CN108400816A - 基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，系统包括发送装置和接收装置；其中，发送装置包括低频跟踪光源、高频通信光源、高频通信光源前端的信号采集与处理模块、低频信号生成模块以及直流偏置模块；接收装置包括高帧率相机、高速图像处理模块、位置信号处理模块、电机控制模块、电机、电机驱动模块、两轴旋转台、光接收模块、模数转换模块以及数据恢复模块。该系统可以实现收发端的快速准确对准，提高可见光通信链路的稳定性，增大光信号接收视场范围，减小干扰，克服点到点可见光通信链路收发端动态移动情况下收发端瞄准误差的影响和信噪比波动的影响，提高传输速率，实现复杂背景、收发端动态移动环境下的可见光通信。

Description

基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统。

背景技术

可见光信号接收方式主要有利用光电探测器和图像传感器接收。通过使用透镜增加接收信息强度，但同时也减小了接收视场角。常见的可见光通信应用中，多是收发端静止或移动性极小，在动态移动环境中，收发端的动态移动会引起瞄准误差及信噪比的波动，从而影响通信质量。

目前，收发端相对移动的可见光通信的方案主要利用步进电机和/或图像传感器来检测与瞄准光源；然而，既有方案图像处理速度较慢、电机瞄准速度慢、电机瞄准响应频率低、瞄准精度差，且复杂背景下目标光源的识别极易受到反射、遮挡的影响，因此，通过算法设计及机械设计来增强光源识别的鲁棒性、加速图像的处理速度、加快瞄准速度、加大瞄准精度，对于实现收发端移动情况下的高速视距光通信是很有意义的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，可以增强光源识别的鲁棒性、加速图像的处理速度、加快瞄准速度、加大瞄准精度，实现无线光通信光源的快速识别、跟踪与对准，从而实现收发端移动情况下的高速视距无线光通信。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，包括：发送装置与接收装置；

所述发送装置中包括：用于发送低频跟踪信号光的低频跟踪光源、用于发送高频通信信号光的高频通信光源，以及设置于高频通信光源前端的信号采集与处理模块；

所述接收装置中包括：用于拍摄包含低频跟踪光源场景图像的高帧率相机、用于从高帧率相机拍摄图像中获得目标光源位置的高速图像处理模块、用于对目标光源位置进行处理的位置信号处理模块、用于根据位置信号处理模块的处理结果确定电机控制方式的电机控制模块、用于根据电机控制模块的输出结果生成电机运行所需要的工作电压、工作电流及脉冲信号的电机驱动模块、用于根据电机驱动模块的输出控制两轴旋转台旋转的电机、用于接收高频通信信号光的光接收模块，以及用于对光接收模块输出结果实现数据恢复的数据恢复模块；其中，所述高帧率相机与光接收模块均设置于两轴旋转台上。

