一种基于CMOS图像传感器的光斑捕获系统和方法与流程

本发明实施例涉及无线激光通信技术领域，尤其涉及一种基于cmos图像传感器的光斑捕获系统和方法。

背景技术：

在无线激光通信过程中，要保证激光通信系统的稳定通信，最为关键的步骤就是建立激光通信链路。激光通信链路的建立过程由atp(acquisition，tacking，pointing)系统来完成。

atp系统中，光斑捕获系统是激光通信链路建立过程中非常重要的部分。而光斑捕获系统性能的优劣很大程度上与其选择的光电探测器有关。随着半导体工艺水平和生产技术的飞速发展，cmos图像传感器在在分辨率、灵敏度、图像质量、噪声等方面存在的问题均已迎刃而解，并且可与外围功能电路集成在同一芯片上，仅需单一电源驱动等特点，使得将cmos图像传感器应用于光斑捕获系统的带来了成本与功耗更低，驱动电路更加简单，信号与驱动的传输速度更快，寄生延迟更低，可靠性更高等诸多优点。

然而，由于cmos图像传感器非均匀性的存在，导致cmos图像传感器无法准确反映光斑信息，影响光斑捕获的效率和精度。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种基于cmos图像传感器的光斑捕获系统和方法，用以解决由于cmos图像传感器的非均匀性导致的光斑捕获系统效率和精度低的问题。

一方面，本发明实施例提供一种基于cmos图像传感器的光斑捕获系统，包括光学单元、cmos图像传感器、校正单元、控制单元和执行单元，所述cmos图像传感器分别与所述光学单元和所述校正单元连接，所述控制单元分别与所述校正单元和所述执行单元连接；

其中，所述光学单元用于接收激光信号；

所述cmos图像传感器用于感应所述激光信号，输出灰度值模拟信号；

所述校正单元用于校正所述灰度值模拟信号，输出灰度值校正信号；

所述控制单元用于根据所述灰度值校正信号获取光斑位置误差，并根据所述光斑位置误差生成控制信号；

所述执行单元用于根据所述控制信号调节所述光学单元的接收角度。

另一方面，本发明实施例提供一种基于cmos图像传感器的光斑捕获方法，包括：

光学单元接收激光信号，并将所述激光信号发送至cmos图像传感器；

所述cmos图像传感器感应所述激光信号，输出灰度值模拟信号，并将所述灰度值模拟信号发送至校正单元；

所述校正单元接收所述灰度值模拟信号，对所述灰度值模拟信号进行校正，输出灰度值校正信号，并将所述灰度值校正信号发送至控制单元；

所述控制单元接收所述灰度值校正信号，根据所述灰度值校正信号获取光斑位置误差，根据所述光斑位置误差生成控制信号，并将所述控制信号发送至执行单元；

所述执行单元接收所述控制信号，并根据所述控制信号调节所述光学单元的接收角度。

本发明实施例提供的一种基于cmos图像传感器的光斑捕获系统和方法，通过校正单元针对cmos图像传感器的非均匀性进行了校正，使得cmos图像传感器能够准确反映光斑信息，因而光斑捕获系统在通过cmos图像传感器降低成本和功耗，提高传输速率，增加可靠性的同时，还通过对cmos传感器输出的校正提高了光斑捕获的效率和精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。

图1为本发明实施例的一种基于cmos图像传感器的光斑捕获系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种基于cmos图像传感器的光斑捕获方法的流程示意图；

附图标记说明：

101-光学单元；102-cmos图像传感器；103-校正单元；

104-控制单元；105-执行单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的一种基于cmos图像传感器的光斑捕获系统的结构示意图，如图1所示，一种基于cmos图像传感器的光斑捕获系统，包括光学单元101、cmos图像传感器102、校正单元103、控制单元104和执行单元105，cmos图像传感器102分别与光学单元101和校正单元103连接，控制单元104分别与校正单元103和执行单元105连接；其中，光学单元101用于接收激光信号；cmos图像传感器102用于感应激光信号，输出灰度值模拟信号；校正单元103用于校正灰度值模拟信号，输出灰度值校正信号；控制单元104用于根据灰度值校正信号获取光斑位置误差，并根据光斑位置误差生成控制信号；执行单元105用于根据控制信号调节光学单元101的接收角度。

