[发明专利]静态无线激光通信针对强大气湍流影响的光斑检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种静态无线激光通信针对强大气湍流影响的光斑检测方法，如在楼宇间无线激光通信过程中，激光通信双方在跟踪过程中均需要检测激光光斑，属于激光通信技术领域。

背景技术

光在真空中直线传输，在大气中则不然。由于大气折射率随着空气密度的变化而变化，并且这一变化具有随机性，所以，光的传播方向也在随机改变，并且光波波前破碎。在激光通信中，导致主要由大气湍流引起的大气噪声即湍流噪声作为信道噪声被引入跟踪系统。例如，在理想信道如室内传播的光束其光斑规则，见图1所示；而在室外传播的光束其光斑则凌乱，这主要是因大气湍流影响所致，光斑质心还会因此而发生脱靶，见图2所示。激光通信装置随所处楼宇的低频晃动而晃动，导致光路偏移，也会引起光斑质心脱靶。

光的衍射角远远小于射频电磁波的衍射角，所以，在无线激光通信中，瞄准、捕获、跟踪系统(APT系统)是激光通信装置中的关键组成部分。大气是一种随机信道，使得光端机之间的精确对准更为困难。进行水平链路楼宇间无线激光通信时，其初始瞄准、目标捕获过程都能够通过手动完成，唯独跟踪过程需要系统自动完成，随时降低脱靶量，保证通信正常进行。现有跟踪方法见图3所示，其跟踪模式为灰度跟踪。所述跟踪以光斑检测为核心。信标光随信号光入射光端机接收光学系统1后，见图4所示，由反射振镜2反射，经半透半反镜3分为两路。信号光透射由雪崩光电二极管(APD)4接收，实现通信。信标光反射由CCD探测器5检测，完成控制采样，通过计算机图像处理，即分割图像、自适应阈值二值化、计算形心或质心，同时在其中一个环节或者各个环节进行滤波，如小波滤噪、PDE滤噪等，最后输出脱靶量，由此控制反射振镜2，实现通信信号的动态自动跟踪，使得通信信号具有有效信号功率，从而实现正常通信。

现有技术其不足之处在于：

1、大气湍流是随机运动的，因此，传输介质的折射率和光波波前的变化也是随机的，所以，CCD探测器5检测到的信标光光斑受信道噪声影响，形状破碎，信标光携带的信标信息被噪声信息所掩盖。为了从这样的强噪声环境下提取出信标光光斑的位置信息，需要采取一系列时域或者频域的滤波手段来滤除噪声信息。但是，在滤除噪声信息的同时也使原有的信标信息受到破坏，最终降低了对准精度，见图5所示，与图2相比其能量中心有明显误差，也就是采用水域算子进行图像分割其结果不仅滤除了噪声信息，也因破坏了原有的信标信息而破坏了原始信号。

2、任何进行计算机图像处理的高速处理器的运算能力都是有限的，滤除噪声信息的算法其复杂度与噪声信号功率的大小成正比，复杂度高导致计算量增大，计算速度因此而下降，所以，计算速度与噪声信号功率成反比。又因为计算速度直接影响跟踪带宽，所以大气的变化最终影响到跟踪精度与跟踪带宽。见图6所示，采用PDE虑噪方式的CV模型分割效果较好，但是，单幅图像的处理时间长达112秒。

发明内容

为了应对强大气湍流噪声环境，在静态无线激光通信过程中，在实现动态跟踪的同时，获得较高的跟踪精度和跟踪带宽，我们发明了一种静态无线激光通信针对强大气湍流影响的光斑检测方法。

本发明之方法的实现需要在现有光端机中增设指示光部分，见图7所示，指示光部分由指示光光学系统6和指示光CCD探测器7构成，同时以双面反射振镜8取代反射振镜2，接收光学系统1与指示光光学系统6分布在双面反射振镜8两侧，三者位于一个轴线上，来自接收光学系统1的光由双面反射振镜8的一个反射面反射，来自指示光光学系统6的指示光由双面反射振镜8的另一个反射面反射，并由指示光CCD探测器7接收。

本发明之方法见图8所示，接收光学系统1接收信标光、信号光，CCD探测器5采样，获得视频流，输出脱靶量，该脱靶量作为控制信号控制双面反射振镜8，其特征在于，由指示光CCD探测器7针对来自指示光光学系统6并经双面反射振镜8反射的指示光采样，据此计算双面反射振镜8整体光路偏移量；将该偏移量对CCD探测器5的采样做整体搬移，进而提取视频流中的相对序列信息，计算序列信息熵并作为光斑的特征参数；根据该光斑的特征参数作圆心拟合，从而确定光斑的能量中心；以上特征构成本发明之序列跟踪模式；以序列信息熵为输入参量进行跟踪评价，根据评价结果调整序列信息的提取阈值和在本发明之序列跟踪模式与现有灰度跟踪模式之间转换跟踪模式。