所述发送装置中的信号采集与处理模块包括：信息信号生成模块、数模转换模块、放大均衡模块以及直流偏置模块；其中：

所述信息信号生成模块，用于采集与生成用户待发送业务的数字信号；

所述数模转换模块，用于将所述数字信号转换为模拟信号；

所述放大均衡模块，用于将所述模拟信号进行放大及均衡，获得高频通信信号；

所述直流偏置模块，用于在高频通信信号上加上直流偏置电压，并传输给高频通信光源；所述直流偏置电压用于为高频通信光源提供直流工作电压。

所述发送装置中还包括：

低频信号生成模块，用于生成光源检测所需要的低频方波信号，还用于为低频跟踪光源提供工作电压。

所述高速图像处理模块在FPGA开发平台上实现，其包括：高速图像采集模块、高速图像缓存模块、图像差分模块、图像预处理模块、光源检测模块、光源筛选模块，其中：

所述高速图像采集模块，用于将高帧率相机拍摄的图像进行并串转换，由并行像素流转换为串行像素流；

所述高速图像缓存模块，用于缓存所述高速图像采集模块最新转换后的两帧图像；

所述图像差分模块，用于将高速图像缓存模块中的两帧图像进行差分，以检测两帧图像中亮度发生变化的区域；

所述图像预处理模块，用于对图像差分模块的图像差分结果进行预处理；

所述光源检测模块，用于在处理后的图像中实时检测可能存在的多个光斑，并统计每一个光斑的相关信息；

所述光源筛选模块，用于根据每一个光斑的相关信息按照给定规则进行筛选，最终得到目标光源位置。

所述对图像差分模块的图像差分结果进行预处理包括：依次执行的图像二值化、图像滤波、图像腐蚀膨胀与图像边缘提取处理。

所述位置信号处理模块在FPGA开发平台上实现，其包括：光源位置记录和速度计算模块、异常光源位置滤除模块以及光源位置延迟预补偿模块；其中：

所述光源位置记录和速度计算模块，用于存储光源位置，并利用前N帧图像中的目标光源位置求导求得光源在图像中的运动速度；

所述异常光源位置滤除模块，用于通过比较瞬时速度与前N帧图像中目标光源的平均速度来剔除异常光源，并对异常光源的位置用预测值进行代替；

所述光源位置延迟预补偿模块，用于对系统的处理时延及跟踪时延进行估计，对系统产生的时延进行滞后预补偿。

所述电机控制模块包括：电机启停控制模块以及电机运行速度和方向控制模块，其中：

所述电机启停控制模块，用于控制启动或停止电机运行；

所述电机运行速度和方向控制模块用于控制电机的运行速度和旋转方向。

所述光接收模块包括：光学天线及光电探测器，其中：

所述光学天线，用于对高频通信信号光进行汇聚；

所述光电探测器，用于将探测到的高频通信信号光转换为电信号。

所述两轴旋转台在电机驱动下旋转，带动所述高帧率相机及光接收模块对应瞄准低频跟踪光源与高频通信光源；

所述两轴旋转台由两个垂直放置的单轴旋转台构成，实现沿z轴和y轴方向的旋转；所述两轴旋转台与所述电机之间用螺旋弹性联轴器连接，对光源运动点迹进行机械滤波。

所述接收装置中还包括：

模数转换模块，用于将光接收模块输出的模拟信号转换为数字信号后传输给数据恢复模块。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述系统可以实现收发端的快速准确对准，提高可见光通信链路的稳定性，增大光信号接收视场范围，减小干扰，克服点到点可见光通信链路收发端动态移动情况下收发端瞄准误差的影响和信噪比波动的影响，提高传输速率，实现复杂背景、收发端动态移动环境下的可见光通信。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的低频跟踪光源、高频通信光源、高帧率相机、光接收模块、两轴旋转台结构示意图。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在可见光通信领域，常用的可见光信号接收方式主要有两种：直接利用光电探测器接收及图像传感器接收，这两种方式都可以选择性地使用透镜。直接利用光电探测器接收的方式常用于收发端不移动或移动性较小、短距离的可见光通信应用中，比如智能家居、灯光上网等一些室内应用。由于通信距离近、光强强度大、移动性小，这些都不需要收端对发端的准确瞄准。为了提升传输速率、延长通信距离，通常选择在光电探测器前加光学天线的方式来接收光信号，这样也使得接收端的视场角变窄，灵活性变差。在光MIMO、LED阵列探测或视场角要求比较大、通信速率要求不高的可见光通信应用场景中，通常选择用图像传感器来对光信号进行接收。在一些背景复杂的动态移动环境中，比如车-车、车-交通灯的可见光通信，收发端的相对移动会引起接收角度和光强的变化，导致瞄准误差和信噪比波动，影响通信性能。为了建立点到点高速视距可见光通信链路，对光源进行跟瞄是很有必要的。为了实现接收视场角大、传输距离远、传输速率高的可见光通信，本发明提供一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统。

