CN117315011B - 一种大气湍流中光斑中心定位方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种大气湍流中光斑中心定位方法及装置，属于大气科学技术领域，包括：获取激光光斑图像，激光光斑图像为激光光束经过大气湍流后的实时图像；获取激光光斑图像中每一行像素点以及每一列像素点的坐标值与灰度值；根据各坐标值与灰度值，使用高斯统计方法对激光光斑图像中所有行像素点和所有列像素点进行数据拟合，得到行方向高斯拟合曲线和列方向高斯拟合曲线；根据行方向高斯拟合曲线和列方向高斯拟合曲线得到激光光斑图像中心。本申请提供的方法及装置综合考虑激光光斑能量分布、形状分布对光斑中心位置影响，实现大气湍流环境下高精度光斑中心位置确定。
Description
技术领域
本申请涉及一种大气湍流中光斑中心定位方法及装置，属于大气科学技术领域。
背景技术
激光通信系统具有抗干扰能力强、安全性好、设备体积小、重量轻、频谱不受管制、功耗低、系统机动性强、造价低、透明传输协议等优点。但是当激光通信系统在大气湍流信道中使用时，由于大气湍流对传输光的调制作用，使通信激光出现相干性退化、相位起伏、达到角起伏、光强起伏等现象，对激光通信系统光束捕获、成像、信息解调、光纤耦合效率等产生影响，制约激光通信系统性能提升。应用中发射形状圆形、能量分布为高斯型的激光光束，经过大气湍流后，接收端接收到的光斑形状是破碎的不规则图形，光斑能量分布也不能用某种特定的函数进行描述，导致对光斑中心位置的计算会产生较大的定位误差，影响激光通信系统性能。目前本领域中的传统方法基本不适用于大气湍流信道，不能都对湍流影响的破碎光斑进行中心位置的准确判定。
发明内容
本申请的目的在于提供一种大气湍流中光斑中心定位方法及装置，综合考虑激光光斑能量分布、形状分布对光斑中心位置影响，实现湍流环境下高精度光斑中心位置确定。
为实现上述目的，本申请第一方面提供了一种大气湍流中光斑中心定位方法，包括：
获取激光光斑图像，其中，所述激光光斑图像为激光光束经过大气湍流后的实时图像；
获取所述激光光斑图像中每一行像素点的坐标值与灰度值以及每一列像素点的坐标值与灰度值；
根据各坐标值与灰度值，使用高斯统计方法对所述激光光斑图像中所有行像素点和所有列像素点进行数据拟合，得到行方向高斯拟合曲线和列方向高斯拟合曲线；
根据所述行方向高斯拟合曲线和所述列方向高斯拟合曲线得到激光光斑图像中心。
在一种实施方式中，所述获取所述激光光斑图像中每一行像素点的坐标值与灰度值包括：
对于任一行像素点，获取该行每个像素点的坐标值和灰度值；
根据每个像素点的灰度值的大小，使用高斯统计方法进行数据拟合并得到高斯曲线；
取所述高斯曲线的峰值点对应的坐标值和灰度值作为该行像素点的坐标值与灰度值。
在一种实施方式中，所述获取所述激光光斑图像中每一列像素点的坐标值与灰度值包括：
对于任一列像素点，获取该列每个像素点的坐标值和灰度值；
根据每个像素点的灰度值的大小，使用高斯统计方法进行数据拟合并得到高斯曲线；
取所述高斯曲线的峰值点对应的坐标值和灰度值作为该列像素点的坐标值与灰度值。
在一种实施方式中，所述使用高斯统计方法对所述激光光斑图像中所有行像素点进行数据拟合包括：
所有行像素点根据每一行像素点的灰度值的大小，使用高速统计方法进行数据拟合，得到行方向高斯拟合曲线。
在一种实施方式中，所述使用高斯统计方法对所述激光光斑图像中所有列像素点进行数据拟合包括：
所有列像素点根据每一列像素点的灰度值的大小，使用高速统计方法进行数据拟合，得到列方向高斯拟合曲线。
在一种实施方式中，所述根据所述行方向高斯拟合曲线和所述列方向高斯拟合曲线得到激光光斑图像中心包括：
将所述行方向高斯拟合曲线和所述列方向高斯拟合曲线的交点作为激光光斑图像中心。
本申请第二方面提供了一种大气湍流中光斑中心定位装置，包括：
激光光源、发射光学系统、接收光学系统、成像系统、图像采集卡和计算机；
其中，所述激光光源发射激光光束经所述发射光学系统进入大气湍流中，所述接收光学系统接收激光光束，并将其成像到所述成像系统上得到激光光斑图像，所述图像采集卡将激光光斑图像送入所述计算机，所述计算机接收到激光光斑图像后，基于如上述第一方面或者上述第一方面的任一实施方式中的步骤得到激光光斑图像中心。
在一种实施方式中，所述成像系统为CCD相机。
本申请第三方面提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述第一方面或者上述第一方面的任一实施方式中的步骤。
本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，上述计算机可读存储介质存储有计算机程序，上述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面或者上述第一方面的任一实施方式中的步骤。
由上可见，本申请提供了一种大气湍流中光斑中心定位方法及装置，适用于中、强、弱大气湍流信道下激光光斑中心位置的高精度定位，通过图像灰度值进行高斯拟合曲线的手段，将大气湍流导致破碎的光斑进行恢复，从而计算得到光斑的中心位置。通过使用高斯统计方法，即考虑光斑分布能量特性，又兼顾光斑形状特性，实现在光斑能量分布不符合特定分布函数、光斑形状不符合特定分布函数时高精度光斑中心位置的确定，克服湍流信道中光斑能量、形状不规则变化对光斑中心定位影响，对提升大气激光通信系统性能具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的一种大气湍流中光斑中心定位装置的结构示意图。
