基于光纤通信的光电跟踪实验系统设计

张 恺，周 权，，程玉宝，，邵 立，，贺 巍

（1.解放军电子工程学院脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽合肥 230037；2.解放军电子工程学院光电系，安徽合肥 230037）

基于光纤通信的光电跟踪实验系统设计

张 恺1，周 权1，2，程玉宝1，2，邵 立1，2，贺 巍2

（1.解放军电子工程学院脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽合肥 230037；2.解放军电子工程学院光电系，安徽合肥 230037）

介绍一种基于光纤通信的光电跟踪实验系统的设计思路及实现。该系统采用模块化设计，各模块均采用高性价比的独立实验装置进行集成。介绍了光纤通信、光电跟踪的基本原理，实验系统的硬件组成，并对该系统进行了测试和分析。基于该系统的光电跟踪实验能有效地激发学生的学习兴趣，拓展学生的知识面，提高学生的动手能力和创新能力。对实验系统的进一步完善作出了展望。

光纤通信；光电跟踪；CCD摄像机；数字云台

随着科技的发展，光电跟踪技术已经成为现代精确制导武器的一种主要制导手段。光电跟踪实验是各高等院校光电相关专业一门实践性很强的专业课程，也是我院军用光电工程实验体系的重要组成部分。传统光电跟踪实验仪器针对的专业范围过窄、综合化程度较低、成本高，仪器不能实现计算机数据采集与处理，或不能后续开发利用［1-2］。为了改变这一现状，让学生更直观、形象地了解光电跟踪的原理及过程，本文尽可能地利用现成的装置和成熟的光纤通信技术，设计了高性价比、易操作、直观实用且具有可扩展性的基于光纤通信的光电跟踪综合性实验系统。

1 光电跟踪原理

在跟踪前，首先检测出需跟踪的特定目标（当然也可以在视频序列中手动框定特定的跟踪目标）。运动目标的跟踪应用视频图像的颜色分布模型。通常使用的RGB色彩空间并不能很好地反映视觉上的颜色感知性，2个彩色点的RGB空间距离也不能反映其感知度的相似性。故将RGB空间转化为SHV空间来衡量［3］。SHV分别代表色度、饱和度和亮度值。

将当前SHV彩色图像离散化为m个区域，在跟踪时，为了让可靠的像素点有较大的权重，引入如下的权重函数，

式中D（i）为差分图像的像素值。

式中，Hx和Hg分别代表矩形框的长和宽的半轴长，THRE为阈值，ri为方框内像素点i远离矩形框中心点的归一化距离，Δx是i点的横坐标到当前矩形框中心的水平距离，Δy是i点的横坐标到当前矩形框中心的垂直距离，由下式确定：

式中，Bt（x）为t时刻x点处背景像素值，It（x）为t时刻x点处当前像素值。由上面的权重函数，采用如下的公式计算区域像素的颜色分布：

跟踪时，以矩形框的中心为跟踪点，预测位置在上一帧的邻域搜索。在实验中，采用7×7像素模板，度量两模板的相似度：

式中q（u）为计算区域内像素颜色的标准分布。ρ越大，则分布的相似度越高。对于ρ具有最大匹配值的点（p，q）即认为是目标的位置。

2 视频光纤传输原理

光纤传输具有频带宽、传输容量大、损耗小、传输距离远、抗电磁干扰性好、保密性好等一系列明显的优点。要将采集的视频信号进行光纤传输，先将其转换为TTL电平输出，必须转换为串行数据，这就需要串行收发器进行并串转换［4］。为了实现这一功能，本实验采用武汉凌特科技研发的LTE-GX-02E实验箱。该实验箱集成了Alter-FPGA、S2067及SDA7123芯片，分别用于视频信号的TTL转换、并行串行转换及D／A转换。