本发明实施例提供的一种基于无线光通信的快速光源识别、跟踪与对准系统主要包括：发送装置与接收装置；

所述发送装置中包括：用于发送低频跟踪信号光的低频跟踪光源、用于发送高频通信信号光的高频通信光源，以及设置于高频通信光源前端的信号采集与处理模块；

所述接收装置中包括：用于拍摄包含低频跟踪光源场景图像的高帧率相机、用于从高帧率相机拍摄图像中获得目标光源位置的高速图像处理模块、用于对目标光源位置进行处理的位置信号处理模块、用于根据位置信号处理模块的处理结果确定电机控制方式的电机控制模块、用于根据电机控制模块的输出结果生成电机运行所需要的工作电压、工作电流及脉冲信号的电机驱动模块、用于根据电机驱动模块的输出控制两轴旋转台旋转的电机、用于接收高频通信信号光的光接收模块，以及用于对光接收模块输出结果实现数据恢复的数据恢复模块；其中，所述高帧率相机与光接收模块均设置于两轴旋转台上。

为了便于说明，下面结合附图1对发送装置与接收装置做详细介绍。

一、发送装置。

本发明实施例中，发送装置主要包括：前文所提及的低频跟踪光源、高频通信光源、高频通信光源前端的信号采集与处理模块、低频信号生成模块以及直流偏置模块；具体的，信号采集与处理模块主要包括：信息信号生成模块、数模转换模块以及放大均衡模块。

如图1所示，从结构上来说：低频跟踪光源与低频信号生成模块连接；信息信号生成模块、数模转换模块、放大均衡模块、直流偏置模块及高频通信光源依次连接。

1、低频信号生成模块，用于生成光源检测所需要的低频方波信号，还用于为低频跟踪光源提供工作电压。

示例性的，具体实现中，该低频信号生成模块可采用任意波形生成器/电路生成占空比50％的方波信号，方波信号频率应大于等于人眼的闪烁截止频率100Hz，且闪烁频率小于高帧率相机截止频率的一半；本发明采用的方波信号频率可设为100Hz。

2、低频跟踪光源，用于发送低频跟踪信号光。示例性的，可以采用汽车远光灯多个LED中的一个灯珠作为低频跟踪光源。

3、信息信号生成模块，用于采集与生成用户待发送业务的数字信号；具体实现中，该信息信号生成模块可以包括视频摄像头和/或其他搭载有实际业务的数据流，能根据不同移动可见光通信应用场景的需求采集视频信号或其他业务信号；对于车-车可见光通信可以选择摄像头作为采集设备，也可以选择从本地或网络端采集待发送的数据。

4、数模转换模块，用于将所述数字信号转换为模拟信号。

5、放大均衡模块，用于将所述模拟信号进行放大及均衡，获得高频通信信号。

6、直流偏置模块，用于在高频通信信号上加上直流偏置电压，并传输给高频通信光源；此处的直流偏置电压主要为高频通信光源提供直流工作电压。

7、高频通信光源，用于发送高频通信信号光；示例性的，可以采用汽车远光灯多个LED中的一个灯珠作为高频通信光源。

二、接收装置。

本发明实施例中，接收装置主要包括：高帧率相机、高速图像处理模块、位置信号处理模块、电机控制模块、电机、电机驱动模块、两轴旋转台、光接收模块、模数转换模块以及数据恢复模块。

如图1所示，从结构上来说，高帧率相机与光接收模块均设置于两轴旋转台上；高帧率相机、高速图像处理模块、位置信号处理模块、电机控制模块、电机驱动模块、电机以及两轴旋转台依次连接；光接收模块、模数转换模块以及数据恢复模块依次连接；

1、高帧率相机，用于拍摄所述接收装置前方的包含低频跟踪光源的实时场景。示例性的，可以采用cameralink接口的高帧率工业相机，分辨率为1024×512，视场角为98°(H)×60°(V)，帧率为200fps(方波频率的2倍)；采用相机作为接收端，其视场角大，可以实现较大视场范围内的光源检测与可见光通信。

2、高速图像处理模块在FPGA开发平台上实现，用于实时处理所述高帧率相机采集到的高速图像，得到光源方位；所述高速图像处理模块中，单帧图像采集到后可立即输出光源在图像中位置，处理时延小于5ms(一帧图像的采集时间)。