具体地，在无线激光通信中，捕获、跟踪和瞄准(atp)技术是建立无线激光通信链路的关键技术。其中，捕获过程完成的快慢是决定光通信系统光链路建立时间的最主要因素之一。捕获过程就是把光学单元101指向激光信号达到场方向的过程，目的是调整光学单元101的接收角度，使其与激光信号的到达方向一致，即使得光学单元101在其不确定区域内搜索发射激光信号光场的过程。

不同于传统的基于cmos图像传感器的光斑捕获系统，本发明实施例中将cmos图像传感器102作为基于cmos图像传感器的光斑捕获系统的光电探测器，感应光学单元101采集的激光信号，并输出灰度值模拟信号，实现从光信号至电信号的转换过程。需要说明的是，此处cmos图像传感器102输出的灰度值模拟信号是一组数据，cmos图像传感器102上划分有若干个像素点，激光信号照射在cmos图像传感器102上形成光斑，cmos图像传感器102上任一像素点产生该像素点对应的光斑的灰度值模拟信号。

由于cmos图像传感器102存在非均匀性，即cmos图像传感器102各像素点在光强分布均匀的光源照射下响应存在一定的差异。cmos图像传感器102可能在不同的环节中引入影响因素，在光电转换环节，由于材料本身质量以及生产工艺造成的不一致会引起非均匀性。例如，不同大小的光敏元有效面积以及沟道掺杂浓度的细微差异都将对光敏元的非均匀性造成影响，由此导致的coms图像传感器102非均匀性主要表现为暗电流及光电响应的不均匀性。除此之外，不同的像元经过光电转换后进行读出时增益大小并非完全一致，导致了不同像元之间的增益非均匀性。再者，由电路结构设计产生的复位噪声和由沟道电阻产生的热噪声等噪声会引起像元灰度值的随机起落，最终体现到了图像的不均匀性。为了消除cmos图像传感器102的非均匀性对光斑捕获系统效率和精度的影响，本发明实施例中通过校正单元103对cmos图像传感器102输出的灰度值模拟信号进行校正，并将输出校正后的灰度值校正信号发送到控制单元实现后续的控制信号的生成。此处，对cmos图像传感器102输出的灰度值模拟信号进行校正，可以通过单点校正算法、两点校正算法、多点校正算法等校正方法实现，本发明实施例对此不作具体限定。

基于cmos图像传感器的光斑捕获系统运行过程中，首先光学单元101接收激光信号，并将激光信号照射在cmos图像传感器102，cmos图像传感器102感应产生灰度值模拟信号，并将灰度值模拟信号传输至校正单元103。校正单元103接收到灰度值模拟信号后，对灰度值模拟信号进行校正，并将校正后的灰度值模拟信号，即灰度值校正信号传输至控制单元104。控制单元104接收到灰度值校正信号后，根据灰度值校正信号获取光斑位置误差，根据光斑位置误差生成控制信号，并基于控制信号控制执行单元105，以使得执行单元105通过运作调节光学单元101的接收角度，直至光学单元101的接收角度与激光信号的到达方向一致，光斑捕获完成。

本发明实施例中，通过校正单元103针对cmos图像传感器的非均匀性进行了校正，使得cmos图像传感器能够准确反映光斑信息，因而光斑捕获系统在通过cmos图像传感器降低成本和功耗，提高传输速率，增加可靠性的同时，还通过对cmos传感器输出的校正提高了光斑捕获的效率和精度。

基于上述实施例，一种基于cmos图像传感器的光斑捕获系统，校正单元具体用于基于预设校正参数，通过两点校正算法或单点校正算法对灰度值模拟信号进行校正，输出灰度值校正信号。此处，预设校正参数是根据cmos图像传感器的非均匀性预先设置的用于进行灰度值模拟信号校正的校正参数。

