基于动态开窗方法的量子通信捕获跟踪相机技术

本发明专利技术公开了一种量子通信捕获跟瞄系统的高性能信标光捕获跟踪相机。该系统在现有信标探测相机技术基础上，采用自适应信标光斑跟踪开窗算法，根据捕获信标光斑或跟踪信标光斑的实时工作条件自动设置探测器开窗视场的中心位置和大小，解决现有捕获跟踪相机的技术不足，即星地量子通信ＡＴＰ相机对大捕获视场、大跟踪视场范围的需求与对高探测分辨率、高探测帧频的需求之间的矛盾。

A quantum communication acquisition and tracking camera based on dynamic windowing

The invention discloses a high performance beacon capturing and tracking camera for a quantum communication acquisition and tracking system. The system in the existing basic camera beacon detection technology, using adaptive beacon tracking window algorithm, according to the center position and the size of the real-time working conditions or capture the beacon tracking beacon spot detector automatically set window view, solve the problems of acquisition and tracking phase machine technology, namely satellite quantum communication of large field of view, ATP camera capture the conflicts between the demand and the tracking range between high resolution and high frame rate detection detection demand.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于量子通信
，具体是指一种应用于量子通信捕获跟踪相 机中的动态开窗捕获跟踪方法和基于这种方法的量子通信捕获跟踪相机。技术背景目前，空间或星地量子通信技术以及量子通信的捕获跟踪瞄准(ATP)系 统技术是国际新技术研究的热点之一，尤其在国内这方面的研究尚处于起步阶 段。在量子通信捕获跟瞄系统中，通常采用四象限雪崩管或CCD/CMOS图像 传感器作为系统的量子通信信标探测器。随着宇航级图像传感器性能的提高， 图像传感器逐渐成为空间或星地量子通信捕获跟瞄系统探测器的主流器件。 现有相机用于空间或星地量子通信作通信捕获跟踪相机时，存在着大捕获视 场、大跟踪视场范围的需求与高探测分辨率、高探测帧频的需求之间的矛盾。 通过縮小相机的光学镜头焦距来扩大相机视场的方法，会使其探测分辨率下 降；通过使用大面阵的探测器来扩大相机视场的方法，会降低探测帧频。反之， 提高分辨率和探测频率也会减少相机的视场范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可应用于量子通信获跟踪相机的方法和一种基 于此种方法的捕获跟踪相机，以解决星地量子通信捕获跟踪相机大捕获视场、 大跟踪视场范围的需求与高探测分辨率、高探测帧频的需求之间的矛盾，实现 一种既具有大捕获视场、大跟踪范围又具有高探测分辨率和高探测帧频的星地 量子通信捕获跟踪相机。本专利技术捕获跟踪相机结构如图1所示，主要由光学镜头l、探测器2和总 控制器3三个核心部件构成。其中，光学镜头1要根据具体的应用需求设计合 理的焦距；探测器2采用光敏面大像素多(大于640*480元)并且能够开窗读 出图像数据的CMOS或CCD图像传感器。总控制器3可以选用FPGA器件、 DSP器件或其它具有数据处理和系统控制功能的器件。总控制器除了完成现有捕获跟踪相机常规的探测器驱动、信标光斑位置提 取、数据传输控制和指令响应等功能外，还实现了自适应信标光斑捕获和开窗 跟踪算法，总控制器根据捕获工作状态或信标光斑跟踪工作状态自动设置探测 器相应的工作模式。捕获跟踪相机的工作流程如图2所示1. 系统上电后，自动进入捕获工作状态。2. 循环判断捕获跟踪相机是否捕获到信标光斑，若未捕获到信标光斑，则 继续保持捕获工作状态；若捕获到信标光斑，则进入跟踪工作模式。3. 捕获到信标光斑后，捕获跟踪相机进入信标光斑跟踪工作模式，对信标 光斑进行连续跟踪。4. 循环判断捕获跟踪相机是否跟踪丢失了信标光斑，若信标光斑没有丢 失，则继续保持连续跟踪；若信标光斑丢失，则自动回到捕获工作状态 重新对信标激光进行搜索捕获。在捕获工作模式下，捕获跟踪相机需要大捕获视场来提高捕获速度和捕获 概率但对探测频率要求较低，因而总控制器将探测器配置为全帧探测读出模式， 捕获视场为整个探测器光敏面对应的最大视场。