一种远场激光光斑图像的检测方法与流程
本发明属于无线激光通信技术领域，具体涉及一种远场激光光斑图像的检测方法。
背景技术：
无线激光通信具有很多优点，例如通信容量巨大、传输速率快，抗干扰能力强、隐蔽性好、无需频谱许可等，是高速大容量信息传输的重要模式之一，已成为各国通信领域高度认可的通信解决方案之一，同时在各个领域也获得了较为广泛的应用，尤其是在军用领域。传统的无线电通信容易被窃听和干扰，这对军事作战的影响是巨大的。无线激光通信技术配合其他通信方式可有效解决上述问题，所以各国都在争相研究无线激光通信在军事上的应用。
拥有上述优点的同时，也有难以回避的缺点，目前的光通信利用极窄的光束作为传输信息的载体，给光束的对准带来了一定困难。无线激光通信会受大气衰减和湍流效应的严重影响，使得激光光束偏离视场范围，大气湍流也对无线激光通信中捕获、对准和跟踪(acquisitionpointingandtracking,apt)系统产生影响。激光在随机大气信道中传输距离越远，受到大气湍流的影响越严重；噪声对灰度信号严重的破坏，产生很大的光能量损失；所以目前接收到的光信号往往十分微弱，光斑呈现出不规则亮暗相间、破碎现象；目前无线激光通信中的激光束经过远距离传输后，受大气湍流影响导致光束偏离接收天线视场范围，造成检测效率和检测精度降低。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种远场激光光斑图像的检测方法，解决了目前无线激光通信中激光束经过远距离传输后，受大气湍流的影响，使得光束偏离了接收天线视场范围，导致通信链路中断问题。
本发明所采用的技术方案是
一种远场激光光斑图像的检测方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：将远场激光光斑检测控制系统搭建在无线激光通信apt系统实验上，远场激光光斑检测控制系统的发射端由激光器、二维复合轴瞄准云台和透射式天线构成，将发射天线固定于二维复合轴云台上，依靠pc控制系统结合gsm射频模块进行控制二维复合轴云台，使发射天线水平和俯仰方向上的运动来保持链路畅通；接收端是卡塞格林式天线、gsm射频模块、xenics红外相机和光斑检测控制系统，
用xenics红外相机进行间隔采样，xenics红外相机的曝光时间为9000us-13000us，借助ccd探测器输出标准视频信号，标准视频信号通过图像采集卡被送入计算机，计算机软件对图像进行实时处理，控制系统完成光束的捕获、对准，保持通信链路的畅通；
步骤2：对不同发射功率和距离下的光斑进行对比，采用matlab进行了仿真计算，以大气湍流效应在光斑图像上的直观反应为依据进行图像处理；根据激光通信实验的不同传输距离、发射功率、激光波长以及大气折射率结构常数，分析光斑图像的变化，是否符合高斯分布。
如果能量分布是理想高斯型，光斑光强分布公式为：
emax为能量光强的最大值，e(x，y)是随机点处光强值，u是均值，σ2是方差。由于大气的衰减和湍流的干扰，光斑淹没在背景噪声中，需要滤波去噪，对于(1)式需要进行二维滤波，u＝0,求取2次偏导，
原始图像f(x，y)，当则滤波后图像是i(x，y)＝f(x，y)*gxx(x，y)*gyy(x，y)；
步骤3：对不规则的远场激光光斑图像进行预处理：
根据光斑分布采用相应的滤波方法，对于滤波后的图像需要转化为灰度图像，将rgb图像转化为单层的灰度图像，进行阈值分割，将光斑目标从背景中分离出来，阈值分割理论公式为：
