一种基于液晶光闭环系统的光斑高精度提取定位方法技术方案

本发明专利技术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，包括以下步骤：S1:对采集到的原始衍射光斑图像进行滤波处理；S2:对处理后的光斑图像通过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中处理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，得出边缘像素点的分布表达式，将表达式作为目标函数进行最小二乘拟合，通过计算求出求的光斑中心坐标，本发明专利技术与其它几种提取和定位方法相比较，在保证高精度的前提下，有着更快运算速度。有着更快运算速度。有着更快运算速度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于液晶光闭环系统的光斑高精度提取定位方法


[0001]本专利技术涉及空间激光通信
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]因此，本专利技术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。
[0007]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δ
y
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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]进一步，所述预设值为0.1。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]本专利技术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
[0016]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施方式，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。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于液晶光闭环系统的光斑高精度提取定位方法，其特征在于，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δ
y
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。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：董科研，宋延嵩，刘超，张博，吴宏凯，梁宗林，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：