基于FPGA的激光無(wú)線(xiàn)通信精跟蹤系統

0 引 言
以大氣作為傳輸介質(zhì)，激光作為信息載體進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信時(shí)，空一地激光無(wú)線(xiàn)通信是激光無(wú)線(xiàn)通信的一種常見(jiàn)形式，信標光的準確捕獲、瞄準與跟蹤(Acquisition，Pointing and Tracking，APT)是其關(guān)鍵技術(shù)，APT系統主要用于建立和維持激光通信鏈路，是進(jìn)行激光無(wú)線(xiàn)通信的關(guān)鍵技術(shù)。由于激光光束窄、發(fā)散角小，在大氣傳輸過(guò)程中存在大氣散射、折射、湍流等現象，再加上激光通信平臺的振動(dòng)等因素，會(huì )造成激光光束偏離目標，使得瞄準、捕獲和跟蹤技術(shù)問(wèn)題變得十分突出。
APT系統分為粗跟蹤系統和精跟蹤系統。粗跟蹤系統主要負責完成信標光的初始時(shí)期的大范圍掃描和捕獲，引導信標光光斑進(jìn)入精跟蹤視場(chǎng)，跟蹤精度和帶寬較低；精跟蹤系統主要負責完成信標光的精確跟蹤和鎖定，國內外已進(jìn)行了有關(guān)精跟蹤的不少研究，它所要求的跟蹤精度和帶寬較高，它的精度和帶寬決定了整個(gè)APT系統的精度和帶寬，同時(shí)它的另一個(gè)主要功能是克服因大氣擾動(dòng)和平臺振動(dòng)造成的信標光光斑抖動(dòng)，維持穩定的激光通信鏈路。針對目前激光無(wú)線(xiàn)通信所要用到的關(guān)鍵技術(shù)，和空一地激光無(wú)線(xiàn)通信終端應具有集成度高、功耗低、體積小和重量輕等一系列特點(diǎn)，本文設計了一種以FPGA作為控制芯片的精跟蹤系統。

1 系統組成及功能概述
以Altera公司的Cyclone系列FPGA為控制核心的雙FPGA系統，一塊用于控制高幀頻相機，并將圖像數據通過(guò)基于1394協(xié)議接口的傳輸線(xiàn)傳輸到另一塊FPGA，在第二塊FPGA中進(jìn)行光斑坐標提取和完成跟蹤算法，系統使用一款基于Cameralink接口的高幀頻CMOS相機作為圖像傳感器采集信標光光斑，以高速數／模轉換芯片DAC712P、雙通道PZT控制器和高精度PZT振鏡用于構成光路偏轉控制系統。PC機用于設定相機工作參數，與FPGA板間數據通信采用Cy-press公司提供的支持USB 2．0協(xié)議的CY7C68013芯片。
如圖1所示為系統的組成框圖，在終端設備中，由光學(xué)天線(xiàn)接收到的信標光經(jīng)過(guò)高幀頻CMOS相機轉換為灰度圖像，FPGA工將灰度圖像數據由Cameralink接口接收后，經(jīng)過(guò)重新組合，然后通過(guò)基于1394協(xié)議的接口芯片轉換為串行差分信號發(fā)送至圖象處理板，板上的FPGAⅡ把圖像數據接收后放入其內部的一級緩存RAM中，再從一級緩存中取出數據通過(guò)乒乓操作將其存放到其外部的二級緩存PSRAM陣列中，然后FPGAⅡ把圖像數據從PSRAM陣列中取出，采用質(zhì)心算法計算光斑中心坐標，并把圖像數據通過(guò)USB接口控制模塊發(fā)送到PC機進(jìn)行顯示，便于用戶(hù)實(shí)時(shí)監測。同時(shí)把計算出的光斑中心坐標根據PID跟蹤算法計算出偏置調節量，通過(guò)數模轉換芯片DAC712P轉換為模擬信號后經(jīng)過(guò)PZT控制器實(shí)現信號放大，最后使PZT振鏡在兩路實(shí)時(shí)程控電壓的控制下進(jìn)行相應的二維偏轉，實(shí)現對因大氣湍流等因素造成的接收光束的抖動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補償，達到穩定接收光斑中心位置，維持穩定的激光通信鏈路目的。

2 系統硬件部分設計
2．1 光斑采集及處理部分
光斑采集及處理部分主要由高幀頻CMOS相機MV-D1024E和對其進(jìn)行控制的FPGA組成。采用的兩塊FPGA均是Altera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8，具有5 980個(gè)邏輯單元，120 000個(gè)典型門(mén)資源和185個(gè)可編程I／O口，最高工作時(shí)鐘可達300 MHz以上，核心供電電壓為1．5 V，I／O供電電壓3．3 V，通過(guò)JTAG實(shí)現系統配置。配置芯片EPC4串行ROM容量約為4 MB，可重復編程50次左右，JTAG接口符合IEEE Std．1149．1標準。