其中t是设置的阈值，d代表当前图像的灰度值。maxvalue是8邻域像素内最大的灰度值，minvalue是8邻域像素内最小的灰度值，设光斑图像为b(x，y)，拍摄光斑前的背景相邻时刻背景为a(x，y)，所以光斑的灰度表示为g(x，y)；
步骤4：提取目标光斑：
即对不规则破碎光斑进行处理，在保持不破坏原有光斑信息的情况下，引入计算机图像学中的四连通和八连通区域填充算法，在填充的过程中通过程序设置填充阈值大小，对某些小区域进行填充或者筛检，使得光斑连接成一个整体，随即引入数学形态学闭运算来弥合小裂缝，使光斑形状不发生改变；经过上述算法，对光斑的部分区域进行了填充和剔除，得到较为完整的目标光斑；
步骤5：通laplace算子计算梯度来提取光斑目标伦廊，laplace算子是灰度图像g(x，y)的点、边、线的提取算子，为了应用于光斑边界的提取，公式(5)是数字图像下离散的laplace算子。
通过laplace算子计算光斑图像梯度来提取光斑目标，提取的目标光斑伦廊。
将提取的伦廊映射入二维矩阵空间w中，如公式(5)：
采用二维空间向量圆拟合算法拟合光斑中心，δxij＝xj-xi，δyij＝yj-yi，
圆边界上的两点的中垂线必过圆心，所以就有
q＝|p-wx|2
公式(6)是误差函数在x,y方向求取偏导，求圆坐标中心，根据公式(7)，q是二维矩阵的点于拟合点|p-wx|的残差，对圆心坐标和光斑伦廊上的样本点取统计平均计算出圆半径，通过对远场激光光斑的仿真分析到算法的设计与运用，最终检测出光斑的位置坐标中心，检测出光斑的坐标中心的差值，检测控制界面将计算的差值转化为指令，发送给二维复合轴云台，实现光束的重新对准和跟踪。
本发明的特点还在于，
步骤1中，xenics红外相机的曝光时间设定为10000us-12000us，所述激光器为1550nm激光器，所述卡塞格林式天线的接收孔径为30cm。
步骤2中，采用matlab软件进行仿真计算光斑图像的能量分布，并以大气湍流效应在光斑图像上的直观反应为依据进行图像处理。
步骤4中所述区域填充算法为种子栈填充算法，即将该区域内的一个像素点压入栈中，如果栈空则结束，否则取栈元素(x、y)；以y作为当前的扫描线，从种子点出发，沿着当前扫描线向左、右两个方向进行填充，直到边界，并标记左、右两端点坐标[x1、x2]；确定的种子点在区间[x1、x2]中检查与当前扫描线上的像素，若存在非边界，求填充的像素，然后把每一个区间的最右像素作为种子点压入堆栈；
引入的数学形态学闭运算的两个基本运算是腐蚀和膨胀，是针对于高亮部分进行运算，破碎光斑首先经过算法填充后，在进行opencv闭运算，膨胀运算是对光斑图像的高亮部分求取最大值，采用一个核与原图像进行卷积运算，计算核覆盖后区域的像素最大值，并把最大值赋值给目标指定的像素，使图像中的光斑区域逐渐增长，邻域扩张较大；腐蚀运算是相反的操作，求取局部高亮部分最小值，对扩张后的光斑区域进行蚕食，使得高亮部分放大弥合裂缝，黑暗部分缩小，目标光斑形状变化较小。
本发明的有益效果是，一种远场激光光斑图像的检测方法，通过采用了高速图像处理技术和数学形态学结合计算机图像学算法对光斑进行处理，提取目标特征值，根据畸变、破碎不规则光斑的特性，通过opencv采用相应的数字图像处理算法来完成远场激光光斑的检测，有效地提高的检测精度、提高了远场光斑的检测效率，确保通信链路的实时畅通。
附图说明
图1是本发明一种远场激光光斑图像的检测方法中远场激光光斑检测控制系统示意图；
图2是本发明一种远场激光光斑图像的检测方法中光束偏离天线视场范围的状态示意图；
图3是本发明一种远场激光光斑图像的检测方法中远场光斑的示意图；
图4是本发明一种远场激光光斑图像的检测方法中不同状态下光斑的能量分布示意图；
