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本文作者：董冉艾勇肖永軍單欣作者單位：武漢大學(xué)

精跟蹤子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1精跟蹤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

精跟蹤系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可分為探測單元、控制單元、執(zhí)行單元3個部分，其基本組件參數(shù)如表1所示。探測單元采用的是PhotonFocus公司的MV-D1024E-160型CMOS相機，其最大分辨率為1024×1024，開窗為256×256時幀頻最高可達到2200frame/s。控制單元為一臺PC機加上SiliconSofeWare公司的MicroEnableIV型圖像采集卡、一塊AC6631隔離通用4路12位D/A卡(只用到兩路)。執(zhí)行單元為Newport公司的FSM300型音圈電機，其最大機械擺角為±26.2mrad，精度≤1μrad。如圖1所示，望遠鏡鏡筒中接收到的光線經(jīng)過一系列反射鏡和透鏡后聚焦在相機的光敏面上成像，圖像數(shù)據(jù)通過CAMERLINK線傳遞給圖像采集卡，再由PC機處理，然后PC機控制D/A卡輸出相應(yīng)的電壓制使得音圈電機產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。

2精跟蹤系統(tǒng)軟件及算法

作為控制單元處理器的PC機有3點主要任務(wù)：(1)控制相機及圖像采集卡；(2)將圖像信息進行處理并得到要相應(yīng)的控制電壓；(3)控制D/A卡輸出相應(yīng)電壓。其中第二項任務(wù)是重點也是難點所在，它又可以分為光斑的中心計算和跟蹤控制的電壓值計算。精跟蹤系統(tǒng)需要高頻率、高精度地得到光斑中心的位置。高精度的算法需要更大的時間開銷，也就是說精度和速度必須統(tǒng)一起來設(shè)計出一個最優(yōu)化的算法。該系統(tǒng)設(shè)計了以下算法：(1)用域值分割的方法減小背景噪聲的影響。自適應(yīng)域值通常需要全像素范圍的計算，因此采用固定域值分割的方法，利用人工PC機上取點得到背景值可以大幅減小運算量。不足之處是，當(dāng)背景噪聲發(fā)生較大變化時，無法及時調(diào)整，會造成質(zhì)心定位的不準(zhǔn)確。(2)國內(nèi)外文獻顯示，對于精跟蹤來說，質(zhì)心法是一種比較適宜的光斑中心的計算方法[5-6]，所有高于域值的像素點均參與運算，所有低于域值的像素點當(dāng)作是零。這種方法的缺點是，當(dāng)離質(zhì)心較遠的像素出現(xiàn)大于域值的噪聲點時，將很大地影響質(zhì)心的精度，因此通常域值會取偏大一些，這樣雖然會減小光斑的實際范圍，但其對質(zhì)心精度的影響較小[7]。跟蹤控制的電壓值計算采用的是增量式PID算法。經(jīng)過優(yōu)化后的最終算法，在處理256×256分辨率的圖像時，從接收圖像到發(fā)出控制電壓耗時約為0.3ms，已經(jīng)完全能滿足實時處理精跟蹤相機2200幀頻圖像的要求，且受外界背景光影響較小，在白天仍然能正常工作。

實驗過程及結(jié)果分析

通信實驗在武漢大學(xué)信息學(xué)部實驗大樓和工學(xué)部主教學(xué)樓之間進行，兩樓直線距離約為2km。實驗時信息學(xué)部上的發(fā)射端向工學(xué)部的接收端同時發(fā)射650nm信標(biāo)光和1550nm信號光。由于粗跟蹤和精跟蹤之間未建立反饋鏈接，因此采用的是跟蹤標(biāo)定點的方法，即粗跟蹤將其CCD上的光斑保持在某個給定點時，精跟蹤相機上的光斑進入視場，精跟蹤將光斑穩(wěn)定在光敏面上的給定點時，信號光接收光功率被最大化。接收端下方的一維旋轉(zhuǎn)平臺以指定角速度轉(zhuǎn)動，模擬發(fā)射端在水平面上運動的情況。精跟蹤系統(tǒng)的PC機由C++編寫的程序里有坐標(biāo)的記錄功能，將其保存下來繪成隨幀號變化的圖形。共采集了旋轉(zhuǎn)平臺在不同的6種角速度下的光斑質(zhì)心X、Y軸坐標(biāo)。圖2、3為其中的兩組，中間的劇烈變化部分為精跟蹤停止工作時的曲線，用于與跟蹤狀態(tài)下的曲線進行對比。同時，在原本放置APD的地方放置了光功率計記錄光功率的變化，并將數(shù)據(jù)傳送到PC機中，通過LabView編寫的程序?qū)⑵浔４嫦聛怼?/p>

