[发明专利]一种远场激光光斑图像的检测方法

摘要

本发明公开了一种远场激光光斑图像的检测方法，具体按照以下步骤实施：步骤1：用Xenics红外相机进行间隔采样，借助CCD探测器输出标准视频信号；步骤2：对不同发射功率和距离下的光斑进行对比；步骤3：对不规则的远场激光光斑图像进行预处理；步骤4：提取目标光斑；步骤5：通过laplace算子计算梯度来提取光斑目标，通过对远场激光光斑的仿真分析到算法的设计与运用，最终检测出光斑的位置坐标中心，检测出光斑的坐标中心的差值，实现光束的重新对准和跟踪。本发明公开了一种远场激光光斑图像的检测方法，有效地提高的检测精度、提高了远场光斑的检测效率，确保通信链路的实时畅通。

主权项

1.一种远场激光光斑图像的检测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1：将远场激光光斑检测控制系统搭建在无线激光通信APT系统实验上，远场激光光斑检测控制系统的发射端由激光器、二维复合轴瞄准云台和透射式天线构成，将发射天线固定于二维复合轴云台上，依靠PC控制系统结合GSM射频模块进行控制二维复合轴云台，使发射天线水平和俯仰方向上的运动来保持链路畅通；接收端是卡塞格林式天线、GSM射频模块、Xenics红外相机和光斑检测控制系统，用Xenics红外相机进行间隔采样，Xenics红外相机的曝光时间为9000us‑13000us，借助CCD探测器输出标准视频信号，标准视频信号通过图像采集卡被送入计算机，计算机软件对图像进行实时处理，控制系统完成光束的捕获、对准，保持通信链路的畅通；步骤2：对不同发射功率和距离下的光斑进行对比，采用MATLAB进行了仿真计算，以大气湍流效应在光斑图像上的直观反应为依据进行图像处理；根据激光通信实验的不同传输距离、发射功率、激光波长以及大气折射率结构常数，分析光斑图像的变化，是否符合高斯分布。如果能量分布是理想高斯型，光斑光强分布公式为：其中E_max为能量光强的最大值，E(x，y)是随机点处光强值，u是均值，σ²是方差，由于大气的衰减和湍流的干扰，光斑淹没在背景噪声中，需要滤波去噪，对于(1)式需要进行二维滤波，u＝0,求取2次偏导，原始图像f(x，y)，当则滤波后图像是I(x，y)＝f(x，y)*g_xx(x，y)*g_yy(x，y)；步骤3：对不规则的远场激光光斑图像进行预处理：根据光斑分布采用相应的滤波方法，对于滤波后的图像需要转化为灰度图像，将RGB图像转化为单层的灰度图像，进行阈值分割，将光斑目标从背景中分离出来，阈值分割理论公式为：其中T是设置的阈值，d是当前图像的灰度值，maxValue是8邻域像素内最大的灰度值，minValue是8邻域像素内最小的灰度值，设光斑图像为B(x，y)，拍摄光斑前的背景相邻时刻背景为A(x，y)，所以光斑的灰度表示为g(x，y)；步骤4：提取目标光斑：即对不规则破碎光斑进行处理，在保持不破坏原有光斑信息的情况下，引入计算机图像学中的四连通和八连通区域填充算法，在填充的过程中通过程序设置填充阈值大小，对某些小区域进行填充或者筛检，使得光斑连接成一个整体，随即引入数学形态学闭运算来弥合小裂缝，使光斑形状不发生改变；经过上述算法，对光斑的部分区域进行了填充和剔除，得到较为完整的目标光斑；步骤5：通过laplace算子计算梯度来提取光斑目标，Laplace算子是灰度图像g(x，y)的点、边、线的提取算子，为了应用于光斑边界的提取，公式(5)是数字图像下离散的Laplace算子。通过laplace算子计算光斑图像梯度来提取光斑目标，提取的目标光斑伦廊将提取的伦廊映射入二维矩阵中，如公式(5)：采用二维空间向量圆拟合算法拟合光斑中心，Δx_ij＝x_j‑x_i，Δy_ij＝y_j‑y_i，为圆心坐标，M_ij(x_ij，y_ij)是M_i(x_i，y_i)和M_j(x_j，y_j)的中点，i∈E样本空间所有边界点的集合，根据最小二乘原理，根据样本点与拟合圆之间的距离来设置阈值，将误差较大的样本点进行剔除，然后进行预测，圆边界上的两点的中垂线必过圆心，所以就有WX＝P，W^TWX＝W^TP三个是拟合圆心的条件，Q＝|P‑WX|²公式(6)是误差函数在x,y方向求取偏导，求圆坐标中心，根据公式(7)，Q是二维矩阵的点于拟合点|P‑WX|的残差，对圆心坐标和光斑伦廊上的样本点取统计平均计算出圆半径，通过对远场激光光斑的仿真分析到算法的设计与运用，最终检测出光斑的位置坐标中心，检测出光斑的坐标中心的差值，检测控制界面将计算的差值转化为指令，发送给二维复合轴云台，实现光束的重新对准和跟踪。