本发明实施例中，高速图像处理模块主要包括：高速图像采集模块、高速图像缓存模块、图像差分模块、图像预处理模块、光源检测模块、光源筛选模块，其中：

所述高速图像采集模块，用于将高帧率相机拍摄的图像进行并串转换，由并行像素流转换为串行像素流；示例性的，可以采用cameralink图像采集子卡对编码后的像素流进行解调，并在FPGA中对解调后的像素流进行并串转换。

所述高速图像缓存模块，用于缓存所述高速图像采集模块最新转换后的两帧图像；示例性的，可以采用FPGA芯片上的双端口RAM对一帧图像进行缓存；为减少片上存储资源的使用，采集到新一帧图像某位置的像素点，与上一帧图像相同位置的像素点联合处理后，存储在上一帧图像相同位置；根据实际需求的不同，也可以选择在FPGA开发板上的DDR3SODIMM上进行片外缓存。

所述图像差分模块，用于将高速图像缓存模块中的两帧图像进行差分，以检测两帧图像中亮度发生变化的区域。

所述图像预处理模块，用于对图像差分模块的图像差分结果进行预处理，以滤除像素杂点、填补像素空洞；本发明实施例中，预处理为依次执行的图像二值化、图像滤波、图像腐蚀膨胀与图像边缘提取处理。示例性的，图像二值化阈值根据背景亮度变化幅度及干扰强度设置，图像滤波及腐蚀膨胀操作次数为3次。进一步的，背景亮度变化小、存在的干扰少时，可以相应降低二值化阈值。进一步的，滤波算法滤除3×3像素窗中横向、纵向、对角方向孤立的像素点。

所述光源检测模块，用于在处理后的图像中实时检测可能存在的多个光斑，并统计每一个光斑的相关信息(面积、周长、长宽比、中心点信息)。本发明实施例中，所述光源检测模块具体包括感兴趣区域动态选定模块、光斑连通域起止判定模块、光斑连通域面积统计模块、光斑连通域重心计算模块、多光斑连通域统计信息融合模块。具体实现中，所述感兴趣区域动态选定模块选定的初始光源搜索区域为全局图像，搜索到目标光源后光源中心设为下一感兴趣区域的中心，并根据搜索到光源的长宽比设置感兴趣区域的长宽。进一步的，若感兴趣区域中未搜索到目标光源，则扩大感兴趣区域的长宽，直至搜索到目标光源或感兴趣区域充满整幅图像为止。

所述光源筛选模块，用于根据每一个光斑的相关信息按照给定规则进行筛选，最终得到目标光源位置。示例性的，可以按照给定的光斑面积、周长、长宽比对光斑进行初次筛选，然后按照目标光源的已有运动轨迹及预测轨迹进行二次筛选。进一步的，光斑面积、周长、长宽比的筛选阈值，根据实际采用的光源形状、采集到的图像分辨率、通信距离设置。

3、位置信号处理模块在FPGA开发平台上实现，用于滤除所述高速图像处理模块得到的光源点迹中的高频成分，同时对系统跟踪存在的时延进行补偿。

本发明实施例中，位置信号处理模块主要包括：光源位置记录和速度计算模块、异常光源位置滤除模块以及光源位置延迟预补偿模块；其中：

所述光源位置记录和速度计算模块，用于存储光源位置，并利用前N帧图像中的目标光源位置求导求得光源在图像中的运动速度；

所述异常光源位置滤除模块，用于通过比较瞬时速度与前N帧图像中目标光源的平均速度来剔除异常光源，并对异常光源的位置用预测值进行代替；

所述光源位置延迟预补偿模块，用于对系统的处理时延及跟踪时延进行估计，对系统产生的时延进行滞后预补偿。

4、所述电机控制模块用于将所述位置信号处理模块得到的位置信号封装成数据帧，并进一步控制电机的启停、运行速度、运行角度；具体实现中，控制算法部分全部在FPGA开发板上实现并封装成控制帧，并用PMC运动控制器对控制指令进行解析；具体实现时，所述电机控制模块的时延最大为5ms；