S2067芯片是AMCC公司生产的具有双向接收和发送功能的高速串行数据传输芯片，同时具有串化／解串功能，并行数据宽度16位，操作速率范围宽达0.77GHz～1.3GHz，提供2Gbit／s的串行速率，最大带宽可达到2.16Gbit／s，适用于双向、点对点数据传输系统。S2067内部集成并／串和串并转换单元、时钟合成／恢复单元、自动8B／10B编码／解码单元、串行中断、TTL中断输出等。同时S2067提供自测试功能，当自测功能开启时串化后数据直接连接到本芯片的解串部分。另外还提供随机数列发生／验证单元和信号丢失检测电路，调试方便［5-6］。

实验箱集成的SDA7123作为数字视频信号的D／A转换芯片。SDA7123是一个3路高速、数模转换器的单片集成电路。它包括3路高速、10位输入的视频D／A转换器、标准的TTL输入和互补输出高阻抗的模拟输出电流源，还附加2路视频控制信号。SDA7123最大采样速度240MHz，当时钟频率为50 MHz、输出为1MHz时，信噪比为-70dB；当时钟频率为140MHz、输出为40MHz时，信噪比为-53dB。

3 实验系统硬件组成及工作原理

综合实验系统由实验箱和外设组成。实验箱包括光纤发送电路、光纤接收电路、微控制器及其接口电路、光纤收发组件以及电源模块等，外设主要包括面阵CCD摄像机、数字云台、数据采集卡、计算机及显示器等。整个实验系统的结构如图1所示。

图1 光电跟踪实验系统结构框图

光电跟踪实验系统的基本工作原理：光学系统将搜索得到的目标成像到CCD上，并由CCD将该图像转化为模拟电信号；然后输入到光纤发送电路转化为光信号并进入光纤进行传输，光信号到达接收端后由接收电路转化为模拟电信号，并输入视频采集卡，采集卡再将模拟视频信号转化为数字信号后输入计算机；计算机对上述数字图像的边缘进行检测，再对图像的中心位置进行提取；计算机通过自动寻找不同时刻飞行器的图像中心，得到图像中心与屏幕中心的位置偏差［7-8］，同时将此偏差发送给云台控制器，控制云台俯仰、旋转运动，调整镜头姿态，使光学探测器所检测到的飞行器图像始终位于屏幕中心附近，有利于对目标的跟踪和识别。

（1）数字CCD相机。采用JAI公司Compact系列数字工业相机中的CB-141PMCL，该相机能够提供1 392×1 040像素分辨率，最大帧率为30f／s的传输速度及最大12bit数据格式的图像，并提供Base型Camera Link的接口及一个模拟视频接口，完全能够满足数字及模拟视频信号实时采集与传输的需要。

（2）数字云台。本实验系统采用了DQ8000Z型数字云台作为摄像机跟踪目标的机械平台。它由2台电动机来实现三维转动，电动机接受来自控制器的信号并实现精确的运行定位［9-10］。水平旋转角度为0°～350°，垂直旋转角度为＋90°，同时，该云台的水平旋转速度高达480°／s，垂直旋转速度为120°／s。

（3）光纤通信实验箱。采用武汉凌特科技研发的LTE-GX-02E，该实验箱采用开放式对称结构，提供多种终端，可以实现8路计算机数据、2路图像、2路语音信号以异步复接或WDM方式进行全双工光纤混合传输，能充分体现光纤传输优良的带宽性能及多媒体传输特性。光纤采用1 310nm的光发射及接收模块，并集成了Alter-FPGA、S2067及SDA7123芯片，分别用于视频信号的TTL转换、并行串行转换及D／A转换［11］。

（4）显示及控制终端。包括视频采集卡、计算机及显示器。采集卡将模拟视频信号转化为数字信号后输入计算机显示及处理，同时利用计算机对云台进行控制，实现对目标的锁定及跟踪。视频采集卡选用品尼高Studio9，拥有2套完整的I／O口，可提供最高达400 Mbit／s的传输速率。利用采集卡可将模拟视频以MPEG、AVI、WMV等格式保存为视频文件，也可直接刻录成VCD或DVD。显示器采用VGA接口的TFT液晶显示器（联想L197WA），响应时间为5ms，分辨率为1 440×900像素，完全能够满足视频图像的实时显示。编写的相应的光电跟踪软件的流程图见图2。

