基于FPGA的激光無線通信精跟蹤系統(tǒng)

0 引 言
    以大氣作為傳輸介質(zhì)，激光作為信息載體進(jìn)行無線通信時(shí)，空一地激光無線通信是激光無線通信的一種常見形式，信標(biāo)光的準(zhǔn)確捕獲、瞄準(zhǔn)與跟蹤(Acquisition，Pointing and Tracking，APT)是其關(guān)鍵技術(shù)，APT系統(tǒng)主要用于建立和維持激光通信鏈路，是進(jìn)行激光無線通信的關(guān)鍵技術(shù)。由于激光光束窄、發(fā)散角小，在大氣傳輸過程中存在大氣散射、折射、湍流等現(xiàn)象，再加上激光通信平臺(tái)的振動(dòng)等因素，會(huì)造成激光光束偏離目標(biāo)，使得瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤技術(shù)問題變得十分突出。
    APT系統(tǒng)分為粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)。粗跟蹤系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成信標(biāo)光的初始時(shí)期的大范圍掃描和捕獲，引導(dǎo)信標(biāo)光光斑進(jìn)入精跟蹤視場(chǎng)，跟蹤精度和帶寬較低；精跟蹤系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成信標(biāo)光的精確跟蹤和鎖定，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了有關(guān)精跟蹤的不少研究，它所要求的跟蹤精度和帶寬較高，它的精度和帶寬決定了整個(gè)APT系統(tǒng)的精度和帶寬，同時(shí)它的另一個(gè)主要功能是克服因大氣擾動(dòng)和平臺(tái)振動(dòng)造成的信標(biāo)光光斑抖動(dòng)，維持穩(wěn)定的激光通信鏈路。針對(duì)目前激光無線通信所要用到的關(guān)鍵技術(shù)，和空一地激光無線通信終端應(yīng)具有集成度高、功耗低、體積小和重量輕等一系列特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種以FPGA作為控制芯片的精跟蹤系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及功能概述
    以Altera公司的Cyclone系列FPGA為控制核心的雙FPGA系統(tǒng)，一塊用于控制高幀頻相機(jī)，并將圖像數(shù)據(jù)通過基于1394協(xié)議接口的傳輸線傳輸?shù)搅硪粔KFPGA，在第二塊FPGA中進(jìn)行光斑坐標(biāo)提取和完成跟蹤算法，系統(tǒng)使用一款基于Cameralink接口的高幀頻CMOS相機(jī)作為圖像傳感器采集信標(biāo)光光斑，以高速數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片DAC712P、雙通道PZT控制器和高精度PZT振鏡用于構(gòu)成光路偏轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)。PC機(jī)用于設(shè)定相機(jī)工作參數(shù)，與FPGA板間數(shù)據(jù)通信采用Cy-press公司提供的支持USB 2．0協(xié)議的CY7C68013芯片。
    如圖1所示為系統(tǒng)的組成框圖，在終端設(shè)備中，由光學(xué)天線接收到的信標(biāo)光經(jīng)過高幀頻CMOS相機(jī)轉(zhuǎn)換為灰度圖像，F(xiàn)PGA工將灰度圖像數(shù)據(jù)由Cameralink接口接收后，經(jīng)過重新組合，然后通過基于1394協(xié)議的接口芯片轉(zhuǎn)換為串行差分信號(hào)發(fā)送至圖象處理板，板上的FPGAⅡ把圖像數(shù)據(jù)接收后放入其內(nèi)部的一級(jí)緩存RAM中，再從一級(jí)緩存中取出數(shù)據(jù)通過乒乓操作將其存放到其外部的二級(jí)緩存PSRAM陣列中，然后FPGAⅡ把圖像數(shù)據(jù)從PSRAM陣列中取出，采用質(zhì)心算法計(jì)算光斑中心坐標(biāo)，并把圖像數(shù)據(jù)通過USB接口控制模塊發(fā)送到PC機(jī)進(jìn)行顯示，便于用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)把計(jì)算出的光斑中心坐標(biāo)根據(jù)PID跟蹤算法計(jì)算出偏置調(diào)節(jié)量，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC712P轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后經(jīng)過PZT控制器實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大，最后使PZT振鏡在兩路實(shí)時(shí)程控電壓的控制下進(jìn)行相應(yīng)的二維偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)因大氣湍流等因素造成的接收光束的抖動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，達(dá)到穩(wěn)定接收光斑中心位置，維持穩(wěn)定的激光通信鏈路目的。

2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)
2．1 光斑采集及處理部分
    光斑采集及處理部分主要由高幀頻CMOS相機(jī)MV-D1024E和對(duì)其進(jìn)行控制的FPGA組成。采用的兩塊FPGA均是Altera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8，具有5 980個(gè)邏輯單元，120 000個(gè)典型門資源和185個(gè)可編程I／O口，最高工作時(shí)鐘可達(dá)300 MHz以上，核心供電電壓為1．5 V，I／O供電電壓3．3 V，通過JTAG實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置。配置芯片EPC4串行ROM容量約為4 MB，可重復(fù)編程50次左右，JTAG接口符合IEEE Std．1149．1標(biāo)準(zhǔn)。
    MV-D1024E是高速高動(dòng)態(tài)的CMOS相機(jī)系列，采用CMOS主動(dòng)像元技術(shù)，具有12位的采樣分辨率和1 024×1 024的像素分辨率，在此分辨率下幀頻能達(dá)到150幀／s，曝光時(shí)間由10μs～0．41 s，25 ns步進(jìn)可調(diào)，采用Camera Link接口，用串行口對(duì)相機(jī)進(jìn)行配置。相機(jī)時(shí)序由幀頻FVAL、行頻LVAL和數(shù)據(jù)幀DVAL控制，當(dāng)它們同時(shí)為高電平時(shí)，在相機(jī)時(shí)鐘PCLK上升沿時(shí)數(shù)據(jù)總路線上才有數(shù)據(jù)。在光斑中心提取算法中，采用較為實(shí)用的質(zhì)心法，該算法計(jì)算簡(jiǎn)單，便于FPGA實(shí)現(xiàn)，因其抗噪聲干擾能力較弱，當(dāng)噪聲增大時(shí)，光斑中心提取精度降低，則系統(tǒng)選取了灰度加權(quán)質(zhì)心法來計(jì)算光斑中心。若目標(biāo)區(qū)域?yàn)镹×N，則質(zhì)心的位置為：