图5是本发明一种远场激光光斑图像的检测方法中光束偏离接收天线图像预处理的示意图；
图6是本发明一种远场激光光斑图像的检测方法中光斑轮廓提取与拟合坐标中心结果的示意图；
图7是本发明一种远场激光光斑图像的检测方法中二维向量空间拟合算法的示意图。
图8是本发明一种远场激光光斑图像的检测方法的全部算法实现的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一般情况是下光束偏离视场的情况如图2所示，需要借助红外相机进行检测这种现象。因此针对现阶段远距离激光通信，提出了一种抗干扰能力强，高精度的远场光斑检测算法来获取光束的偏移量，实现通信链路的畅通，具体实现方法流程图如图8所示。
本发明提供一种远场激光光斑图像的检测方法，具体按照以下步骤实施，
步骤1：本发明是搭建在10km的无线激光通信apt系统实验上，如图3所示，发射端主要是由1550nm激光器、二维复合轴瞄准云台、以及透射式天线构成。发射天线一般固定于二维复合轴云台上，依靠计算机控制系统结合gsm射频模块进行控制二维复合轴云台，实现发射天线水平和俯仰方向上的运动来保持链路畅通。
接收端主要是接收孔径为30cm的卡塞格林式天线、gsm射频模块、xenics红外相机和光斑检测控制系统。在激光通信实验中，高灵敏度ccd探测器的输出视频信号是标准视频信号，标准视频信号通过图像采集卡送入计算机，计算机软件再对图像进行实时处理。
需要实时打开红外相机并设置好相机的曝光时间10000us-12000us，对接收屏进行成像，采集的原始光斑图像如图2所示。在此操作之前需要控制系统完成光束的捕获、对准，保持通信链路的畅通。
步骤2：由于激光在大气中传输时，产生光束漂移、半径扩展、角扩展、抖动以及光强起伏等湍流效应，使得接收光斑呈现出亮暗分明，破碎不规则现象。那么针对现阶段的激光通信实验根据不同传输距离、发射功率、激光波长1550nm以及大气折射率结构常数，大气湍流起伏的强弱,表征了大气折射率随机不均匀性的剧烈程度)等条件，分析光斑图像的变化，以及光强分布。根据光斑图像的特性推导分布函数公式，如果能量分布是理想高斯型，光斑光强分布公式为：
emax为能量光强的最大值。由于大气的衰减和湍流的干扰，光斑淹没在背景噪声中，需要滤波去噪，对于(1)式需要进行二维滤波，u＝0,求取2次偏导，公式(2)，(3):
原始图像f(x,y)，当则滤波后图像是i(x,y)＝f(x,y)*gxx(x,y)*gyy(x,y)。
采用matlab软件进行了仿真计算光斑图像的能量分布，光斑能量分布的三维伪彩色显示如图4所示，反应了远场光斑光强空间的分布特性，并以大气湍流效应在光斑图像上的直观反应作为依据，进行后续的图像处理。
步骤3：进行不规则光斑图像预处理的过程。首先根据光斑分布采用相应的滤波方法，如图5中b1-b5所示，滤除背景噪声，杂散光。以便下一步的阈值分割，将光斑目标从背景中分离出来。公式(4)中是阈值分割理论公式，maxvalue是8邻域像素内最大的灰度值，minvalue是8邻域像素内最小的灰度值。
设光斑图像为b(x，y)，拍摄光斑前的背景相邻时刻背景为a(x，y)，t是设置的阈值，所以光斑的灰度表示为g(x，y)。可以从图5中c1-c5看到，阈值分割后得到白颜色部分就是光斑有效区域。
