一种湍流扰动下激光光斑质心提取方法与流程

本发明涉及无线激光通信，具体为一种湍流扰动下激光光斑质心提取方法。

背景技术：

1、无线激光通信技术以激光为信息载体，以大气为传输媒介，使得收发两端间实现语音、图像、数据等信息传输的一种光通信方式，具有高速率、大带宽、抗干扰能力强与保密性好等优势。但是由于激光的窄波束特性以及激光传输过程中会受到大气环境、平台运动、振动的等随机扰动，带来光束对准的困难，而捕获、指向、跟踪系统(acquisition,pointingand tracking,apt)常用于平台间自动对准光束，建立稳定激光通信链路，保障通信正常。atp系统校正光束偏差是利用了探测器端光斑质心信息，当探测器检测到光束时，会计算光斑质心位置，得到偏差角度，将偏差角度反馈到atp系统中的控制器，进行光束方向的调整，建立通信链路。目前探测器进行光斑质心提取的方法包括灰度质心法、圆拟合法、椭圆拟合法等，灰度质心算法计算效率快但抗干扰能力弱，圆拟合法与椭圆拟合法对光斑的边缘完整性要求较高，在随机扰动程度强烈或传输距离较长而产生光斑破碎现象时定位效果大大降低，难以判断这种状态下的光斑中心位置，严重影响收发两端激光通信链路的建立。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种湍流扰动下激光光斑质心提取方法，解决了上述背景技术中所提出的问题。

3、(二)技术方案

4、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

5、一种湍流扰动下激光光斑质心提取方法，包括以下步骤：

6、s1：将获得的光斑图像进行灰度转换，利用可变阈值法对光斑图像进行阈值分割，将目标区域与背景分离；

7、s2：针对可变阈值分割的图像进行形态学处理，进一步提取目标光斑区域，对该目标区域进行边缘检测，提取光斑边缘的像素点，所有光斑边缘像素点构成集合m，集合m中任一像素点存储形式为(xi,yj)，其中xi,yj分别代表像素点在原始图像中的行数与列数；

8、s3：进行椭圆拟合算法处理，获得拟合后椭圆中心坐标(xe,ye)，此时的椭圆中心坐标即为光斑质心坐标(xc,yc)；

9、其中，在步骤s1中可变阈值分割的阈值为txy＝ω1σxy+ω2mxy，ω1,ω2为权重系数，σxy、mxy分别表示一幅光斑图像任意邻域所包含像素集合的标准差和均值，并且阈值txy满足txy＝ω1σxy+ω2mg，其中mg表示全局图像均值，结合全局图像均值与布尔运算对阈值处理添加权重，计算分割后的图像，分割后的光斑图像g(x,y)可以表示为：

10、

11、上式中q为判断条件，f(x,y)表示原图像。

12、进一步地，所述s1中采用自适应差分进化算法计算可变阈值分割的ω1,ω2权重系数，该算法包括以下步骤：

13、s11：对于单张光斑图像，生成i组候选的(ω1,ω2)系数，设定最大迭代次数gmax、初始变异系数f0、当前迭代次数为g、计算适应度表达式为iden＝iseg/iideal，最佳适应度为iopt；

14、s12：可变阈值分割算法选用每组的分割系数对同一张光斑图像进行处理，并计算分割后的适应度；

15、s13：根据每组参数的适应度，选择适应度较大的作为下一代的父代，并且，对选中的父代进行变异操作，产生新的参数组合，变异操作处理时的变异系数为

16、s14：重复s12与s13，直至到达设定的迭代次数或者适应度值达到设定值iopt，在历次迭代中选取适应度表现最好的权值参数组合作为可变阈值分割的(ω1,ω2)系数。

17、进一步地，所述s3中的椭圆拟合算法包括以下子步骤：

18、s31：将集合m按照从大到小的顺序分为m1,m2,k,mk等子集，根据散布矩阵s＝dtd，求解不同子集的散布矩阵sk，其中d为设计矩阵，如下所示：

19、

20、上式中n为集合中边缘特征点的个数；

21、s32：将每个子集的散布矩阵相叠加得到整个集合m的散布矩阵sm，即

22、

23、其中，dm为设计矩阵，即

24、

25、s33：求解求解正特征值所对应的特征向量即可得到椭圆参数θ(xe,ye,rmaj,rmin,γ)，其中(xe，ye)为椭圆中心坐标，rmaj、rmin、γ分别为椭圆的长轴、短轴与倾角，约束矩阵k如下式所示；

26、

27、(三)有益效果

28、与现有技术相比，本发明提供了一种湍流扰动下激光光斑质心提取方法，具备以下有益效果：

29、本发明激光在传输的过程中会受到湍流的扰动，当扰动强度较大时，接收端光斑会随形成一系列的碎斑，直接采用基于最小二乘的椭圆拟合法时质心提取误差较大，而本发明提出的质心提取方法将光斑边缘的完整集合按照从大到小的顺序分成不同的子集，通过求解不同子集的散布矩阵得到整个集合的散布矩阵，从而根据完整集合的散布矩阵与约束矩阵求解椭圆参数，达到提取光斑质心的目的，本发明所提出的方法适应光斑边缘形状不完整的情况，增强了抗干扰能力，降低了计算复杂度，提高了光斑质心提取的计算效率。

技术特征：

1.一种湍流扰动下激光光斑质心提取方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种湍流扰动下激光光斑质心提取方法，其特征在于：所述s1中采用自适应差分进化算法计算可变阈值分割的ω1,ω2权重系数，该算法包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种湍流扰动下激光光斑质心提取方法，其特征在于：所述s3中的椭圆拟合算法包括以下子步骤：

技术总结
本发明属于无线激光通信技术领域，尤其为一种湍流扰动下激光光斑质心提取方法，包括以下步骤：S1：将获得的光斑图像进行灰度转换，利用可变阈值法对光斑图像进行阈值分割，将目标区域与背景分离。本发明提出的质心提取方法将光斑边缘的完整集合按照从大到小的顺序分成不同的子集，通过求解不同子集的散布矩阵得到整个集合的散布矩阵，从而根据完整集合的散布矩阵与约束矩阵求解椭圆参数，达到提取光斑质心的目的，本发明所提出的方法适应光斑边缘形状不完整的情况，增强了抗干扰能力，降低了计算复杂度，提高了光斑质心提取的计算效率。

技术研发人员：刘智,王建兵,刘轩,杨阳,郗浚涵,王惠绩
受保护的技术使用者：苏州精视智为光电科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16