   
式中：i，j為目標(biāo)區(qū)中像元的橫縱坐標(biāo)；f(i，j)為像元的灰度值。質(zhì)心法反映了目標(biāo)的能量分布狀況。該算法適用于類似于精跟蹤系統(tǒng)接收視場(chǎng)小而光班范圍相對(duì)較大的情況。
2．2 數(shù)據(jù)傳輸及通信接口部分
    Camera Link用于相機(jī)和FPGA板間的數(shù)據(jù)交換，其傳輸率高達(dá)1 Gb／s，且抗噪較好，可以提供高分辨率和各種幀頻的數(shù)字化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出采用了LVDS格式，根據(jù)應(yīng)用要求，其支持基本(Base)、中檔(Medium)、全部(Full)等數(shù)字格式，該接口具有開放式的接口協(xié)議，兼容性好。它適用于CCD或CMOS等數(shù)字式相機(jī)與圖像采集系統(tǒng)間的通信接口。
    USB接口用于FPGA與PC機(jī)間的數(shù)據(jù)和指令的交換，其具有高速度、低成本、低功耗、即插即用和使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，采用IEEE1394總路線協(xié)議，最高帶寬可達(dá)到480 Mb／s。采用Cypress公司的EZ-US-BFX2系列芯片中的CY7C68013。
2．3 光路偏轉(zhuǎn)控制部分
    光路偏轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)以高速轉(zhuǎn)換芯片DAC712P、雙通道PZT控制器和高精度PZT振鏡構(gòu)成，采用的16位雙通道高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC712P，電壓輸出時(shí)間小于10μs，其輸出電壓直接用于雙通道PZT控制器的輸入。PZT控制器選用德國(guó)PI公司的E-503 PZT控制功率放大器，輸入電壓范圍為0～10 V，輸出電壓范圍為0～100V，其電壓頻率響應(yīng)曲線如圖2所示。PZT振鏡選用了德國(guó)PI公司的S-330，該P(yáng)ZT振鏡采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，頻率響應(yīng)度高且具有極高的定位精度。

    跟蹤控制算法采用PID控制算法，該算法包括位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，而在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中常用增量式PID控制算法，其公式為：

式中：△u(k)為輸出的控制量。q0=KP，q1=KP·(TS／TI)，q2=KP·(TD／TS)分別為比較項(xiàng)、積分項(xiàng)和差分項(xiàng)的系數(shù)，TS為采樣時(shí)間，對(duì)于不同的控制系統(tǒng)，TS各不相同，要根據(jù)實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)來確定。

3 軟件部分設(shè)計(jì)
    此部分包含了上位機(jī)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，下位機(jī)FPGA采用由Altera公司的集成開發(fā)環(huán)境QuartusⅡ、Mentor Graphics公司的ModelSim SE進(jìn)行開發(fā)，采用Verilog HDL語言進(jìn)行編寫，上位機(jī)使用Microsoft公司的VC++6．0軟件工具進(jìn)行開發(fā)。QuartusⅡ通過JTAG對(duì)FPGA進(jìn)行調(diào)試、配置下載，VC應(yīng)用程序通過USB接口與CMOS相機(jī)控制電路板、圖像處理電路板進(jìn)行連接通信。整個(gè)系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析
    圖4為精跟蹤系統(tǒng)評(píng)價(jià)曲線圖，此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由相距16 km的外場(chǎng)激光無線通信時(shí)，使用APT系統(tǒng)得到的，圖4(a)為未加入精跟蹤時(shí)信標(biāo)光斑在精跟蹤接收視場(chǎng)內(nèi)的坐標(biāo)曲線，圖4(b)為加入精跟蹤后的坐標(biāo)曲線，由兩圖對(duì)比可知，加入精跟蹤后，光斑比較穩(wěn)定，集中度較好，將集中效率提高了70％左右，跟蹤精度為5～25μrad，由外場(chǎng)激光通信效果來看，明顯降低了通信誤碼率，減弱了因大氣湍流和通信平臺(tái)的震動(dòng)而引起的信標(biāo)光斑抖動(dòng)時(shí)對(duì)通信造成的影響。但是，系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)抖動(dòng)劇烈時(shí)跟蹤效果不很理想，跟蹤精度還不夠。

    系統(tǒng)由基于FPGA的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，降低了對(duì)PC機(jī)的依賴性，為低功耗便攜式平臺(tái)提供了參考。還待加強(qiáng)的問題有：提高光斑定位精度，縮短信標(biāo)光斑定位、跟蹤算法時(shí)間開銷，改進(jìn)跟蹤算法提高魯棒性和提高系統(tǒng)的跟蹤精度。