单点校正算法是在某一入射辐照度φ(1)下，对cmos图像探测器的所有的n个探测单元输出信号x(i,j)求其平均值

则在入射辐照度φ(1)下，各个探测单元的输出增益如下式所示：

式中，k(i,j)为非均匀性校正的增益校正因子。则cmos图像传感器输出的灰度值模拟信号可进行如下校正：

y(i,j)＝k(i,j)x(i,j)；

式中，y(i,j)为坐标为(i,j)的探测单元的灰度值校正信号，即校正后的坐标为(i,j)的探测单元的灰度值模拟信号。在基于单点校正算法进行校正时，预设校正参数即增益校正因子。

两点校正算法的基本原理是将采集到的每一个探测单元的灰度值模拟信号乘增益校正因子，再加上偏置校正因子，得到的数值即每一个探测单元的灰度值校正信号。两点校正算法的计算公式如下：

y(i,j)＝k(i,j)x(i,j)+c(i,j)；

式中，y(i,j)为坐标为(i,j)的探测单元的灰度值校正信号，即校正后的坐标为(i,j)的探测单元的灰度值模拟信号。x(i,j)为坐标为(i,j)的探测单元的灰度值模拟信号，k(i,j)为两点校正算法的增益校正因子，c(i,j)为两点校正算法的偏置校正因子。在基于两点校正算法进行校正时，预设校正参数即增益校正因子k(i,j)和偏置校正因子c(i,j)。获取增益校正因子k(i,j)和偏置校正因子c(i,j)的方法如下：

在两种入射辐照度φ(1)和φ(2)下分别对cmos图像传感器上的n个探测单元输出信号x1(i,j)和x2(i,j)，求其平均值

则增益校正因子k(i,j)可由下式计算得到：

偏置校正因子c(i,j)可由下式计算得到：

基于上述任一实施例，一种基于cmos图像传感器的光斑捕获系统，校正单元还用于根据第一灰度值模拟信号和/或第二灰度值模拟信号获取预设校正参数；其中，第一灰度值模拟信号是cmos图像传感器感应第一激光信号输出的灰度值模拟信号，第二灰度值模拟信号是cmos图像传感器感应第二激光信号输出的灰度值模拟信号，第一激光信号的入射辐照度与第二激光信号的入射辐照度不同。

具体地，如果校正单元基于两点校正算法对灰度值模拟信号进行校正，则校正单元根据第一灰度值模拟信号和第二灰度值模拟信号获取预设校正参数。如果校正单元基于单点校正算法对灰度值模拟信号进行校正，则校正单元根据第一灰度值模拟信号或第二灰度值模拟信号获取预设校正参数。本发明实施例不对第一激光信号的入射辐照度与第二激光信号的入射辐照度作具体限定。

基于上述任一实施例，一种基于cmos图像传感器的光斑捕获系统，控制单元包括模数转换子单元、光斑位置误差计算子单元和电机控制子单元，光斑位置误差计算子单元分别与模数转换子单元和电机控制子单元连接；其中，模数转换子单元用于将灰度值校正信号转换为灰度值数字信号；光斑位置误差计算子单元用于根据灰度值数字信号计算激光信号的光斑中心，并将光斑中心与定标光斑中心相减得到光斑位置误差；电机控制子单元用于根据光斑位置误差生成控制信号。

其中，针对光斑位置误差计算单元，计算激光信号的光斑中心即计算激光信号照射在cmos图像传感器上形成的光斑的中心，具体的光斑中心的计算方法可以是质心算法、高斯分布拟合和椭圆拟合等，其中基于灰度的质心算法简单明了，适用于目标图像本身不变的成和。拟合法的中心定位精度较高，且不受灰度对称性的影响。本发明实施例中，不对光斑计算方法作具体限定，可根据实际应用场合和精度要求进行选择。

