一种用于空间超远距星间激光链路建立的高精度光斑质心定位算法及其识别方法技术

本发明专利技术的一种用于空间超远距星间激光链路建立的高精度光斑质心定位算法及其识别方法，根据远端卫星捕获的微弱激光光斑图像的特征，对作为质心计算参考的最强光强点和光斑图像截取区域依次进行优化设计，最后对优化后多次求解得到的质心取平均，有效减少光斑质心计算误差。本发明专利技术适用于空间超远距星间激光链路建立时接收光强极其微弱的应用场景，解决了传统质心算法在低信噪比情况下难以实现高精度定位的问题，满足了星间激光通信和空间引力波探测等空间应用领域在超远星间距上实现激光链路建立的应用需求。链路建立的应用需求。链路建立的应用需求。

【技术实现步骤摘要】
一种用于空间超远距星间激光链路建立的高精度光斑质心定位算法及其识别方法


[0001]本专利技术涉及光斑质心定位
，特别涉及一种用于空间超远距星间激光链路建立的高精度光斑质心定位算法及其识别方法。

技术介绍

[0002]随着空间科学和技术的快速发展和推进，空间激光应用逐步向高精度应用领域拓展，尤其在星间激光通信和空间引力波探测等空间应用领域，为实现激光通信或者精密干涉测量，需要间距非常遥远两颗卫星发射的激光相互捕获，建立激光链路。为了实现激光链路的建立、保持、瞄准、跟踪，光学传感器必须要能够实时、精确地确定激光光斑图像的质心位置，以准确地计算出它与标准位置的偏差，然后通过控制器来校正这个偏差，使得光束正确地指向对方。可见，光斑图像的质心位置定位的精度直接决定了激光捕获精度。现有技术中，针对于不同的应用领域，各种高精度光斑质心定位算法层出不穷，比如高斯拟合定位法、传统质心算法等。
[0003]对大多数激光光斑来说，理想的光斑强度分布满足高斯分布，高斯拟合定位方法对于完美的高斯分布光斑具有非常高的定位精度，然而实时捕获相机的光强分布并满足高斯分布，因此，高斯拟合定位方法虽然精度较高，但存在计算量大、实时性差的缺点，无法满足激光链路的建立、保持、跟踪时实时、精确地确定激光光斑质心。
[0004]传统质心算法因其简单有效的特点被广泛应用于如：Hartmann
‑
Shack(哈特曼
‑
夏克)波前传感器、激光通信ATP系统等各种领域。传统的质心算法具有运算速度快，光强分布不均对定位精度影响较小等优点，可以满足远场光束波前近似平顶的应用需求。但传统质心算法对噪声比较敏感，在微弱接收激光低信噪比的情况下难以实现0.1pixel的高精度定位，抗干扰能力太弱，无法满足空间超远距星间激光链路建立的应用需求。
[0005]但各算法在星间激光捕获阶段的具体表现，还需结合空间应用中实际工况进行分析。空间应用的实际工况为激光发射卫星出射的激光经过空间超远距传输后，光强衰减到nW甚至100pW量级，远场光束波前扩展为近似平面，远端卫星接收的激光为被望远镜截断的高斯平顶光束。现有技术中的这些算法应用在星间激光捕获阶段，在检测精度和抗干扰性上各自都存在着一定的不足。
[0006]另外，捕获CCD/CMOS相机的成像系统决定探测器接收的实际光强分布接近但不完全符合夫琅禾费衍射分布，利用夫琅禾费衍射轮推导平行光入射变栅距光栅后衍射光强的角度分布，计算入射光斑质心是不精确的。
[0007]因此，提供一种适用于在星间光通信系统中激光捕获阶段的光斑质心的定位方法，解决现有技术中对100pW量级弱接收光强下、光强分布特性非高斯的激光光斑质心检测精度和抗干扰性不足的问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术的第一个目的在于，针对现有技术中对星间光通信系统中激光捕获阶段的光斑质心定位中检测精度不高和抗干扰性低的问题，提供了一种高精度测量、抗干扰性强的应用于空间超远距星间激光链路建立的高精度光斑质心定位算法。
[0009]为此，本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：一种用于空间超远距星间激光链路建立的高精度光斑质心定位算法，其特征在于，包括如下步骤：
[0010]步骤S
‑
1，获取带有光斑的图像数据，图像数据必须包含一个光斑，且仅有一个最亮的光斑，
[0011]步骤S
‑
2：计算图像的灰度最大值坐标点，记为(Xmax,Ymax)，该点的光强灰度值为M，并以此点作为计算的质心参考点,
[0012]步骤S
‑
3：计算图像灰度值为M/2的坐标点，记为(Xhalf,Yhalf),
[0013]步骤S
‑
4：计算最强光强点(Xmax,Ymax)与M/2光强点坐标点(Xhalf,Yhalf)的距离，记为R,