图中，1-激光光源；2-发射光学系统；3-接收光学系统；4-成像系统；5-图像采集卡；6-计算机。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其它情况下，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
下面结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
本申请实施例提供了一种大气湍流中光斑中心定位方法，该方法包括：
S100获取激光光斑图像，其中，所述激光光斑图像为激光光束经过大气湍流后的实时图像；
在一种实施方式中，可通过图像采集装置和计算机获取激光光斑图像，该激光光斑图像可包括实时的多帧图像。
S200获取所述激光光斑图像中每一行像素点的坐标值与灰度值以及每一列像素点的坐标值与灰度值；
可选的，所述获取所述激光光斑图像中每一行像素点的坐标值与灰度值包括：
对于任一行像素点，获取该行每个像素点的坐标值和灰度值；
根据每个像素点的灰度值的大小，使用高斯统计方法进行数据拟合并得到高斯曲线；
取所述高斯曲线的峰值点对应的坐标值和灰度值作为该行像素点的坐标值与灰度值。
可选的，所述获取所述激光光斑图像中每一列像素点的坐标值与灰度值包括：
对于任一列像素点，获取该列每个像素点的坐标值和灰度值；
根据每个像素点的灰度值的大小，使用高斯统计方法进行数据拟合并得到高斯曲线；
取所述高斯曲线的峰值点对应的坐标值和灰度值作为该列像素点的坐标值与灰度值。
在一种实施方式中，当获取到完整的一帧激光光斑图像后，记录接收到的一帧图像的每个像素点的坐标值与灰度值；第一行像素点按灰度值大小，使用高斯统计方法进行数据拟合，取高斯曲线的峰值点对应的坐标值和灰度值作为第一行像素点的坐标值与灰度值；重复上述过程求出所有行像素点的坐标值与灰度值；第一列像素点按灰度值大小，使用高斯统计方法进行数据拟合，取高斯曲线的峰值点对应的坐标值和灰度值作为第一列像素点的坐标值与灰度值；重复上述过程求出所有列像素点的坐标值与灰度值；
S300根据各坐标值与灰度值，使用高斯统计方法对所述激光光斑图像中所有行像素点和所有列像素点进行数据拟合，得到行方向高斯拟合曲线和列方向高斯拟合曲线；
可选的，所述使用高斯统计方法对所述激光光斑图像中所有行像素点进行数据拟合包括：
所有行像素点根据每一行像素点的灰度值的大小，使用高速统计方法进行数据拟合，得到行方向高斯拟合曲线。
可选的，所述使用高斯统计方法对所述激光光斑图像中所有列像素点进行数据拟合包括：
所有列像素点根据每一列像素点的灰度值的大小，使用高速统计方法进行数据拟合，得到列方向高斯拟合曲线。
S400根据所述行方向高斯拟合曲线和所述列方向高斯拟合曲线得到激光光斑图像中心。
可选的，所述根据所述行方向高斯拟合曲线和所述列方向高斯拟合曲线得到激光光斑图像中心包括：
将所述行方向高斯拟合曲线和所述列方向高斯拟合曲线的交点作为激光光斑图像中心。
由上可见，本申请实施例提供了一种大气湍流中光斑中心定位方法，可应用于大气湍流环境中激光光斑中心位置的高精度定位。使用高斯统计方法，即考虑光斑分布能量特性，又兼顾光斑形状特性，实现在光斑能量分布不符合特定分布函数、光斑形状不符合特定分布函数时高精度光斑中心位置的确定，克服湍流信道中光斑能量、形状不规则变化对光斑中心定位影响，对提升大气激光通信系统性能具有重要意义。
实施例二
本申请实施例提供了一种大气湍流中光斑中心定位装置，如图1所示，包括：
激光光源1、发射光学系统2、接收光学系统3、成像系统4、图像采集卡5、计算机6；
其中，激光光源1发射激光光束经发射光学系统2进入大气湍流中，接收光学系统3接收激光光束，并将其成像到成像系统4上得到激光光斑图像，图像采集卡5将激光光斑图像送入计算机6，计算机6接收到激光光斑图像后，基于如上述实施例一中任一实施方式中的步骤得到激光光斑图像中心。
在一种实施方式中，激光光源1的激光波长532nm，功率可根据实际需求进行调整。
在一种实施方式中，成像系统4为DALSTAR-SA 1M28型CCD相机。
在一种实施方式中，图像采集卡5为带有camera link接口协议的普通采集卡。
由上可见，本申请实施例提供了一种大气湍流中光斑中心定位装置，可应用于大气湍流环境中激光光斑中心位置的高精度定位。实现在光斑能量分布不符合特定分布函数、光斑形状不符合特定分布函数时高精度光斑中心位置的确定，对提升大气激光通信系统性能具有重要意义。
实施例三
本申请实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括存储器、处理器以及存储在上述存储器中并可在上述处理器上运行的计算机程序，其中，存储器用于存储软件程序以及模块，处理器通过运行存储在存储器的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。存储器和处理器通过总线连接。具体地，处理器通过运行存储在存储器的上述计算机程序时实现上述实施例一中的任一步骤。
