引言

　　以大氣作為傳輸介質(zhì)，激光作為信息載體進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信時(shí)，空一地激光無(wú)線(xiàn)通信是激光無(wú)線(xiàn)通信的一種常見(jiàn)形式，信標(biāo)光的準(zhǔn)確捕獲、瞄準(zhǔn)與跟蹤(Acquisition，Pointing and Tracking，APT)是其關(guān)鍵技術(shù)，APT系統(tǒng)主要用于建立和維持激光通信鏈路，是進(jìn)行激光無(wú)線(xiàn)通信的關(guān)鍵技術(shù)。由于激光光束窄、發(fā)散角小，在大氣傳輸過(guò)程中存在大氣散射、折射、湍流等現(xiàn)象，再加上激光通信平臺(tái)的振動(dòng)等因素，會(huì)造成激光光束偏離目標(biāo)，使得瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤技術(shù)問(wèn)題變得十分突出。

　　APT系統(tǒng)分為粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)。粗跟蹤系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成信標(biāo)光的初始時(shí)期的大范圍掃描和捕獲，引導(dǎo)信標(biāo)光光斑進(jìn)入精跟蹤視場(chǎng)，跟蹤精度和帶寬較低；精跟蹤系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成信標(biāo)光的精確跟蹤和鎖定，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了有關(guān)精跟蹤的不少研究，它所要求的跟蹤精度和帶寬較高，它的精度和帶寬決定了整個(gè)APT系統(tǒng)的精度和帶寬，同時(shí)它的另一個(gè)主要功能是克服因大氣擾動(dòng)和平臺(tái)振動(dòng)造成的信標(biāo)光光斑抖動(dòng)，維持穩(wěn)定的激光通信鏈路。針對(duì)目前激光無(wú)線(xiàn)通信所要用到的關(guān)鍵技術(shù)，和空一地激光無(wú)線(xiàn)通信終端應(yīng)具有集成度高、功耗低、體積小和重量輕等一系列特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種以FPGA作為控制芯片的精跟蹤系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及功能概述

??? 以Altera公司的Cyclone系列FPGA為控制核心的雙FPGA系統(tǒng)，一塊用于控制高幀頻相機(jī)，并將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)基于1394協(xié)議接口的傳輸線(xiàn)傳輸?shù)搅硪粔KFPGA，在第二塊FPGA中進(jìn)行光斑坐標(biāo)提取和完成跟蹤算法，系統(tǒng)使用一款基于Cameralink接口的高幀頻CMOS相機(jī)作為圖像傳感器采集信標(biāo)光光斑，以高速數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片DAC712P、雙通道PZT控制器和高精度PZT振鏡用于構(gòu)成光路偏轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)。PC機(jī)用于設(shè)定相機(jī)工作參數(shù)，與FPGA板間數(shù)據(jù)通信采用Cy-press公司提供的支持USB 2．0協(xié)議的CY7C68013芯片。

??? 如圖1所示為系統(tǒng)的組成框圖，在終端設(shè)備中，由光學(xué)天線(xiàn)接收到的信標(biāo)光經(jīng)過(guò)高幀頻CMOS相機(jī)轉(zhuǎn)換為灰度圖像，F(xiàn)PGA工將灰度圖像數(shù)據(jù)由Cameralink接口接收后，經(jīng)過(guò)重新組合，然后通過(guò)基于1394協(xié)議的接口芯片轉(zhuǎn)換為串行差分信號(hào)發(fā)送至圖象處理板，板上的FPGAⅡ把圖像數(shù)據(jù)接收后放入其內(nèi)部的一級(jí)緩存RAM中，再?gòu)囊患?jí)緩存中取出數(shù)據(jù)通過(guò)乒乓操作將其存放到其外部的二級(jí)緩存PSRAM陣列中，然后FPGAⅡ把圖像數(shù)據(jù)從PSRAM陣列中取出，采用質(zhì)心算法計(jì)算光斑中心坐標(biāo)，并把圖像數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口控制模塊發(fā)送到PC機(jī)進(jìn)行顯示，便于用戶(hù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)把計(jì)算出的光斑中心坐標(biāo)根據(jù)PID跟蹤算法計(jì)算出偏置調(diào)節(jié)量，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC712P轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后經(jīng)過(guò)PZT控制器實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大，最后使PZT振鏡在兩路實(shí)時(shí)程控電壓的控制下進(jìn)行相應(yīng)的二維偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)因大氣湍流等因素造成的接收光束的抖動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，達(dá)到穩(wěn)定接收光斑中心位置，維持穩(wěn)定的激光通信鏈路目的。