本发明实施例中，电机控制模块主要包括：电机启停控制模块以及电机运行速度和方向控制模块，其中：

所述电机启停控制模块，用于控制启动或停止电机运行；具体实现中，电机的启动和停止取决于目标光源是否位于图像中心及转台当前朝向是否超出安全范围。

所述电机运行速度和方向控制模块用于控制电机的运行速度和旋转方向。具体实现中，未瞄准目标光源时电机运行速度为其最大运行速度，跟踪过程中电机驱动下的转台运行速度为目标光源的运行速度，电机运行方向取决于目标光源相对于转台的方位。

5、电机驱动模块，用于根据电机控制模块的输出结果生成电机运行所需要的工作电压、工作电流及脉冲信号。

6、电机，用于带动两轴转台旋转，可以采用两个伺服电机，响应频率200Hz。

7、两轴旋转台在电机驱动下旋转，带动所述高帧率相机及光接收模块对应瞄准低频跟踪光源与高频通信光源。所述两轴旋转台由两个垂直放置的单轴旋转台构成，实现沿z轴和y轴方向的旋转；旋转角度范围为120°(z)×60°(y)，单轴旋转角速度最高为100°/s；所述两轴旋转台与所述电机之间用螺旋弹性联轴器连接，对光源运动点迹进行机械滤波，并减小机械震荡对电机的损害；示例性的，所述两轴旋转台载荷为5kg，控制精度为0.1°/s。

本发明实施例中，通过两轴旋转台的旋转带动高帧率相机与光接收模块对准相应的光源。

如图2所示，设定低频跟踪光源与高频通信光源之间的距离、高帧率相机与光接收模块之间的距离完全相同；示例性的，图2中的d可以为5cm；这样，能够确保高帧率相机对准低频跟踪光源时，光学天线及光电探测器对准高频通信光源。

8、光接收模块，用于接收来自所述发送装置的光信号，并将光信号转换为电信号。

本发明实施例中，光接收模块主要包括：光学天线及光电探测器，其中：

所述光学天线，用于对高频通信信号光进行汇聚；提高接收光信号的功率及信噪比；示例性的，可以采用普通凸透镜来收集光线、增强信噪比，较小的视场角也可以屏蔽较多的干扰。

所述光电探测器，用于将探测到的高频通信信号光转换为电信号。为确保长距离情况下能够探测到足够信噪比的光信号，需要高灵敏度、高增益、高信噪比的探测器件，例如，可采用雪崩光电二极管。

9、模数转换模块，用于将光接收模块输出的模拟信号转换为数字信号后传输给数据恢复模块。

10、数据恢复模块，用于将所述模数转换模块转换后的数字信号，按照对应的数据格式进行恢复。

本发明上述方案获得如下有益效果：

1、与背景技术中存在的问题相比较，本发明采用两个LED灯作为光源，一个用以发送低频跟踪信号，一个用以发送高频通信信号，在光域对跟踪信号和通信信号进行独立发送，避免了用单个LED灯同时发送跟踪信号和通信信号导致的光源闪烁明暗变化小、检测不到光源的问题。此外，跟踪光源与高频通信光源在两轴旋转台上的特定分布，使得高帧率相机瞄准低频跟踪光源的同时保证光电探测器瞄准高频通信光源，减小了光电探测器对目标光源的瞄准误差。

2、与背景技术中存在的问题相比较，本发明采用高帧率相机来拍摄光源，高帧率相机确保可以在单位时间内采集到足够多图片，从而在单位时间内获得足够多的光源方位样本，便于在多个光源方位样本中排除异常光源，更多的光源方位样本也确保了电机可以在单位时间内多次启停，细化了光源跟踪轨迹、跟踪更流畅。与已存在的技术相比较，本发明中采用的相机视场角及图像分辨率都大于该领域已存在的当前可实现的方案，较大的视场角确保收端可以在较大视场范围内搜索目标，较高的图像分辨率确保目标光源的定位精度足够精确。