假设光斑中心坐标为(cx,cy)，定标光斑中心为则光斑位置误差为

作为优选，光斑位置误差计算子单元包括光斑中心计算模块，光斑中心计算模块基于质心算法，根据灰度值数字信号计算激光信号的光斑中心。用(x,y)表示像素点在cmos图像传感器焦平面中的坐标位置，v(x,y)为该像素点对应的转换为数字信号的灰度值，则光斑质心坐标计算公式可以表示为：

其中，cx为光斑质心的横坐标，cy为光斑质心的纵坐标，w(x,y)表示质心计算过程中每个像素点的权重，若像素点背景灰度值为t，则w(x,y)权重的计算公式为：

基于上述任一实施例，一种基于cmos图像传感器的光斑捕获系统，执行单元包括驱动子单元和执行电机，驱动子单元和执行电机连接；其中，驱动子单元用于根据控制信号生成驱动信号；执行电机用于根据驱动信号进行动作，以调节光学单元的接收角度。

此处，执行电机与光学单元连接，执行电机基于驱动信号的控制动作，带动光学单元动作，以调节光学单元的接收角度，使得光学单元的接收角度与激光信号的到达方向一致。

基于上述任一实施例，一种基于cmos图像传感器的光斑捕获系统，光学单元包括光学天线、带通滤光片和成像镜头；对应地，执行单元用于根据控制信号调节光学天线的接收角度。此处，光学天线用于接收激光信号，带通滤光片用于对激光信号进行带通滤光，经过带通滤光后的激光信号通过成像镜头在cmos图像传感器焦平面上形成光斑。

基于上述任一实施例，一种基于cmos图像传感器的光斑捕获系统，控制单元还包括捕获判断子单元，捕获判断子单元与模数转换子单元连接；捕获判断子单元用于当灰度值数字信号大于等于预设灰度阈值时，确认光斑捕获完成。

具体地，在进行光斑捕获的过程中，设置有预设灰度阈值用于衡量光斑捕获是否完成。预设灰度阈值与灰度值数字信号进行比较，如果灰度值数字信号大于等于预设灰度阈值，则确认光斑捕获完成；否则，确认光斑捕获未完成，根据光斑位置误差生成控制信号，控制执行单元调节光学单元的接收角度，并根据调节接收角度后的光学单元接收到激光信号对应的灰度值数字信号重新判断光斑捕获是否完成。

基于上述任一实施例，图2为本发明实施例的一种基于cmos图像传感器的光斑捕获方法的流程示意图，如图2所示，一种基于cmos图像传感器的光斑捕获方法，包括：

201，光学单元接收激光信号，并将激光信号发送至cmos图像传感器。

202，cmos图像传感器感应激光信号，输出灰度值模拟信号，并将灰度值模拟信号发送至校正单元。

此处，不同于传统的基于cmos图像传感器的光斑捕获系统，本发明实施例中将cmos图像传感器作为基于cmos图像传感器的光斑捕获系统的光电探测器，感应光学单元采集的激光信号，并输出灰度值模拟信号，实现从光信号至电信号的转换过程。需要说明的是，此处cmos图像传感器输出的灰度值模拟信号是一组数据，cmos图像传感器上划分有若干个像素点，激光信号照射在cmos图像传感器上形成光斑，cmos图像传感器上任一像素点产生该像素点对应的光斑的灰度值模拟信号。

203，校正单元接收灰度值模拟信号，对灰度值模拟信号进行校正，输出灰度值校正信号，并将灰度值校正信号发送至控制单元。

由于cmos图像传感器存在非均匀性，即cmos图像传感器各像素点在光强分布均匀的光源照射下响应存在一定的差异。cmos图像传感器可能在不同的环节中引入影响因素，在光电转换环节，由于材料本身质量以及生产工艺造成的不一致会引起非均匀性。例如，不同大小的光敏元有效面积以及沟道掺杂浓度的细微差异都将对光敏元的非均匀性造成影响，由此导致的coms图像传感器非均匀性主要表现为暗电流及光电响应的不均匀性。除此之外，不同的像元经过光电转换后进行读出时增益大小并非完全一致，导致了不同像元之间的增益非均匀性。再者，由电路结构设计产生的复位噪声和由沟道电阻产生的热噪声等噪声会引起像元灰度值的随机起落，最终体现到了图像的不均匀性。为了消除cmos图像传感器的非均匀性对光斑捕获系统效率和精度的影响，本发明实施例中通过校正单元对cmos图像传感器输出的灰度值模拟信号进行校正，并将输出校正后的灰度值校正信号发送到控制单元实现后续的控制信号的生成。此处，对cmos图像传感器输出的灰度值模拟信号进行校正，可以通过单点校正算法、两点校正算法、多点校正算法等校正方法实现，本发明实施例对此不作具体限定。