4 实验内容及结果分析

首先将1 310nm光接收发模块调为无失真传输状态，用视频线连接摄像头和1 310nm光发模块的输入端口，用视频线连接1 310nm光收模块的模拟输出接口和视频采集卡；打开系统电源及计算机，打开光电跟踪软件，监视器上会显示摄像头传输的视频信号；再调节1 310nm光接收模块的RP106、RP108，将图像质量调整到最佳，用鼠标框选要跟踪的目标；然后点击跟踪按钮，开始目标的自动跟踪，自动跟踪开始后，计算机按照跟踪软件的算法控制云台进行俯仰和转动，最终使目标到达摄像机的视场中心处，如图3所示。图4中上信号为CH1信道中光接收模块的输出的视频信号波形，下信号为CH2信道中CCD摄像机的输出信号（也是调制输入端信号）。

图2 光电跟踪软件流程图

图3 目标自动跟踪

图4 CCD输出及光接收模块输出的视频信号波形

可见，解调之后的信号的频率、幅度、波形与输入信号保持一致，实现了视频信号光纤通信的保真，且整个系统的跟踪效果良好，系统能够自动使目标保持在摄像机视场的中心处。

5 结束语

以上实验结果表明，利用技术成熟的外设，配合国产性价比较高的实验箱能够搭建光电跟踪实验系统，而且学生通过对该实验系统操作能较好地把光纤通信、光电跟踪的原理和实践联系起来，更直观地了解光纤信息传输及光电跟踪的相关知识及过程。使用普通CCD摄像机、国产数字云台、光纤通信实验箱等高性价比的实验装置进行功能集成，大大降低了整个实验系统的成本［12］。该实验系统的FPGA芯片功能扩展方便，可以实现VHDL编程，对输入的图像信号进行处理后输出等功能；而且随着光端机的普及，也可用光端机替代实验箱进行图像信号的光纤传输［13］，此外对于光电跟踪的算法也可以不断完善和更新，从而进一步提高实验的新颖性和扩展性。

（References）

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［4］林琳，王加贤，凌朝东.四路视频和音频信号的光纤传输系统设计［J］.华侨大学学报：自然科学版，2011（1）：35-38.

［5］陈昕.数字光纤通信系统中光收发模块的设计与研究［D］.西安：西安理工大学，2009.

［6］刘佳，孙立.基于FPGA的视频信号数字化光纤传输实验接收装置的设计与实现［J］.物理实验，2011（7）：17-20.

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［12］胡君亮.低成本光纤通信实验设计和制作［J］.物理教师，2005（8）：30.

［13］周建华.光纤通信综合性实验探索［J］.实验科学与技术，2005（增刊1）：53-54.

Design of one experimental system for photoelectric tracking based on optical fiber communication

Zhang Kai1，Zhou Quan1，2，Chen Yubao1，2，Shao Li1，2，He Wei2
（1.State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology，Hefei 230037，China；2.Electronic Engineering Institute of PLA，Hefei 230037，China）

The design and realization of one experimental system for the photoelectric tracking based on the optical fiber communication are introduced.The modular design is used for the system，where each module using the high cost-effective independent experimental device is integrated.The basic principle of optical fiber communication，optoelectronic tracking and the experimental hardware composition of the system are introduced.Meanwhile the experimental results of the system are tested and analyzed.The students’learning interest can be effectively stimulated，and their knowledge can be expanded as well as their practical and innovative ability can be improved by the optical fiber communication experiment based on this system.Finally the further improvement of the experimental system is prospective.

optical fiber communication；optoelectric tracking；CCD camera；digital platform

TN929.11-33

A

1002-4956（2013）03-0070-04

2012-06-29 修改日期：2012-09-05

军队2110实验室建设1、2期

张恺（1982—），男，上海，硕士，助教，从事军用光电子学及光电对抗的教学和科研工作.

E-mail：kzhang＠aiofm.ac.cn