基于图像EKF跟踪的水下激光通信APT方法_张美燕.pdf

第 卷 第 期 年 月传 感 技 术 学 报 .项目来源：浙江省自然科学基金项目（，）；国家自然科学基金项目（，）收稿日期：修改日期：，（，；，）：，（），：；（，）；：基于图像 跟踪的水下激光通信 方法张美燕，吴培鹏，王志强，蔡文郁（浙江水利水电学院电气工程学院，浙江杭州；杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州）摘 要：针对水下激光通信的自动对准问题，提出了一种基于图像扩展卡尔曼滤波器（，）跟踪的 方法。通过水下相机获取激光光斑图像，利用 算子和 圆变换对激光光斑实现精确定位。根据相机标定原理建立 对准的像素坐标转换模型，利用目标定位数据的滤波处理获取较为稳定的水下激光通信对准效果。水下实际测试结果证明，所提方法可以提高目标对准的速度和准确性，适用于近距离水下激光通信领域。关键词：水下激光通信；（，）；圆变换；扩展卡尔曼滤波中图分类号：文献标识码：文章编号：（）现有水声通信、水下磁通信和水下光学通信等水下无线通信技术中，得益于激光的高亮度、强指向性、非相干性等优点，水下激光通信具有高通信速率、中远通信距离、高保密性、小型化等优点，在水下数据通信等领域应用非常广泛。在水下激光通信系统的研制过程中，由于水下湍流，气泡以及生物的干扰，激光在传输过程中会发生偏移无法到达接收端。为解决上述问题，需要设计一种水下（，）系统用于水下激光通信接收端跟踪捕获激光光束，从而建立稳定的激光通信传输链路，保障通信系统能够正常运行。现有的 对准技术主要分为三类：基于光电二级管的 方案、基于高精度 位置传感器的 方案、基于图像识别的 方案。单鑫利用光电二极管阵列，通过计算光斑位置并 结 合 到 达 角 度 测 距 算 法（：）计算出入射激光的相对方位与角度，从而实现对激光光源的定位，该方案需要通过复杂光学镜组辅助，能够实现近距离的目标检测，但检测精度偏低，仅在近距离的情况下能够实现较好的对准效果且成本偏高。刘好伟使用一个光电位置探测器（，）代替原来的粗跟踪和精跟踪探测器，将粗跟踪系统和精跟踪系统合二为一，通过边缘阈值判断归心算法和全局路径规划归心算法，使得视场达到 ，光斑位置的检测精度均优于 量级，基于高精度 位置传感器的检测方案可以准确跟踪激光点的位传 感 技 术 学 报第 卷置，但由于 传感器感光位置不大，而且激光在水下传输过程中由于水质造成的散射，存在准直光束被放大的情况。因此如果在激光光斑大面积照射 感光面的情况下，传感器将无法实现对激光光束的定位。刘晓峰等提出一种基于摄像头的自动初始化相关滤波算法并实现了光斑长期跟踪方法，引入 预测模型对目标位置进行建模，在目标发生严重遮挡后根据历史目标的位置信息对目标的位置进行最优估计。郑祖想等针对目前成熟的 系统难以直接应用于水下激光通信中，提出了基于水下激光光斑检测的对准方法。上述方案需要利用复杂的算法以及高性能硬件的支持，并且很难在一些低性能的嵌入式平台上运行，无法在经济型的水下激光通信平台上推广。综上所述，本文提出一种基于水下摄像机进行水下激光收发端对准的方案，具有算法复杂度低、实时度高、高精度、较宽对准范围等特点，适用于经济型的水下激光通信系统。图 水下环境干扰示意 系统架构水下激光通信系统如图 所示，水下激光通信系统网络节点主要由固定方向数据采集节点、可调方向数据汇总节点和数据中心构成。固定方向数据采集节点作为数据采集端分布在其所处可调方向数据汇总节点的通信覆盖范围内，每隔一段时间将其所采集的数据通过激光信号传递给可调方向数据汇总节点。在水下激光通信系统的研制过程中，由于水下湍流，气泡以及生物的干扰，非常容易使得通信发射端发射的激光发生偏移无法到达接收端，如图 所示。图 水下激光通信系统基于上述问题，本文提出了一种基于图像扩展卡尔曼滤波（，）跟踪技术的激光 方法，将激光通信接收机安装在可调节方向的两自由度云台上，使得通信接收端能够在一定半径的半球面上运动；在水下通信过程中，接收端实时检测发射端的激光光斑成像并通过云台调整接收端位置使得通信的收发端始终处于激光传输的光路位置上，为水下激光通信提供稳定的无线链路。