204，控制单元接收灰度值校正信号，根据灰度值校正信号获取光斑位置误差，根据光斑位置误差生成控制信号，并将控制信号发送至执行单元。

205，执行单元接收控制信号，并根据控制信号调节光学单元的接收角度。

具体地，基于cmos图像传感器的光斑捕获系统运行过程中，首先光学单元接收激光信号，并将激光信号照射在cmos图像传感器，cmos图像传感器感应产生灰度值模拟信号，并将灰度值模拟信号传输至校正单元。校正单元接收到灰度值模拟信号后，对灰度值模拟信号进行校正，并将校正后的灰度值模拟信号，即灰度值校正信号传输至控制单元。控制单元接收到灰度值校正信号后，根据灰度值校正信号获取光斑位置误差，根据光斑位置误差生成控制信号，并基于控制信号控制执行单元，以使得执行单元通过运作调节光学单元的接收角度，直至光学单元的接收角度与激光信号的到达方向一致，光斑捕获完成。

本发明实施例中，通过校正单元针对cmos图像传感器的非均匀性进行了校正，使得cmos图像传感器能够准确反映光斑信息，因而光斑捕获系统在通过cmos图像传感器降低成本和功耗，提高传输速率，增加可靠性的同时，还通过对cmos传感器输出的校正提高了光斑捕获的效率和精度。

基于上述任一实施例，一种基于cmos图像传感器的光斑捕获方法，103，校正单元接收灰度值模拟信号，对灰度值模拟信号进行校正，输出灰度值校正信号，并将灰度值校正信号发送至控制单元，具体包括：校正单元接收灰度值模拟信号，基于预设校正参数，通过两点校正算法或单点校正算法对灰度值模拟信号进行校正，输出灰度值校正信号，并将灰度值校正信号发送至控制单元。此处，预设校正参数是根据cmos图像传感器的非均匀性预先设置的用于进行灰度值模拟信号校正的校正参数。

单点校正算法是在某一入射辐照度φ(1)下，对cmos图像探测器的所有的n个探测单元输出信号x(i,j)求其平均值

则在入射辐照度φ(1)下，各个探测单元的输出增益如下式所示：

式中，k(i,j)为非均匀性校正的增益校正因子。则cmos图像传感器输出的灰度值模拟信号可进行如下校正：

y(i,j)＝k(i,j)x(i,j)；

式中，y(i,j)为坐标为(i,j)的探测单元的灰度值校正信号，即校正后的坐标为(i,j)的探测单元的灰度值模拟信号。在基于单点校正算法进行校正时，预设校正参数即增益校正因子。

两点校正算法的基本原理是将采集到的每一个探测单元的灰度值模拟信号乘增益校正因子，再加上偏置校正因子，得到的数值即每一个探测单元的灰度值校正信号。两点校正算法的计算公式如下：

y(i,j)＝k(i,j)x(i,j)+c(i,j)；

式中，y(i,j)为坐标为(i,j)的探测单元的灰度值校正信号，即校正后的坐标为(i,j)的探测单元的灰度值模拟信号。x(i,j)为坐标为(i,j)的探测单元的灰度值模拟信号，k(i,j)为两点校正算法的增益校正因子，c(i,j)为两点校正算法的偏置校正因子。在基于两点校正算法进行校正时，预设校正参数即增益校正因子k(i,j)和偏置校正因子c(i,j)。获取增益校正因子k(i,j)和偏置校正因子c(i,j)的方法如下：