2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

2．1 光斑采集及處理部分

??? 光斑采集及處理部分主要由高幀頻CMOS相機(jī)MV-D1024E和對(duì)其進(jìn)行控制的FPGA組成。采用的兩塊FPGA均是Altera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8，具有5 980個(gè)邏輯單元，120 000個(gè)典型門(mén)資源和185個(gè)可編程I／O口，最高工作時(shí)鐘可達(dá)300 MHz以上，核心供電電壓為1．5 V，I／O供電電壓3．3 V，通過(guò)JTAG實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置。配置芯片EPC4串行ROM容量約為4 MB，可重復(fù)編程50次左右，JTAG接口符合IEEE Std．1149．1標(biāo)準(zhǔn)。

??? MV-D1024E是高速高動(dòng)態(tài)的CMOS相機(jī)系列，采用CMOS主動(dòng)像元技術(shù)，具有12位的采樣分辨率和1 024×1 024的像素分辨率，在此分辨率下幀頻能達(dá)到150幀／s，曝光時(shí)間由10μs～0．41 s，25 ns步進(jìn)可調(diào)，采用Camera Link接口，用串行口對(duì)相機(jī)進(jìn)行配置。相機(jī)時(shí)序由幀頻FVAL、行頻LVAL和數(shù)據(jù)幀DVAL控制，當(dāng)它們同時(shí)為高電平時(shí)，在相機(jī)時(shí)鐘PCLK上升沿時(shí)數(shù)據(jù)總路線(xiàn)上才有數(shù)據(jù)。在光斑中心提取算法中，采用較為實(shí)用的質(zhì)心法，該算法計(jì)算簡(jiǎn)單，便于FPGA實(shí)現(xiàn)，因其抗噪聲干擾能力較弱，當(dāng)噪聲增大時(shí)，光斑中心提取精度降低，則系統(tǒng)選取了灰度加權(quán)質(zhì)心法來(lái)計(jì)算光斑中心。若目標(biāo)區(qū)域?yàn)镹×N，則質(zhì)心的位置為：

???

　　式中：i，j為目標(biāo)區(qū)中像元的橫縱坐標(biāo)；f(i，j)為像元的灰度值。質(zhì)心法反映了目標(biāo)的能量分布狀況。該算法適用于類(lèi)似于精跟蹤系統(tǒng)接收視場(chǎng)小而光班范圍相對(duì)較大的情況。

　　2．2 數(shù)據(jù)傳輸及通信接口部分

　　Camera Link用于相機(jī)和FPGA板間的數(shù)據(jù)交換，其傳輸率高達(dá)1 Gb／s，且抗噪較好，可以提供高分辨率和各種幀頻的數(shù)字化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出采用了LVDS格式，根據(jù)應(yīng)用要求，其支持基本(Base)、中檔(Medium)、全部(Full)等數(shù)字格式，該接口具有開(kāi)放式的接口協(xié)議，兼容性好。它適用于CCD或CMOS等數(shù)字式相機(jī)與圖像采集系統(tǒng)間的通信接口。

　　USB接口用于FPGA與PC機(jī)間的數(shù)據(jù)和指令的交換，其具有高速度、低成本、低功耗、即插即用和使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，采用IEEE1394總路線(xiàn)協(xié)議，最高帶寬可達(dá)到480 Mb／s。采用Cypress公司的EZ-US-BFX2系列芯片中的CY7C68013。