1精跟蹤相機端實驗結(jié)果及分析

對于精跟蹤系統(tǒng)來說，需要跟蹤補償?shù)墓饩€傾斜角相當(dāng)大一部分低頻是由粗跟蹤的殘差造成的，大氣湍流造成的抖動幅度則要小的多。因此，表2列出了運動平臺在不同運動速度下粗跟蹤系統(tǒng)的殘差，而由于光路中透鏡的變換，粗跟蹤中X軸的抖動在精跟蹤中表現(xiàn)為Y軸的抖動，Y軸則表現(xiàn)為X軸。可以看到表中粗跟蹤系統(tǒng)在平臺運動角速度大于0.8(°)/s時，其殘差已經(jīng)大于精跟蹤的500μrad視場，但精跟蹤系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)—音圈電機的偏轉(zhuǎn)范圍高達±26mrad，且其反應(yīng)速度和相機幀頻都相當(dāng)高，而粗跟蹤的殘余抖動頻率相對較低，一般僅為幾Hz，因此，只要光斑進入過精跟蹤視場，即使總偏移角度大于500μrad，仍然可以被有效跟蹤到。經(jīng)過精跟蹤系統(tǒng)的補償后，在定點及各種不同運動速度時的光斑質(zhì)心變化如圖2、3及表3所示。由于轉(zhuǎn)臺慣量等原因，粗跟蹤的殘差隨模擬運動速度的變快而變大，也就是精跟蹤在單位時間內(nèi)要補償?shù)慕嵌葍A斜也在增大，因此預(yù)計精跟蹤后的光斑坐標(biāo)浮動也將隨著運動速度的變快而變大。由于是一維轉(zhuǎn)動，表3中，只有精跟蹤的Y方向也就是粗跟蹤的X方向質(zhì)心坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差的變化基本符合課題組的預(yù)測。但是最大偏移量卻呈現(xiàn)出無規(guī)律的變化，初步推斷是由于最大偏移量本身受突發(fā)因素的影響較大，而每組數(shù)據(jù)的記錄時間只有幾十秒，樣本不夠大而導(dǎo)致的。圖3中，當(dāng)平臺運動速度較高時，跟蹤曲線出現(xiàn)了沒有被補償?shù)降牡皖l抖動，且其頻率基本和粗跟蹤的殘余抖動一致，課題組推斷這是因為粗跟蹤殘差已經(jīng)達到毫弧度級，經(jīng)過望遠鏡放大，在精跟蹤光路中則達到了十幾毫弧度，做為執(zhí)行機構(gòu)，音圈電機在大幅度偏轉(zhuǎn)時響應(yīng)速度較慢，而且在粗跟蹤殘差很大時，到達精跟蹤相機的光斑不僅產(chǎn)生了位移還產(chǎn)生了高頻的明顯形變，從而產(chǎn)生了質(zhì)心的變化。

2光功率計實驗結(jié)果及分析

由于跟蹤系統(tǒng)最終是為通信服務(wù)的，為了得到跟蹤系統(tǒng)對通信的效果和影響，把能向PC機傳輸數(shù)據(jù)的光功率計接入了在原通信系統(tǒng)中用來接收信號光的光纖處，以10kHz的頻率采集耦合后的光功率，以此來評估跟蹤對通信系統(tǒng)的影響。實驗結(jié)果如圖4、圖5及表4所示。實驗結(jié)果表明在各種平臺運動速度下，接收到的光功率的均值、標(biāo)準(zhǔn)差基本和平臺不動時的定點實驗時采集到的數(shù)據(jù)一致。上節(jié)中，精跟蹤相機端實驗結(jié)果中的精跟蹤殘差由于幅度較小，而耦合有一定的接收面積，在光功率上基本沒有體現(xiàn)出隨著平臺運動速度而變化的特點。表4中還加入了兩組未開啟精跟蹤時的數(shù)據(jù)對比，可以看到第一組數(shù)據(jù)記錄過程中，光斑完全未能耦合入光纖中，其數(shù)據(jù)基本可認為是背影噪聲，而在第二組數(shù)據(jù)中，有短時間的耦合成功，但標(biāo)準(zhǔn)差遠遠大于開啟跟蹤時。而表4中的最大起伏值除了一組完全未能耦合的以外基本相同，課題組推斷，是由于光斑閃爍變化的幅度本身就已經(jīng)達到了光功率計能測量到的上限，所以文中的最大起伏已經(jīng)是由閃爍引起的而不是光斑位移引起的，而這是一維的精跟蹤系統(tǒng)無能為力的。

結(jié)論

APT系統(tǒng)一直是激光通信系統(tǒng)能否成功的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計的APT系統(tǒng)中的精跟蹤部分，通過對精跟蹤相機端實驗數(shù)據(jù)和光功率計實驗數(shù)據(jù)的分析，可以認為該設(shè)計基本達到了設(shè)計目標(biāo)，能夠當(dāng)目標(biāo)以小于1.2(°)/s的角速度運動時，將誤差保持在系統(tǒng)的允許范圍內(nèi)，保障了鏈路的暢通。同時，通過實驗，也發(fā)現(xiàn)了一些問題：(1)由于精跟蹤與APD接收模塊之間無反饋回路，因此只能靠人工定出光功率較高的點，而光功率本身由于閃爍、飄移等十分不穩(wěn)定，定出的較高點往往并不一定是效果最好的點。(2)當(dāng)粗跟蹤殘差較大時，精跟蹤會出現(xiàn)未補償?shù)牡皖l抖動，這點有望通過控制算法的改進來解決。