一种基于液晶光闭环系统的光斑高精度提取定位方法

1.本发明涉及空间激光通信技术领域，具体涉及一种基于液晶光闭环系统的光斑高精度提取定位方法。


背景技术：

2.典型无线激光通信系统主要包含终端发射、接收系统与apt光束控制系统。在发射端，待发送信号通过编码器编码后发送至调制器，调制电路将编码后的数据转换为相应的电压信号，调制信号经过自动功率控制系统后加载在半导体激光器上，最后激光器发出的已调制光束，该光束经过光学发射天线以极小的束散角发射出去。在接收端，光学接收天线收集自由空间中的信号光，光束经过分束系统后，一部分光束传输至apt系统，另一部分光束传输至信号接收探测器。apt系统以光束位置误差作为反馈实现光束的捕获、对准与跟踪功能；另一方面光信号经过光电检测系统转换成电信号，通过解调电路还原出基带信号，最后经过解码器输出原始信号。在传统的apt系统中，采用利用压电陶瓷驱动快速反射镜（fast steering mirror，fsm）对光束位置进行调整。传统的压电陶瓷驱动方式，这一机械伺服的控制方式带宽只能达到几十到几百赫兹量级。为了解决这一问题科研人员提出了非机械伺服的控制方式，这一方法适应更大的带宽量级，更大振动幅度以及更高的频率范围。
3.液晶空间光调制器闭环系统就是一种典型的非机械伺服控制系统。液晶空间光调制器具有电控双折射效应，通过改变电压可以使光束发生偏转。液晶空间光调制器所构成系统的简化模型如图1所示。激光经过激光器、起偏器、分光镜，在空间中传播过一段距离后，光束打到液晶空间光调制器上，光束在经过液晶空间光调制器之后，会产生布拉格衍射效应，多个衍射光斑被ccd相机接受后，水平“一字”排布在图像当中。对能量最大的 1级衍射光斑进行提取定位，获得其空间位置；之后将空间位置反馈给伺服系统，使得施加给液晶空间光调制器的电压改变，进而改变光斑位置使其对准无线激光通信系统接收端。ccd相机采集到的衍射光斑图像如图2所示。一系列光斑水平排布在图像中， 1级衍射光斑周围光斑随着距离增大逐渐变小。
4.关于从多个光斑中提取某一特定光斑，国内外缺少相关的文献资料。依据液晶空间光调制器闭环系统所需提取光斑的能量特性，可知所需提取的目标光斑具有最大的能量。而最大能量的光斑在ccd采集图像中占有最多的灰度总和以及最大的面积，故常见方法是提取连通域再选择最大连通域的方法以及提取目标边缘轮廓再选择最长轮廓的方法。但是提取最大连通域需要2次遍历标记出图像中各个连通域，然后再进行选取，同时在硬件实现上也具有一定的难度。提取最长边缘轮廓也需要先逐个提取光斑轮廓再经过比较来得出最大光斑。
5.无线激光通信系统中的光束属于激光，前人对激光光斑的提取提出了很多种方法可供参考。一类是基于灰度值的方法，其中比较有代表性的是灰度质心法、高斯曲面拟合法;另一类是基于边缘的方法，比较常见的是圆拟合法、椭圆拟合法、霍夫变换法及其改进方法。文中激光光斑轮廓存在毛刺和不规则边缘，利用基于边缘的方法计算中心时，在残差
项中难免会引入误差点；同时由于激光光斑能量分布符合高斯分布，所以基于灰度值的方法能够很好得契合能量分布特性。其中最能契合高斯分布特性的是高斯曲面拟合法。但是由于激光能量过高，ccd相机拍摄的光斑在中心区存在灰度值饱和的现象，单纯的高斯曲面拟合无法采集足够的样本点会引入误差并且该方法计算量过大会引入更大的延迟时间。