3、与背景技术中存在的问题相比较，本发明中跟踪光源发送低频方波、收端光源检测采用图像差分的方案。相机帧率为低频方波频率的2倍，确保光源在方波的高低电平上都能被拍摄到一次。与已有方案中对光源编码的方式相比较，图像差分的方案确保采集到的每一帧图像中都可以检测到光源，从而快速控制电机旋转，减小光源识别中的时延。

4、与背景技术中存在的问题相比较，本发明采用FPGA开发平台采集、处理图像，鉴于FPGA开发平台并行处理、流水线处理的优势，光源识别可以在单帧图像采集完毕后立刻输出当前帧中目标光源的位置。

5、与背景技术中存在的问题相比较，本发明采用了完善的光源检测算法、光源筛选算法及位置信号处理算法。光源检测算法中采用了动态感兴趣区域的算法，根据上一帧的光源检测结果在图像全局范围动态划定下一帧的检测窗口，减小非目标光源的干扰。光源筛选算法中，采用多个RAM存储检测到的多个目标光源轨迹，并对多个目标光源的轨迹进行分析及预测，可有效排除图像中出现的目标光源镜面反射、目标光源短时间遮挡的情况。位置信号处理算法中，采用FPGA芯片中的移位寄存器存储光源位置，前N帧图像中的目标光源位置求导求得光源在图像中的运动速度，通过比较瞬时速度与前N帧图像中目标光源的平均速度来剔除异常光源，并对异常光源的位置用预测值进行代替。此外，位置信号处理算法中，对系统的处理时延及跟踪时延进行估计，从而对系统产生的时延进行滞后预补偿。

6、与背景技术中存在的问题相比较，本发明采用了伺服电机驱动两轴旋转台的方案，且伺服电机与两轴旋转台之间采用螺旋弹性联轴器连接。采用高性能伺服电机确保电机的旋转速度足够快、响应速度足够快，从而确保光源快速移动时可以快速跟踪且跟踪轨迹流畅。与已有方案相比，本发明采用两轴旋转台承载光接收模块及高帧率相机，一是转台的载荷更大，二是通过电机与转台之间的旋转细分，使得旋转方位的控制精度更高。本发明电机与转台之间采用螺旋弹性联轴器，一是可以对检测出来的目标光源运动轨迹进行机械滤波，二是可以在转台频繁换向的时候起到保护电机的作用。

7、与背景技术中存在的问题相比较，本发明采用了完善的电机控制算法。为防止电机朝同一方向过度旋转造成转台上的设备电源线、数据线绕线或绞线，本发明考虑了电机旋转过程中的设备安全问题，在电机旋转过程中，FPGA开发平台上的安全控制模块不断询问电机当前状态，当电机朝某个方向旋转超出设定范围后，发送控制指令禁止电机朝该方向旋转。与已存在的方案相比，本发明跟踪过程中的电机运行速度是可变的，未瞄准目标光源时电机运行速度为其最大运行速度，跟踪过程中电机驱动下的转台运行速度为目标光源的运行速度，电机运行方向取决于目标光源相对于转台的方位。

上述系统可以实现收发端的快速准确对准，提高可见光通信链路的稳定性，增大光信号接收视场范围，减小干扰，克服点到点可见光通信链路收发端动态移动情况下收发端瞄准误差的影响和信噪比波动的影响，提高传输速率，实现复杂背景、收发端动态移动环境下的可见光通信

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，其特征在于，包括：发送装置与接收装置；

所述发送装置中包括：用于发送低频跟踪信号光的低频跟踪光源、用于发送高频通信信号光的高频通信光源，以及设置于高频通信光源前端的信号采集与处理模块；

所述接收装置中包括：用于拍摄包含低频跟踪光源场景图像的高帧率相机、用于从高帧率相机拍摄图像中获得目标光源位置的高速图像处理模块、用于对目标光源位置进行处理的位置信号处理模块、用于根据位置信号处理模块的处理结果确定电机控制方式的电机控制模块、用于根据电机控制模块的输出结果生成电机运行所需要的工作电压、工作电流及脉冲信号的电机驱动模块、用于根据电机驱动模块的输出控制两轴旋转台旋转的电机、用于接收高频通信信号光的光接收模块，以及用于对光接收模块输出结果实现数据恢复的数据恢复模块；其中，所述高帧率相机与光接收模块均设置于两轴旋转台上。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，其特征在于，所述发送装置中的信号采集与处理模块包括：信息信号生成模块、数模转换模块、放大均衡模块以及直流偏置模块；其中：

