基于FPGA的激光无线通信精跟踪系统

0 引 言
    以大气作为传输介质，激光作为信息载体进行无线通信时，空一地激光无线通信是激光无线通信的一种常见形式，信标光的准确捕获、瞄准与跟踪(Acquisition，Pointing and Tracking，APT)是其关键技术，APT系统主要用于建立和维持激光通信链路，是进行激光无线通信的关键技术。由于激光光束窄、发散角小，在大气传输过程中存在大气散射、折射、湍流等现象，再加上激光通信平台的振动等因素，会造成激光光束偏离目标，使得瞄准、捕获和跟踪技术问题变得十分突出。
    APT系统分为粗跟踪系统和精跟踪系统。粗跟踪系统主要负责完成信标光的初始时期的大范围扫描和捕获，引导信标光光斑进入精跟踪视场，跟踪精度和带宽较低；精跟踪系统主要负责完成信标光的精确跟踪和锁定，国内外已进行了有关精跟踪的不少研究，它所要求的跟踪精度和带宽较高，它的精度和带宽决定了整个APT系统的精度和带宽，同时它的另一个主要功能是克服因大气扰动和平台振动造成的信标光光斑抖动，维持稳定的激光通信链路。针对目前激光无线通信所要用到的关键技术，和空一地激光无线通信终端应具有集成度高、功耗低、体积小和重量轻等一系列特点，本文设计了一种以FPGA作为控制芯片的精跟踪系统。

1 系统组成及功能概述
    以Altera公司的Cyclone系列FPGA为控制核心的双FPGA系统，一块用于控制高帧频相机，并将图像数据通过基于1394协议接口的传输线传输到另一块FPGA，在第二块FPGA中进行光斑坐标提取和完成跟踪算法，系统使用一款基于Cameralink接口的高帧频CMOS相机作为图像传感器采集信标光光斑，以高速数／模转换芯片DAC712P、双通道PZT控制器和高精度PZT振镜用于构成光路偏转控制系统。PC机用于设定相机工作参数，与FPGA板间数据通信采用Cy-press公司提供的支持USB 2．0协议的CY7C68013芯片。
    如图1所示为系统的组成框图，在终端设备中，由光学天线接收到的信标光经过高帧频CMOS相机转换为灰度图像，FPGA工将灰度图像数据由Cameralink接口接收后，经过重新组合，然后通过基于1394协议的接口芯片转换为串行差分信号发送至图象处理板，板上的FPGAⅡ把图像数据接收后放入其内部的一级缓存RAM中，再从一级缓存中取出数据通过乒乓操作将其存放到其外部的二级缓存PSRAM阵列中，然后FPGAⅡ把图像数据从PSRAM阵列中取出，采用质心算法计算光斑中心坐标，并把图像数据通过USB接口控制模块发送到PC机进行显示，便于用户实时监测。同时把计算出的光斑中心坐标根据PID跟踪算法计算出偏置调节量，通过数模转换芯片DAC712P转换为模拟信号后经过PZT控制器实现信号放大，最后使PZT振镜在两路实时程控电压的控制下进行相应的二维偏转，实现对因大气湍流等因素造成的接收光束的抖动进行实时补偿，达到稳定接收光斑中心位置，维持稳定的激光通信链路目的。

2 系统硬件部分设计
2．1 光斑采集及处理部分
    光斑采集及处理部分主要由高帧频CMOS相机MV-D1024E和对其进行控制的FPGA组成。采用的两块FPGA均是Altera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8，具有5 980个逻辑单元，120 000个典型门资源和185个可编程I／O口，最高工作时钟可达300 MHz以上，核心供电电压为1．5 V，I／O供电电压3．3 V，通过JTAG实现系统配置。配置芯片EPC4串行ROM容量约为4 MB，可重复编程50次左右，JTAG接口符合IEEE Std．1149．1标准。
    MV-D1024E是高速高动态的CMOS相机系列，采用CMOS主动像元技术，具有12位的采样分辨率和1 024×1 024的像素分辨率，在此分辨率下帧频能达到150帧／s，曝光时间由10μs～0．41 s，25 ns步进可调，采用Camera Link接口，用串行口对相机进行配置。相机时序由帧频FVAL、行频LVAL和数据帧DVAL控制，当它们同时为高电平时，在相机时钟PCLK上升沿时数据总路线上才有数据。在光斑中心提取算法中，采用较为实用的质心法，该算法计算简单，便于FPGA实现，因其抗噪声干扰能力较弱，当噪声增大时，光斑中心提取精度降低，则系统选取了灰度加权质心法来计算光斑中心。若目标区域为N×N，则质心的位置为：