技术实现要素：

6.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中单纯的高斯曲面拟合无法采集足够的样本点会引入误差并且该方法计算量过大会引入更大的延迟时间的缺陷，从而一种提供基于液晶光闭环系统的光斑高精度提取定位方法。
7.一种基于液晶光闭环系统的光斑高精度提取定位方法，包括以下步骤：s1:对ccd采集到的原始衍射光斑图像进行中值滤波处理；s2:对中值滤波处理后的光斑图像通过迭代法进行阈值分割并输出图像；s3:对s2中输出的图像进行开运算操作；s4:对开运算操作后的图像进行横向扫描和纵向扫描，寻找横向和纵向跨度最大的连通区域，即目标光斑所在的区域；s5: 根据s4中得到的目标光斑所在的区域，提取s2中中值滤波后的图像中的目标光斑饱和平面区域的边缘轮廓线，并对提取的边缘轮廓线进行高斯截线拟合，边缘像素点的分布表达式为：；其中：x和y为像素点在图像中所在的横纵坐标，x0和y0为斯曲面的顶点所在的空间位置，δ
x
和δy为高斯曲面函数的方差，a为幅值；将上述表达式作为目标函数进行最小二乘拟合，求出x0和y0，（x0，y0） 即为所求的光斑中心坐标。
8.进一步，所述步骤s2中迭代法进行阈值分割具体步骤为：s2.1:选取一个初始阈值t0；s2.2:利用阈值t0把图像分割成两部分，两部分的图像灰度分别为r1和r2；s2.3:计算r1的均值和r2的均值，分别记作μ1和μ2；s2.4:选取一个新的阈值t，且 ；s2.5:若t与t0差值的绝对值小于预设值，则t为最终阈值，否则令t0=t并重复步骤s2.2-s2.5。
9.进一步，所述步骤s4中对图像横向扫描的具体步骤为：s4.1.1：对图像第一行进行扫描，记录该行像素值为1的点的个数，压入栈中；s4.1.2：遍历所有行，对其它行重复步骤s4.1.1中对第一行扫描的步骤；s4.1.3：逐个读出栈中的元素，并记录读出的顺序；s4.1.4：找到能够连续读出非零值最长的序列，该序列的读出顺序对应主光斑的行位置。
10.进一步，所述步骤s4中对图像纵向扫描的具体步骤为：
s4.2.1：对图像第一列进行扫描，记录该列像素值为1的点的个数，压入栈中；s4.2.2：遍历所有列，对其它行重复步骤s4.2.1中对第一列扫描的步骤；s4.2.3：逐个读出栈中的元素，并记录读出的顺序；s4.2.4：找到能够连续读出非零值最长的序列，该序列的读出顺序对应主光斑的列位置。
11.进一步，所述初始阈值t0为图像中最大的灰度值和最小的灰度值的均值。
12.进一步，所述预设值为0.1。
13.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
14.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时上实现上述任一项所述方法的步骤。
15.本发明技术方案适用于基于液晶空间光闭环系统中的光斑提取，较其它几种提取和定位方法比较，在保证高精度的前提下，有着更快的运算速度，在逻辑上更适合硬件环境的实现。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为液晶空间光调制器所构成系统的简化模型图；图2为衍射光斑图像；图3为光斑提取结果示意图；图4为 1级衍射光斑的能量分布三维图；图5为 1级光斑顶峰外围轮廓。
具体实施方式
18.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
和y0，（x0，y0） 即为所求的光斑中心坐标。
24.为了便于进行运算我们将式（2）以对数形式表达，得到公式（3），具体如下：（3），公式（3）经过进一步变换可以用二次多项式的形式进行表达，如公式（4）所示。将函数转化为多项式的表达形式有诸多便利，特别是在函数求导数以及偏导数之后所得结果仍旧是多项式的形式，有利于项与项之间的合并，简化运算过程；（4），其中a、b、c、d和e的表达形式如下式（5）所示：（5），a、b、c、d和e即是待求解的未知数，求出之后可以再根据公式（5）求出光斑的中心坐标（x0，y0）。
25.利用最小二乘求解，使得残差平方和最小，残差的平方和 表达式如公式（6）所示：（6），上式中的求和范围是光斑饱和部分外围的一圈像素点，也就是图5所得的轮廓，x和y 是外围像素点所在的空间位置，作为已知数据进行带入。
26.根据最小值条件，对每个变量求偏导并令其为0，再进行移项得到方程组（7），具体如下：（7），方程组（7）可进一步写成矩阵的表达形式，如公式（8）所示：（8），
其中b、k和c的矩阵表达形式分别如式（9）、（10）和（11）所示，具体如下：（9），（10），（11），利用被截取的边缘像素点的空间坐标和表达式（9）可以求出a、b、c、d和e一系列参数的值，最后根据公式（5）即可求出光斑的中心坐标（x0，y0）。
