基于网络光纤通信的光斑定位算法研究

2022-04-03刘建友

黑龙江科学 2022年6期

刘建友

(广东理工学院，广东肇庆 526100)

光斑中心定位是一种激光光斑能量中心位置的精确定位技术，是光学测量中常用的关键技术，在激光通信、目标跟踪、武器系统、激光雷达、激光测距等领域有着广泛的应用[1]。光纤通信激光通过载体后会出现畸变光斑，其以光束漂移、发散、光强度起伏为主要特征，如果能够快速找出成像光斑中心，将成为解决网络光纤通信问题的核心技术。精确度高的光斑定位算法可以在通信链路不断开的情况下减少促动位移，降低频率，提高系统工作效率。目前常用的几种光斑定位算法有质心法、形心法、椭圆拟合法、高斯拟合法等，在这些算法的基础上通过实验，提出了滑动加权质心定位算法，为提高网络光纤通信光斑中心的准确定位提供了理论基础和实验数据。

1 滑动加权质心定位算法

1.1 算法概述

用阈值分割方法来定位光斑，将最短时间内的图像定为标准图像，去除光斑周围噪声，同时对中心进行补偿，用非线性权重质心定位算法进行粗定位，再用向量滑动补偿粗定位中心，进行精确定位。

1.2 阈值分割方法

阈值选取得当可以减少周围噪声干扰，可以在减少计算量的同时提高准确性。自适应阈值法[2]简单好用，在此方法的基础上稍微改动，其算法公式如公式(1)和公式(2)：

(1)

V=Ravg+M1

(2)

其中，H是起始图像，V为阈值结果，Ravg为图像灰度均值，M1为图像灰度众数。

通过实验对比了阈值分割方法、最大类间方差法和迭代法，这三种方法都采用了非线性加权重心算法和重心算法，得出的结果如表1所示：

表1 不同算法下定位点离标准中心偏移量(像素)Tab.1 Offset (pixel) of anchor point from standard center under different algorithms

由表1可以看出，众数自适应阈值分割方法相较于其他方法，光斑在非线性权重质心定位算法及质心法下的中心定位精度都得到了很大的提高。

1.3 滑动加权质心定位算法

滑动加权质心定位算法具有抗噪声性能好、精度高、对规则光斑和畸变光斑的定位稳定性强等特点。其算法过程如下：第一步是处理图像。将拍摄的彩色图像转化为灰度强度图像输入。第二步是叠加图像。通过参考图像B的阈值VB计算出其对应的灰度值K，由公式(3)计算出去背景处理后的图像。第三步是中心补偿。经过以上操作光斑已经失真，为了保持图像数据有效，必须把中心去除的背景噪声补偿进去。第四步中值滤波。把图像按像素值的大小进行排序，用点周围点值的中值去代替点值，计算如公式(4)。第五步是运算处理。目的是使光斑面积边缘光滑，细小空洞填满。

I去背景(i,j)=I当前值(i,j)-k

(3)

J(x,y)=med{IA(x-k,y-l),(k,l∈w)}

(4)

经过上述五步之后，得到了当前的图像值。实验中的两条光纤通信光斑通过上述操作后得到结果如表2所示：

表2 光斑处理过程效果分析Tab.2 Effect analysis of light spot processing

由表2可以看出，运行2处理的结果比运行1好，用峰值信噪比处理噪声效果更好。

定位算法过程是先用非线性权重质心法对图像进行粗定位，得到点坐标为(xs，ys)，由光斑移动向量r对粗定位点进行反向补偿，得到精定位点坐标(xn，yn)。计算如公式(5)所示。

(xn,yn)=(xs,ys)-(xi-xi-1,yi-yi-1)

(5)

滑动加权质心定位算法保留了非线性权重质心定位算法对于规则光斑定位精度高的优点，通过滑动补偿机制，尽可能减小通信中由于光斑闪烁漂移带来的定位误差，弥补了其对畸变光斑定位稳定性差的问题[2]。

2 算法理论分析

2.1 不同强度下的光斑分析

使用功率谱反演法模拟光斑扑捉屏，用以扑捉不同强度的光斑，为了更接近理论值，对扑捉屏进行了次谐波补偿，从理论上把扑捉屏的相位结构函数和理论值进行比较，得到图1，其中p为谐波次数，图中纵坐标r0为光斑有效直径。

图1 不同强度光斑理论分析Fig.1 Theoretical analysis of light spot of different intensity

2.2 理论定位分析

在强度为2×10-17m-2/3、2×10-15m-2/3、2×10-13m-2/3下形成的像素为512×512的光斑中加进了不同强度的噪声，用滑动加权质心定位算法、非线性权重质心定位算法、质心法、传统形心法得到定位点到光斑中心的均值。以定位点为圆心，光斑图像大小及光斑尺寸取半径，得到图2。

由图2可以看出，光的功率越大，光斑的定位就越精确，滑动加权质心定位算法相较其他三种方法，在定位的精确度和稳定性上都是最好的。

图2 Fig.2

3 算法实验验证分析

本实验分别在2.5 km和10.3 km的距离搭建了光纤通信链路，光纤通信通过放大器进行放大，再通过开普勒透射式天线发出，接收器是马卡斯托折返式望远镜。实验中对接收器中的光斑进行了提取和补偿[3]，采用滑动加权质心定位算法、非线性权重质心定位算法、质心法、传统形心法对其进行定位，说明了光斑强度越大，定位精确度就越好，定位点之间的距离越短，定位算法稳定性就越好。图3是10.3 km中50张连续光斑取半径为30、60像素强度在4种算法中的值。图中纵坐标表示像素强度，横坐标表示图像数量，表3为10.3 km光斑数据处理结果。