   
式中：i，j为目标区中像元的横纵坐标；f(i，j)为像元的灰度值。质心法反映了目标的能量分布状况。该算法适用于类似于精跟踪系统接收视场小而光班范围相对较大的情况。
2．2 数据传输及通信接口部分
    Camera Link用于相机和FPGA板间的数据交换，其传输率高达1 Gb／s，且抗噪较好，可以提供高分辨率和各种帧频的数字化数据，数据输出采用了LVDS格式，根据应用要求，其支持基本(Base)、中档(Medium)、全部(Full)等数字格式，该接口具有开放式的接口协议，兼容性好。它适用于CCD或CMOS等数字式相机与图像采集系统间的通信接口。
    USB接口用于FPGA与PC机间的数据和指令的交换，其具有高速度、低成本、低功耗、即插即用和使用维护方便等优点，采用IEEE1394总路线协议，最高带宽可达到480 Mb／s。采用Cypress公司的EZ-US-BFX2系列芯片中的CY7C68013。
2．3 光路偏转控制部分
    光路偏转控制系统以高速转换芯片DAC712P、双通道PZT控制器和高精度PZT振镜构成，采用的16位双通道高速数模转换芯片DAC712P，电压输出时间小于10μs，其输出电压直接用于双通道PZT控制器的输入。PZT控制器选用德国PI公司的E-503 PZT控制功率放大器，输入电压范围为0～10 V，输出电压范围为0～100V，其电压频率响应曲线如图2所示。PZT振镜选用了德国PI公司的S-330，该PZT振镜采用压电陶瓷驱动，频率响应度高且具有极高的定位精度。

    跟踪控制算法采用PID控制算法，该算法包括位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，而在实时控制系统中常用增量式PID控制算法，其公式为：

式中：△u(k)为输出的控制量。q0=KP，q1=KP·(TS／TI)，q2=KP·(TD／TS)分别为比较项、积分项和差分项的系数，TS为采样时间，对于不同的控制系统，TS各不相同，要根据实际调试经验来确定。

3 软件部分设计
    此部分包含了上位机和下位机软件设计，下位机FPGA采用由Altera公司的集成开发环境QuartusⅡ、Mentor Graphics公司的ModelSim SE进行开发，采用Verilog HDL语言进行编写，上位机使用Microsoft公司的VC++6．0软件工具进行开发。QuartusⅡ通过JTAG对FPGA进行调试、配置下载，VC应用程序通过USB接口与CMOS相机控制电路板、图像处理电路板进行连接通信。整个系统流程图如图3所示。

4 试验结果及分析
    图4为精跟踪系统评价曲线图，此实验数据由相距16 km的外场激光无线通信时，使用APT系统得到的，图4(a)为未加入精跟踪时信标光斑在精跟踪接收视场内的坐标曲线，图4(b)为加入精跟踪后的坐标曲线，由两图对比可知，加入精跟踪后，光斑比较稳定，集中度较好，将集中效率提高了70％左右，跟踪精度为5～25μrad，由外场激光通信效果来看，明显降低了通信误码率，减弱了因大气湍流和通信平台的震动而引起的信标光斑抖动时对通信造成的影响。但是，系统对平台抖动剧烈时跟踪效果不很理想，跟踪精度还不够。

    系统由基于FPGA的硬件平台实现，降低了对PC机的依赖性，为低功耗便携式平台提供了参考。还待加强的问题有：提高光斑定位精度，缩短信标光斑定位、跟踪算法时间开销，改进跟踪算法提高鲁棒性和提高系统的跟踪精度。