在信标光斑跟踪模式下，捕获跟踪相机需要很高的探测帧频来提高整个捕 获跟瞄系统的带宽，因而总控制器将探测器配置为以光斑位置为中心开窗读出 图像的模式，以大幅度提高探测频率。开窗的大小可根据需要自动设置，使探测频率可以达到1000 4000帧/秒，完全能够满足跟瞄系统的带宽需求。因为 窗口跟随光斑位置移动，所以捕获跟踪相机的有效探测范围仍然为探测器全帧 对应的最大视场。提高稳定性的探测器光斑位置开窗算法为了避免个别光强闪烁过大造成 光斑消失的图像影响，不能直接以前一帧图像的光斑位置为中心进行当前开窗 位置的中心。以前10帧图像的光斑位置均值作为当前图像开窗的中心位置， 并且在短时间无光斑时保持窗口位置不变，这样就滤除了光斑闪烁造成的不稳 定作用，从而保证了系统的跟踪稳定性。 本专利技术捕获跟踪相机具有以下特点1. 系统硬件构成简单，具有良好稳定的性能以及灵活智能的自适应工作模 式控制方法。2. 既具有大捕获视场、大跟踪范围又具有高探测分辨率和高探测帧频。 附图说明图1是本专利技术捕获跟踪相机的系统结构示意图；其中，l光学镜头，2探测器，3总控制器。图2是本专利技术捕获跟踪相机的工作模式自动控制程序流程图。图3是本专利技术捕获跟踪相机的具体工作过程说明示意图。其中，(a)是捕获跟踪相机全帧捕获模式的工作方式示意图，(b)、 (c)、 (d)是捕获跟踪相机动态开窗跟踪模式的工作方式示意图。具体实施例方式在本专利技术捕获跟踪相机一个实例系统中，采用焦距500mm的光学镜头， 选用CYIL1SM4000型大面阵CMOS图像传感器作为探测器，选用EP2C20F256 型FPGA作为系统总控制器，使用Verilog硬件描述语言对FPGA进行自动控制电路设计。下面以图3为例对本专利技术捕获跟踪相机的动态开窗捕获跟踪的功 能进行具体说明。1. 如图3(a) (d)所示，信标捕获跟踪相机在各种工作状态下实时探测提取 信标光的位置，为跟踪系统闭环提供信标与系统视轴中心间的脱耙量(虚 线箭头矢量)。2. 如图3(a)所示，捕获跟踪相机在捕获模式下，使用CYIL1SM4000型大 面阵CMOS图像传感器的全帧2048元X2048感光元探测，15帧/秒的 探测频率，以达到最大的捕获视场降低机构扫描捕获时间提高捕获概 率。结合500mm的光学焦距、12y mX 12 u m的探测器像元大小，可以 计算出捕获跟踪相机的捕获视场为3。 X3° 。3. 在捕获模式下探测到信标光以后，捕获跟踪相机进入跟踪模式。在此模 式下，以光斑位置为中心开窗读出探测器的图像，以大幅度提高探测频 率，如图3(b)所示。开窗的大小可根据需要自动设置为256元X256元， 探测频率可以达到1000帧/秒；或128元X128元，探测频率可以达到 2000 4000帧/秒，完全能够满足跟瞄系统的带宽需求。此时虽然探测 视场很小，但是已经完全能够覆盖整个信标光斑并留有足够余量。4. 在自适应信标光斑开窗跟踪模式下，探测器的开窗中心跟随信标光斑移 动，窗口在整个探测器光敏面范围内移动，所以捕获跟踪相机的探测跟 踪范围等于最大视场，即3° X3。。如图3(b) (d)戶万示。5. 跟踪模式下，在设定时间内连续丢失光斑时，相机系统自动回到捕获工 作模式。通过上述具体控制方法，捕获跟踪相机在捕获信标光斑是具有最大的捕获 视场，同时在跟踪光斑时具有最大的跟踪范围和很高的探测分辨率、很高的探测帧频<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于动态开窗方法的量子通信捕获跟踪相机，它由光学镜头（１）、探测器（２）和总控制器（３）三个核心部件构成，其特征在于：所述的相机总控制器（３）设置有自适应信标光斑捕获和开窗跟踪算法，总控制器根据捕获工作状态或信标光斑跟踪工作状态自动设置探测器相应的工作模式，具体工作流程如下：　Ａ．系统上电后，相机自动进入捕获工作状态；　Ｂ．循环判断捕获跟踪相机是否捕获到信标光斑，若未捕获到信标光斑，则继续保持捕获工作状态；若捕获到信标光斑，则进入跟踪工作模式；　Ｃ．捕获 到信标光斑后，捕获跟踪相机进入信标光斑跟踪工作模式，对信标光斑进行连续跟踪；　Ｄ．循环判断捕获跟踪相机是否跟踪丢失了信标光斑，若信标光斑没有丢失，则继续保持连续跟踪；若信标光斑丢失，则自动回到捕获工作状态重新对信标激光进行搜索捕获。

【技术特征摘要】
1.一种基于动态开窗方法的量子通信捕获跟踪相机，它由光学镜头(1)、探测器(2)和总控制器(3)三个核心部件构成，其特征在于所述的相机总控制器(3)设置有自适应信标光斑捕获和开窗跟踪算法，总控制器根据捕获工作状态或信标光斑跟踪工作状态自动设置探测器相应的工作模式，具体工作流程如下A.系统上电后，相机自动进入捕获工作状态；B.循环判断捕获跟踪相机是否捕获到信标光斑，若未捕获到信标光斑，则继续保持捕获工作状态；若捕获到信标光斑，则进入跟踪工作模式；C.捕获到信标光斑后，捕获跟踪相机进入信标光斑跟踪工作模式，对信标光斑进行连续跟踪；D.循环判断捕获跟踪相机是否跟踪...

【专利技术属性】
技术研发人员：林均仰，王建宇，舒嵘，贾建军，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：31[]