应当理解，在本申请实施例中，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器、快闪存储器和随机存储器，并向处理器提供指令和数据。存储器的一部分或全部还可以包括非易失性随机存取存储器。
应当理解，上述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，上述计算机程序可存储于以计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，上述计算机程序包括计算机程序代码，上述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。上述计算机可读介质可以包括：能够携带上述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，上述计算机可读存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、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单元、模块完成，即将上述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例所提供的方法及其细节举例可结合至实施例提供的装置和设备中，相互参照，不再赘述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各实例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟是以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同的方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置/设备实施例仅仅是示意性的，例如，上述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以由另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
上述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种大气湍流中光斑中心定位方法，其特征在于，包括：
获取激光光斑图像，其中，所述激光光斑图像为激光光束经过大气湍流后的实时图像；
获取所述激光光斑图像中每一行像素点的坐标值与灰度值以及每一列像素点的坐标值与灰度值；
根据各坐标值与灰度值，使用高斯统计方法对所述激光光斑图像中所有行像素点和所有列像素点进行数据拟合，得到行方向高斯拟合曲线和列方向高斯拟合曲线；
根据所述行方向高斯拟合曲线和所述列方向高斯拟合曲线得到激光光斑图像中心；
其中，所述获取所述激光光斑图像中每一行像素点的坐标值与灰度值包括：
对于任一行像素点，获取该行每个像素点的坐标值和灰度值；
根据每个像素点的灰度值的大小，使用高斯统计方法进行数据拟合并得到高斯曲线；
取所述高斯曲线的峰值点对应的坐标值和灰度值作为该行像素点的坐标值与灰度值；
所述获取所述激光光斑图像中每一列像素点的坐标值与灰度值包括：
对于任一列像素点，获取该列每个像素点的坐标值和灰度值；
根据每个像素点的灰度值的大小，使用高斯统计方法进行数据拟合并得到高斯曲线；
取所述高斯曲线的峰值点对应的坐标值和灰度值作为该列像素点的坐标值与灰度值。
2.如权利要求1所述的大气湍流中光斑中心定位方法，其特征在于，所述使用高斯统计方法对所述激光光斑图像中所有行像素点进行数据拟合包括：
所有行像素点根据每一行像素点的灰度值的大小，使用高速统计方法进行数据拟合，得到行方向高斯拟合曲线。
3.如权利要求1所述的大气湍流中光斑中心定位方法，其特征在于，所述使用高斯统计方法对所述激光光斑图像中所有列像素点进行数据拟合包括：
所有列像素点根据每一列像素点的灰度值的大小，使用高速统计方法进行数据拟合，得到列方向高斯拟合曲线。
4.如权利要求1所述的大气湍流中光斑中心定位方法，其特征在于，所述根据所述行方向高斯拟合曲线和所述列方向高斯拟合曲线得到激光光斑图像中心包括：
将所述行方向高斯拟合曲线和所述列方向高斯拟合曲线的交点作为激光光斑图像中心。
5.一种大气湍流中光斑中心定位装置，其特征在于，包括：
激光光源、发射光学系统、接收光学系统、成像系统、图像采集卡和计算机；
其中，所述激光光源发射激光光束经所述发射光学系统进入大气湍流中，所述接收光学系统接收激光光束，并将其成像到所述成像系统上得到激光光斑图像，所述图像采集卡将激光光斑图像送入所述计算机，所述计算机接收到激光光斑图像后，基于如权利要求1至4任一项所述方法的步骤得到激光光斑图像中心。
6.如权利要求5所述的大气湍流中光斑中心定位装置，其特征在于，所述成像系统为CCD相机。
7.一种电子设备，包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任一项所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述方法的步骤。
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