步骤4：以上流程对远场激光光斑进行了预处理(中值滤波、阈值分割)。为了提取到目标光斑，但是光斑呈现出破碎、不规则散斑散斑特性，在保持不破坏原有光斑信息的情况下，需要引入计算机图像学中的四连通和八连通区域填充算法(种子栈填充算法)。原理是将该区域内的一个像素点压入栈中；如果栈空则结束，否则取栈元素(x，y)，以y作为当前的扫描线；从种子点出发，沿着当前扫描线向左、右两个方向进行填充，直到边界，并标记左、右两端点坐标x1，x2；确定的种子点在区间[x1，x2]中检查与当前扫描线上的像素。若存在非边界，求填充的像素，然后把每一个区间的最右像素作为种子点压入堆栈。
在填充的过程中通过程序设置填充阈值大小，对某些小区域进行填充或者筛检，使得光斑连接成一个整体，如图5中d1-d5所示。在湍流较强时(光强分布极不均匀)，图像预处理后不规则光斑存在细微的缝隙，同时引入了数学形态学闭运算将细微的裂缝进行弥合，而总的位置和形状不会发生变化，此算法用于对不规则破碎光斑的处理。
数学形态学闭运算最基本两个运算是腐蚀、膨胀。是针对于白色部分(高亮部分)进行运算。对于本发明而言，破碎光斑首先经过算法填充后，在进行opencv闭运算(先膨胀后腐蚀操作)。膨胀运算是对光斑图像的高亮部分求取最大值，采用一个核(矩形核、椭圆核、交叉型核)与原图像进行卷积运算，计算核覆盖后区域的像素最大值，并把最大值赋值给目标指定的像素，这样使图像中的光斑区域逐渐增长，实现了邻域扩张；腐蚀运算是相反的操作，求取局部高亮部分最小值，对扩张后的光斑区域进行蚕食，使得高亮部分放大弥合裂缝，黑暗部分缩小。从而目标光斑形状也不会发生太大的变化，如图5中e1-e5是闭运算的结果图。
经过上述算法，对光斑的部分区域进行了填充和剔除，得到较为完整的目标光斑。
步骤5：得到完整的目标光斑后，采用laplace算子提取光斑伦廊。laplace算子是灰度图像g(x,y)的点、边、线的提取算子，为了应用于光斑边界的提取，下面的公式(5)是数字图像下离散的laplace算子：
通过laplace算子计算光斑图像梯度来提取光斑目标，提取的目标光斑伦廊如图6中f2-f5。
步骤6：本发明选取了laplace算子的优点是无论光斑图像处于什么位置，提取效果比较精确。将上述提取的光斑伦廊映射进二维向量空间，如公式(6)，然后圆拟合出光斑坐标中心，最终实现对远场激光光斑的检测。
式(6)中δxij＝xj-xi,δyij＝yj-yi，
q＝|p-wx|2
根据此算法得到的结果如图6中h2-h5所示。最终检测出光斑的位置坐标中心，光斑位置坐标中心与实际标记中心的差值就是求取的误差量，检测控制界面将计算的误差量转化为指令，发送给二维复合轴云台，实现光束的重新对准和跟踪。本发明实现了在背景噪声干扰环境下，对远场激光光斑检测算法的设计。有效的解决了无线光通信apt系统受大气湍流的干扰使光束偏移的现象，保证了通信链路的实时畅通，提高了通信质量。
实施例1：
一种远场激光光斑图像的检测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：将远场激光光斑检测控制系统搭建在无线激光通信apt系统实验上，远场激光光斑检测控制系统的发射端由1550nm的激光器、二维复合轴瞄准云台和透射式天线构成，将发射天线固定于二维复合轴云台上，依靠pc控制系统结合gsm射频模块进行控制二维复合轴云台，使发射天线水平和俯仰方向上的运动来保持链路畅通；接收端是孔径是30cm的卡塞格林式天线、gsm射频模块、xenics红外相机和光斑检测控制系统，
把曝光时间设定为11100us的xenics红外相机进行间隔采样，借助ccd探测器输出标准视频信号，标准视频信号通过图像采集卡被送入计算机，计算机软件对图像进行实时处理，控制系统完成光束的捕获、对准，保持通信链路的畅通；