[0014]步骤S
‑
5：以光强最大值点(Xmax,Ymax)为中心点，选取边长为4R的正方形对光斑图像进行截取，采用传统灰度质心算法计算出截取的正方形图像的质心坐标，记为(Xmeasure,Ymeasure)，
[0015]步骤S
‑
6：计算正方形图像的质心(Xmeasure,Ymeasure)和M/2光强点(Xhalf,Yhalf)的距离，记为R
’
，
[0016]步骤S
‑
7：以正方形图像质心(Xmeasure,Ymeasure)为中心，做边长为4R
’
的新正方形，继续利用S
‑
5中传统的灰度质心算法求解新正方形图像的质心为(Xcn,Ycn)，
[0017]步骤S
‑
8：重复N次步骤S
‑
1～S
‑
7，记录每次S
‑
7中的图像质心(Xc1,Yc1)、(Xc2,Yc2)、Xc3,Yc3)
……
(Xcn,Ycn)，其中，N为整数，且0＜N＜500，
[0018]步骤S
‑
9：步骤S
‑
8中记录质心(Xcn,Ycn)中n的次数等于N时，退出循环，自动进入步骤S
‑
9，记录每次S
‑
7中的图像质心(Xcn,Ycn)，求解S
‑
8中记录的N次光斑质心(Xcn,Ycn)平均值，记为(Xcenter,Ycenter)，则均值(Xcenter,Ycenter)为所计算的图像质心；
[0019]其中，步骤S
‑
5中，传统灰度质心算法采用如下公式计算，其中x
ij
表示计算像素点的x坐标，y
ij
表示计算像素点的y坐标，I
ij
表示计算像素点的光强值：
[0020][0021]本专利技术的第二个目的在于，提供一种空间超远距星间激光链路建立的光斑质心识别方法。
[0022]为实现上述目的，本专利技术通过下述方案实现：
[0023]一种空间超远距星间激光链路建立的光斑质心识别方法，包括以下步骤：
[0024]步骤一，分割粗计算区域：识别整幅图像灰度值最大的点(Xmax,Ymax)作为初始计算区域中心，确定该点的灰度值，并将该灰度值记为M；检索灰度值最接近M/2的像素点(Xhalf,Yhalf)，并将(Xmax,Ymax)与(Xhalf,Yhalf)之间的距离记为R，计算区域的边长为4R，即粗计算区域为以(Xmax,Ymax)为中心，4R为边长的正方形区域；
[0025]步骤二，计算粗光斑中心位置：在步骤一分割出的计算区域内使用质心算法得到
粗光斑中心位置(Xmeasure,Ymeasure)；
[0026]步骤三，获得精确光斑中心位置：由于计算区域的中心应为整数，选定离(Xmeasure,Ymeasure)最近的整数像素(Xm,Ym)为新的区域中心本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于空间超远距星间激光链路建立的高精度光斑质心定位算法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S
‑
1，获取带有光斑的图像数据，图像数据必须包含一个光斑，且仅有一个最亮的光斑，步骤S
‑
2：计算图像的灰度最大值坐标点，记为(Xmax,Ymax)，该点的光强灰度值为M，并以此点作为计算的质心参考点，步骤S
‑
3：计算图像灰度值为M/2的坐标点，记为(Xhalf,Yhalf)，步骤S
‑
4：计算最强光强点(Xmax,Ymax)与M/2光强点坐标点(Xhalf,Yhalf)的距离，记为R，步骤S
‑
5：以光强最大值点(Xmax,Ymax)为中心点，选取边长为4R的正方形对光斑图像进行截取，采用传统灰度质心算法计算出截取的正方形图像的质心坐标，记为(Xmeasure,Ymeasure)，步骤S
‑
6：计算正方形图像的质心(Xmeasure,Ymeasure)和M/2光强点(Xhalf,Yhalf)的距离，记为R
’
，步骤S
‑
7：以正方形图像质心(Xmeasure,Ymeasure)为中心，做边长为4R
’
的新正方形，继续利用S
‑
5中传统的灰度质心算法求解新正方形图像的质心为(Xcn,Ycn),步骤S
‑
8：重复N次步骤S
‑
1～S
‑
7，记录每次S
‑
7中的图像质心(Xc1,Yc1)、(Xc2,Yc2)、Xc3,Yc3)
……
(Xcn,Ycn)，当记录质心(Xcn,Ycn)中n的次数等于N时，退出循环，自动进入步骤S
‑
9，N为整数，且0＜N＜50...

【专利技术属性】
技术研发人员：高瑞弘，崔钊，王义坤，钱星光，边伟，亓洪兴，贾建军，王建宇，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：