制器除了完成现有捕获跟踪相机常规的探测器驱动、信标光斑位置提取、数据传输控制和指令响应等功能外，还实现了自适应信标光斑捕获和开窗跟踪算法，总控制器根据捕获工作状态或信标光斑跟踪工作状态自动设置探测器相应的工作模式。捕获跟踪相机的工作流程如图2所示：

1.系统上电后，自动进入捕获工作状态。

2.循环判断捕获跟踪相机是否捕获到信标光斑，若未捕获到信标光斑，则继续保持捕获工作状态；若捕获到信标光斑，则进入跟踪工作模式。

3.捕获到信标光斑后，捕获跟踪相机进入信标光斑跟踪工作模式，对信标光斑进行连续跟踪。

4.循环判断捕获跟踪相机是否跟踪丢失了信标光斑，若信标光斑没有丢失，则继续保持连续跟踪；若信标光斑丢失，则自动回到捕获工作状态重新对信标激光进行搜索捕获。

在捕获工作模式下，捕获跟踪相机需要大捕获视场来提高捕获速度和捕获概率但对探测频率要求较低，因而总控制器将探测器配置为全帧探测读出模式，捕获视场为整个探测器光敏面对应的最大视场。

在信标光斑跟踪模式下，捕获跟踪相机需要很高的探测帧频来提高整个捕获跟瞄系统的带宽，因而总控制器将探测器配置为以光斑位置为中心开窗读出图像的模式，以大幅度提高探测频率。开窗的大小可根据需要自动设置，使探测频率可以达到1000～4000帧/秒，完全能够满足跟瞄系统的带宽需求。因为窗口跟随光斑位置移动，所以捕获跟踪相机的有效探测范围仍然为探测器全帧对应的最大视场。

提高稳定性的探测器光斑位置开窗算法：为了避免个别光强闪烁过大造成光斑消失的图像影响，不能直接以前一帧图像的光斑位置为中心进行当前开窗位置的中心。以前10帧图像的光斑位置均值作为当前图像开窗的中心位置，并且在短时间无光斑时保持窗口位置不变，这样就滤除了光斑闪烁造成的不稳定作用，从而保证了系统的跟踪稳定性。

本发明捕获跟踪相机具有以下特点：

1.系统硬件构成简单，具有良好稳定的性能以及灵活智能的自适应工作模式控制方法。

2.既具有大捕获视场、大跟踪范围又具有高探测分辨率和高探测帧频。

附图说明：

图1是本发明捕获跟踪相机的系统结构示意图；其中，1光学镜头，2探测器，3总控制器。

图2是本发明捕获跟踪相机的工作模式自动控制程序流程图。

图3是本发明捕获跟踪相机的具体工作过程说明示意图。其中，(a)是捕获跟踪相机全帧捕获模式的工作方式示意图，(b)、(c)、(d)是捕获跟踪相机动态开窗跟踪模式的工作方式示意图。

具体实施方式：