基于图像 跟踪的激光 方法由于激光光束在水下传播过程中受到水泡，湍流等影响，会一定程度上造成光斑的畸变，对边缘提取的效果会有较大的影响，从而导致进行圆度特征检测时，对光斑的定位发生一定的随机偏移问题。针对此问题，本文引入扩展卡尔曼滤波器（，）以解决由于水下随机噪声而引起的定位随机偏移问题。图 算法流程图 算法流程图如图 所示，首先进行程序初始化，设置，控制器，以及算法参数等；初始化完成后程序控制水下相机拍摄光斑图像，并对图像进行灰度化处理，得到灰度化图像；利用 算子对灰度图进行边缘提取，从而获得激光光斑的轮廓信息，并对光斑轮廓进行圆度特征检测以获得圆形光斑的位置；如果检测到图像中有光斑信息存在，则输出原始检测位置，否则输出上一时刻检测的光斑位置给 滤波器，以防止云台控制误动作。数据经 滤波后输出贴近光斑真实中心的定位数第 期张美燕，吴培鹏等：基于图像 跟踪的水下激光通信 方法 据，将此数据输入 控制器驱动接收端云台旋转，从而调整激光接收端的位置，最终完成激光接收端与激光发射端通信对准过程的闭环控制。激光光斑特征提取与圆度处理算法利用图像处理方法进行水下激光对准时，首先要对激光成像光斑进行捕获。但是由于激光在水下传输时，受水下湍流、气泡等因素影响，会产生一定程度的畸变。图 展示的是水下激光成像的原始图片，可以发现水下光斑成像会产生不规则等畸变状态。图 水下激光光斑成像图获取激光光斑图像后，需要对图像进行边缘提取以获得光斑成像的轮廓用于后续的光斑定位，因此需要对原始的 三色彩色图像做灰度化处理，灰度化处理的公式如式（）所示，其中、分别表示图像某像素点的 三通道数值，表示该点的灰度值。（）图 所示为经过灰度处理后的光斑成像图，可见激光成像光斑还存在着明显的发散情况。图 光斑成像灰度图图像的边缘提取主要通过梯度算子对图像做卷积和运算得到，梯度算子在信噪比，定位精度，边缘响应等方面均有优势，因此选择 算子实现光斑边缘提取。梯度算子使用的高斯滤波的卷积核如式（）所示：（）图 展示了利用 梯度算子对灰度图进行边缘提取的效果。图 边缘提取效果图经过 算子后，可以得到光斑的边缘轮廓，再通过 圆变换就可以获得图像光斑的原始位置信息。图 展示了通过 圆变换后激光光斑的定位效果。图 圆变换定位效果图 基于 的光斑目标跟踪算法在对光斑目标进行跟踪时，需要不间断地采集光斑图像，但是中间也会产生光斑位置抖动的情况。本文采用 进行平滑滤波，从而降低光斑位置抖动带来的干扰。由于水下相机所处的三维坐标系与成像坐标系不一致，首先需要对激光光斑在三维空间中的坐标（世界坐标）与在成像位置（像素坐标）进行转化，如图 所示。假设激光发射端的世界坐标固定为（，），与激光接收端距离固定为，激光光斑的世界坐标系与像素坐标系的转换公式如式（）所示。其中（，）为世界坐标系，（，）为相机坐标系，（，）为图像坐标系，（，）为像素坐标系。（）传 感 技 术 学 报第 卷式中：，是光斑中心在空间坐标系下的坐标，是激光光斑中心在相机坐标系下 轴的坐标值，为图像单个像素在图像坐标系下的尺寸，为图像坐标系原点在像素坐标系下的坐标。假设水下相机的分辨率为，那么，分别取值为 与，为相机焦距；，分别为世界坐标系的旋转矩阵以及偏移向量。图 坐标系转化假设前一时刻云台的水平和垂直角度分别为和，相机运动球面半径为，当水平运动方向和垂直运动方向云台变化角度分别为 和 时，世界坐标系中绕着 轴旋转的角度如式（）所示：（）（）（）因此，旋转矩阵 及偏移向量 可设为式（）所示：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）将式（）与式（）合并简化为式（），为当前时刻坐标转换模型推算出来的光斑像素坐标：（，）（，）（，）（）根据坐标转换式（），滤波器的系统状态方程设定如式（）所示。