步骤2：对不同发射功率和距离下的光斑进行对比，采用matlab进行了仿真计算，以大气湍流效应在光斑图像上的直观反应为依据进行图像处理；采用matlab软件进行仿真计算光斑图像的能量分布，并以大气湍流效应在光斑图像上的直观反应为依据进行图像处理，根据激光通信实验的不同传输距离、发射功率、激光波长以及大气折射率结构常数，分析光斑图像的变化，是否符合高斯分布。
如果能量分布是理想高斯型，光斑光强分布公式为：
其中emax为能量光强的最大值，e(x，y)是随机点处光强值，u是均值，σ2是方差，由于大气的衰减和湍流的干扰，光斑淹没在背景噪声中，需要滤波去噪，对于(1)式需要进行二维滤波，u＝0,求取2次偏导，
原始图像f(x，y)，当则滤波后图像是i(x，y)＝f(x，y)*gxx(x，y)*gyy(x，y)；
步骤3：对不规则的远场激光光斑图像进行预处理：
根据光斑分布采用相应的滤波方法，对于滤波后的图像需要转化为灰度图像，将rgb图像转化为单层的灰度图像，进行阈值分割，将光斑目标从背景中分离出来，阈值分割理论公式为：
其中t是设置的阈值，d是当前图像的灰度值，maxvalue是8邻域像素内最大的灰度值，minvalue是8邻域像素内最小的灰度值，设光斑图像为b(x，y)，拍摄光斑前的背景相邻时刻背景为a(x，y)，所以光斑的灰度表示为g(x，y)；
步骤4：提取目标光斑：
即对不规则破碎光斑进行处理，在保持不破坏原有光斑信息的情况下，引入计算机图像学中的四连通和八连通区域填充算法，在填充的过程中通过程序设置填充阈值大小，对某些小区域进行填充或者筛检，使得光斑连接成一个整体，随即引入数学形态学闭运算来弥合小裂缝，使光斑形状不发生改变；经过上述算法，对光斑的部分区域进行了填充和剔除，得到较为完整的目标光斑；
步骤5：通过laplace算子计算梯度来提取光斑目标，laplace算子是灰度图像g(x，y)的点、边、线的提取算子，为了应用于光斑边界的提取，公式(5)是数字图像下离散的laplace算子。
通过laplace算子计算光斑图像梯度来提取光斑目标，提取的目标光斑伦廊
将提取的伦廊映射入二维矩阵中，如公式(5)：
采用二维空间向量圆拟合算法拟合光斑中心，δxij＝xj-xi，δyij＝yj-yi，
圆边界上的两点的中垂线必过圆心，所以就有
q＝|p-wx|2
公式(6)是误差函数在x,y方向求取偏导，求圆坐标中心，根据公式(7)，q是二维矩阵的点于拟合点|p-wx|的残差，对圆心坐标和光斑伦廊上的样本点取统计平均计算出圆半径，通过对远场激光光斑的仿真分析到算法的设计与运用，最终检测出光斑的位置坐标中心，检测出光斑的坐标中心的差值，检测控制界面将计算的差值转化为指令，发送给二维复合轴云台，实现光束的重新对准和跟踪。
实施例2：
一种远场激光光斑图像的检测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：将远场激光光斑检测控制系统搭建在无线激光通信apt系统实验上，远场激光光斑检测控制系统的发射端由1550nm激光器、二维复合轴瞄准云台和透射式天线构成，将发射天线固定于二维复合轴云台上，依靠pc控制系统结合gsm射频模块进行控制二维复合轴云台，使发射天线水平和俯仰方向上的运动来保持链路畅通；接收端是孔径为30cm的卡塞格林式天线、gsm射频模块、xenics红外相机和光斑检测控制系统，
把曝光时间为11800xenics红外相机进行间隔采样，借助ccd探测器输出标准视频信号，标准视频信号通过图像采集卡被送入计算机，计算机软件对图像进行实时处理，控制系统完成光束的捕获、对准，保持通信链路的畅通；