27.所述步骤s2中迭代法进行阈值分割具体步骤为：s2.1:选取一个初始阈值t0；s2.2:利用阈值t0把图像分割成两部分，两部分的图像灰度分别为r1和r2；s2.3:计算r1的均值和r2的均值，分别记作μ1和μ2；s2.4:选取一个新的阈值t，且；s2.5:若t与t0差值的绝对值小于预设值，则t为最终阈值，否则令t0=t并重复步骤s2.2-s2.5。
28.所述步骤s4中对图像横向扫描的具体步骤为：s4.1.1：对图像第一行进行扫描，记录该行像素值为1的点的个数，压入栈中；s4.1.2：遍历所有行，对其它行重复步骤s4.1.1中对第一行扫描的步骤；s4.1.3：逐个读出栈中的元素，并记录读出的顺序；s4.1.4：找到能够连续读出非零值最长的序列，该序列的读出顺序对应主光斑的行位置。
29.所述步骤s4中对图像纵向扫描的具体步骤为：s4.2.1：对图像第一列进行扫描，记录该列像素值为1的点的个数，压入栈中；s4.2.2：遍历所有列，对其它行重复步骤s4.2.1中对第一列扫描的步骤；s4.2.3：逐个读出栈中的元素，并记录读出的顺序；s4.2.4：找到能够连续读出非零值最长的序列，该序列的读出顺序对应主光斑的
列位置。
30.所述初始阈值t0为图像中最大的灰度值和最小的灰度值的均值。
31.所述预设值为0.1。
32.本发明还包括一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
33.本发明还包括一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时上述任一项所述方法的步骤。
34.本技术实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器（read only memory，rom）、可编程只读存储器（programmable rom，prom）、可擦除可编程只读存储器（erasable prom，eprom）、电可擦除可编程只读存储器（electrically eprom，eeprom）或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器（random access memory，ram），其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram 可用，例如静态随机存取存储器（static ram，sram）、动态随机存取存储器（dynamic ram，dram）、同步动态随机存取存储器（synchronous dram，sdram）、双倍数据速率同步动态随机存取存储器（double data rate sdram，ddr sdram）、增强型同步动态随机存取存储器（enhanced sdram，esdram）、同步连接动态随机存取存储器（synchlink dram，sldram）和直接内存总线随机存取存储器（direct rambus ram，dr ram）。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
35.在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本技术实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（digital subscriber line，dsl））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质（例如，软盘、硬盘、磁带）、光介质（例如，高密度数字视频光盘（digital video disc，dvd））、或者半导体介质（例如，固态硬盘（solid state disc，ssd））等。
36.在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
37.应注意，本技术实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能
力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器（dsp）、专用集成电路（asic）、现场可编程门阵列（fpga）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本技术实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
38.本发明适用于基于液晶空间光闭环系统中的光斑提取，较其它几种提取和定位方法比较，在保证高精度的前提下，有着更快的运算速度。
39.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。