其中，表示当前时刻激光光斑在图像中 轴的像素位置，对应当前时刻激光光斑在图像中 轴的像素位置，两者共同构成状态向量、，、，、，分别表示上一时刻光斑中心位在三维空间中由于水下环境造成其坐标变化的噪声值，三者共同构成偏移噪声向量，设（，），为噪声状态矩阵，根据实际测量取 ，单位为像素。，（，）（，）（，），（）卡尔曼滤波器的观测方程如式（）所示，表示当前时刻对准目标在图像中的位置，表示当前时刻的测量噪声矩阵，（，），测量取 ，单位为像素。，（）通过检测得到对准目标的第一个坐标值作为卡尔曼滤波器中 的初始值，并按照下列卡尔曼滤波器的计算流程进行迭代计算：第 期张美燕，吴培鹏等：基于图像 跟踪的水下激光通信 方法 计算先验估计：计算先验误差协方差矩阵：计算增益系数：（）计算后验估计：（，）更新误差协方差矩阵：其中，为 对（，）向量求偏导所得的雅克比矩阵，为 对移噪声向量 求偏导所得的雅克比矩阵；为 对向量（，）求偏导所得的雅克比矩阵，为 对移噪声向量 求偏导所得的雅克比矩阵。通过扩展卡尔曼滤波获得光斑对准目标位置，可以改善对准目标在图像中的光圈位置因噪声干扰、形状畸变和误识别造成的位置抖动与位置错误等情况。基于 的对准控制算法 控制算法的主要作用是通过检测控制输出量，反馈调整控制输入量以达到快速消除系统误差，保持系统稳定的目的；由于舵机的运动是匀速的，因此在水下激光通信 云台上运用 控制算法主要目的是当器械结构磨损或舵机老化，导致舵机偏离指定位置时，云台能够通过 算法反馈检测来调整输入量，使得舵机仍能精确到达指定位置。通过 滤波器输出的光斑成像位置数据，再输入 控制器控制云台移动使得光斑成像在图像中央。控 制 器 的 参 数（，）整 定 通 过 整定法设置，首先取较小的线性增益 值，并投入闭环运行；将 由小变大，直至系统阶跃响应产生振荡，此时相邻两个波峰间的距离称为临界振荡周期，的值为；将经验值参数输入调节器后再次运行调节系统，观察过程变化情况。具体参数值如表 所示。表 参数经验值控制器 实际测试中取值分别为 ，控制器的效果如图 所示：图 测试场景图 控制效果图 实验与结果水下激光通信 功能测试平台与测试环境如图 所示，云台硬件系统内置于水密舱内，水密舱与两自由度云台固定，接收端与发射端距离为 ，水下激光通信接收端通过发射端的激光光斑成像位置来调整水下激光通信对准云台的位置。传 感 技 术 学 报第 卷测试时所拍摄到的像素大小是 ，因此设定图像中心点（，）为对准点，当光斑成像在图像中心时，视为 系统完成对准。系统对准过程中实测光斑运动轨迹如图 所示，图（）展示了无 时 控制云台转动，激光光斑在图像中移动的轨迹抓拍图。可见水流运动造成了激光光斑发生一定程度的畸变，对光斑位置的精确定位会产生一定的干扰，光斑在图像中移动的轨迹和光斑初始位置与目标位置间的连线偏离较大。与不加 的光斑运行图相比，图（）显示了引入 后 控制云台移动过程中光斑所产生的轨迹路线，该轨迹与光斑初始位置与目标位置间的连接直线更逼近。将上述测试过程中的光斑位置信息记录绘制成如图 所示的光斑运动轨迹图，可以直观对比 算法在 对准控制中的效果。如图 所示，直接使用 算法控制的光斑移动轨迹抖动较大，在终点位置出现反复横跳等现象；添加 处理方法的光斑移动轨迹较为平滑，在终点位置附近小范围抖动后趋向收敛。图 对准光斑运动轨迹对比图图 对准轨迹对比图第 期张美燕，吴培鹏等：基于图像 跟踪的水下激光通信 方法 为了更加清晰地显示本文提出的 方法效果，将光斑的运动轨迹拆分成、两个维度单独比较。控制系统控制云台转动过程中，光斑在图像中的移动轨迹映射在 轴与 轴上的变化情况如图 所示，横坐标为响应时间，纵坐标为光斑当前位置与图像中心点（，）坐标的差值。图 的对比结果显示，算法处理的 控制系统，控制云台移动更加平滑稳定，光斑能够快速移动至图像中心点，因此可以辅助水下激光通信系统进行精确对准。图 轨迹响应对比图 结语针对水下激光通信的对准问题，本文研究了基于 算子和 圆变换原理实现对激光光斑定位的方法。同时针对水下光斑畸变造成的定位不准问题，采