步骤2：对不同发射功率和距离下的光斑进行对比，采用matlab进行了仿真计算，以大气湍流效应在光斑图像上的直观反应为依据进行图像处理；根据激光通信实验的不同传输距离、发射功率、激光波长以及大气折射率结构常数，分析光斑图像的变化，是否符合高斯分布。
如果能量分布是理想高斯型，光斑光强分布公式为：
其中emax为能量光强的最大值，e(x，y)是随机点处光强值，u是均值，σ2是方差，由于大气的衰减和湍流的干扰，光斑淹没在背景噪声中，需要滤波去噪，对于(1)式需要进行二维滤波，u＝0,求取2次偏导，
原始图像f(x，y)，当则滤波后图像是i(x，y)＝f(x，y)*gxx(x，y)*gyy(x，y)；
步骤3：对不规则的远场激光光斑图像进行预处理：
根据光斑分布采用相应的滤波方法，对于滤波后的图像需要转化为灰度图像，将rgb图像转化为单层的灰度图像，进行阈值分割，将光斑目标从背景中分离出来，阈值分割理论公式为：
其中t是设置的阈值，d是当前图像的灰度值，maxvalue是8邻域像素内最大的灰度值，minvalue是8邻域像素内最小的灰度值，设光斑图像为b(x，y)，拍摄光斑前的背景相邻时刻背景为a(x，y)，所以光斑的灰度表示为g(x，y)；
步骤4：提取目标光斑：
即对不规则破碎光斑进行处理，在保持不破坏原有光斑信息的情况下，引入计算机图像学中的四连通和八连通区域填充算法，
区域填充算法为种子栈填充算法，即将该区域内的一个像素点压入栈中，如果栈空则结束，否则取栈元素(x、y)；以y作为当前的扫描线，从种子点出发，沿着当前扫描线向左、右两个方向进行填充，直到边界，并标记左、右两端点坐标[x1、x2]；确定的种子点在区间[x1、x2]中检查与当前扫描线上的像素，若存在非边界，求填充的像素，然后把每一个区间的最右像素作为种子点压入堆栈；
引入的数学形态学闭运算的两个基本运算是腐蚀和膨胀，是针对于高亮部分进行运算，破碎光斑首先经过算法填充后，在进行opencv闭运算，膨胀运算是对光斑图像的高亮部分求取最大值，采用一个核与原图像进行卷积运算，计算核覆盖后区域的像素最大值，并把最大值赋值给目标指定的像素，使图像中的光斑区域逐渐增长，邻域扩张较大；腐蚀运算是相反的操作，求取局部高亮部分最小值，对扩张后的光斑区域进行蚕食，使得高亮部分放大弥合裂缝，黑暗部分缩小，目标光斑形状变化较小。
在填充的过程中通过程序设置填充阈值大小，对某些小区域进行填充或者筛检，使得光斑连接成一个整体，随即引入数学形态学闭运算来弥合小裂缝，使光斑形状不发生改变；经过上述算法，对光斑的部分区域进行了填充和剔除，得到较为完整的目标光斑；
步骤5：通过laplace算子计算梯度来提取光斑目标，laplace算子是灰度图像g(x，y)的点、边、线的提取算子，为了应用于光斑边界的提取，公式(5)是数字图像下离散的laplace算子。
通过laplace算子计算光斑图像梯度来提取光斑目标，提取的目标光斑伦廊
将提取的伦廊映射入二维矩阵中，如公式(5)：
采用二维空间向量圆拟合算法拟合光斑中心，δxij＝xj-xi，δyij＝yj-yi，
圆边界上的两点的中垂线必过圆心，所以就有
q＝|p-wx|2
公式(6)是误差函数在x,y方向求取偏导，求圆坐标中心，根据公式(7)，q是二维矩阵的点于拟合点|p-wx|的残差，对圆心坐标和光斑伦廊上的样本点取统计平均计算出圆半径，通过对远场激光光斑的仿真分析到算法的设计与运用，最终检测出光斑的位置坐标中心，检测出光斑的坐标中心的差值，检测控制界面将计算的差值转化为指令，发送给二维复合轴云台，实现光束的重新对准和跟踪。
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