所述信息信号生成模块，用于采集与生成用户待发送业务的数字信号；

所述数模转换模块，用于将所述数字信号转换为模拟信号；

所述放大均衡模块，用于将所述模拟信号进行放大及均衡，获得高频通信信号；

所述直流偏置模块，用于在高频通信信号上加上直流偏置电压，并传输给高频通信光源；所述直流偏置电压用于为高频通信光源提供直流工作电压。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，其特征在于，所述发送装置中还包括：

低频信号生成模块，用于生成光源检测所需要的低频方波信号，还用于为低频跟踪光源提供工作电压。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，其特征在于，所述高速图像处理模块在FPGA开发平台上实现，其包括：高速图像采集模块、高速图像缓存模块、图像差分模块、图像预处理模块、光源检测模块、光源筛选模块，其中：

所述高速图像采集模块，用于将高帧率相机拍摄的图像进行并串转换，由并行像素流转换为串行像素流；

所述高速图像缓存模块，用于缓存所述高速图像采集模块最新转换后的两帧图像；

所述图像差分模块，用于将高速图像缓存模块中的两帧图像进行差分，以检测两帧图像中亮度发生变化的区域；

所述图像预处理模块，用于对图像差分模块的图像差分结果进行预处理；

所述光源检测模块，用于在处理后的图像中实时检测可能存在的多个光斑，并统计每一个光斑的相关信息；

所述光源筛选模块，用于根据每一个光斑的相关信息按照给定规则进行筛选，最终得到目标光源位置。

5.根据权利要求4所述的一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，其特征在于，所述对图像差分模块的图像差分结果进行预处理包括：依次执行的图像二值化、图像滤波、图像腐蚀膨胀与图像边缘提取处理。

6.根据权利要求1所述的一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，其特征在于，所述位置信号处理模块在FPGA开发平台上实现，其包括：光源位置记录和速度计算模块、异常光源位置滤除模块以及光源位置延迟预补偿模块；其中：

所述光源位置记录和速度计算模块，用于存储光源位置，并利用前N帧图像中的目标光源位置求导求得光源在图像中的运动速度；

所述异常光源位置滤除模块，用于通过比较瞬时速度与前N帧图像中目标光源的平均速度来剔除异常光源，并对异常光源的位置用预测值进行代替；

所述光源位置延迟预补偿模块，用于对系统的处理时延及跟踪时延进行估计，对系统产生的时延进行滞后预补偿。

7.根据权利要求1所述的一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，其特征在于，所述电机控制模块包括：电机启停控制模块以及电机运行速度和方向控制模块，其中：

所述电机启停控制模块，用于控制启动或停止电机运行；

所述电机运行速度和方向控制模块用于控制电机的运行速度和旋转方向。

8.根据权利要求1所述的一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，其特征在于，所述光接收模块包括：光学天线及光电探测器，其中：

所述光学天线，用于对高频通信信号光进行汇聚；

所述光电探测器，用于将探测到的高频通信信号光转换为电信号。

9.根据权利要求1所述的一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，其特征在于，所述两轴旋转台在电机驱动下旋转，带动所述高帧率相机及光接收模块对应瞄准低频跟踪光源与高频通信光源；

所述两轴旋转台由两个垂直放置的单轴旋转台构成，实现沿z轴和y轴方向的旋转；所述两轴旋转台与所述电机之间用螺旋弹性联轴器连接，对光源运动点迹进行机械滤波。

10.根据权利要求1、4、5、6、7、8或9所述的一种基于无线光通信的高速光源识别、跟踪与对准系统，其特征在于，所述接收装置中还包括：

模数转换模块，用于将光接收模块输出的模拟信号转换为数字信号后传输给数据恢复模块。