在两种入射辐照度φ(1)和φ(2)下分别对cmos图像传感器上的n个探测单元输出信号x1(i,j)和x2(i,j)，求其平均值

则增益校正因子k(i,j)可由下式计算得到：

偏置校正因子c(i,j)可由下式计算得到：

基于上述任一实施例，一种基于cmos图像传感器的光斑捕获方法，203，校正单元接收灰度值模拟信号，对灰度值模拟信号进行校正，输出灰度值校正信号，并将灰度值校正信号发送至控制单元，之前还包括：校正单元根据第一灰度值模拟信号和/或第二灰度值模拟信号获取预设校正参数；其中，第一灰度值模拟信号是cmos图像传感器感应第一激光信号输出的灰度值模拟信号，第二灰度值模拟信号是cmos图像传感器感应第二激光信号输出的灰度值模拟信号，第一激光信号的入射辐照度与第二激光信号的入射辐照度不同。

具体地，如果校正单元基于两点校正算法对灰度值模拟信号进行校正，则校正单元根据第一灰度值模拟信号和第二灰度值模拟信号获取预设校正参数。如果校正单元基于单点校正算法对灰度值模拟信号进行校正，则校正单元根据第一灰度值模拟信号或第二灰度值模拟信号获取预设校正参数。本发明实施例不对第一激光信号的入射辐照度与第二激光信号的入射辐照度作具体限定。

基于上述任一实施例，一种基于cmos图像传感器的光斑捕获方法，204，控制单元接收灰度值校正信号，根据灰度值校正信号获取光斑位置误差，根据光斑位置误差生成控制信号，并将控制信号发送至执行单元，具体包括：

2041，控制单元接收灰度值校正信号，并将灰度值校正信号转换为灰度值数字信号。

2042，控制单元根据灰度值数字信号计算激光信号的光斑中心，并将光斑中心与定标光斑中心相减得到光斑位置误差。

其中，针对光斑位置误差计算单元，计算激光信号的光斑中心即计算激光信号照射在cmos图像传感器上形成的光斑的中心，具体的光斑中心的计算方法可以是质心算法、高斯分布拟合和椭圆拟合等，其中基于灰度的质心算法简单明了，适用于目标图像本身不变的成和。拟合法的中心定位精度较高，且不受灰度对称性的影响。本发明实施例中，不对光斑计算方法作具体限定，可根据实际应用场合和精度要求进行选择。

假设光斑中心坐标为(cx,cy)，定标光斑中心为则光斑位置误差为

2043，控制单元根据光斑位置误差生成控制信号，并将控制信号发送至执行单元。

作为优选，光斑位置误差计算子单元包括光斑中心计算模块，光斑中心计算模块基于质心算法，根据灰度值数字信号计算激光信号的光斑中心。用(x,y)表示像素点在cmos图像传感器焦平面中的坐标位置，v(x,y)为该像素点对应的转换为数字信号的灰度值，则光斑质心坐标计算公式可以表示为：

其中，cx为光斑质心的横坐标，cy为光斑质心的纵坐标，w(x,y)表示质心计算过程中每个像素点的权重，若像素点背景灰度值为t，则w(x,y)权重的计算公式为：

基于上述任一实施例，一种基于cmos图像传感器的光斑捕获方法，2041，控制单元接收灰度值校正信号，并将灰度值校正信号转换为灰度值数字信号，之后还包括：当灰度值数字信号大于等于预设灰度阈值时，控制单元确认光斑捕获完成。

具体地，在进行光斑捕获的过程中，设置有预设灰度阈值用于衡量光斑捕获是否完成。预设灰度阈值与灰度值数字信号进行比较，如果灰度值数字信号大于等于预设灰度阈值，则确认光斑捕获完成；否则，确认光斑捕获未完成，根据光斑位置误差生成控制信号，控制执行单元调节光学单元的接收角度，并根据调节接收角度后的光学单元接收到激光信号对应的灰度值数字信号重新判断光斑捕获是否完成。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。