卫星光通信中基于FPGA的光束精瞄控制算法研究

摘要 .......................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................ II 第1章绪论 .. (1)

1.1课题研究的意义 (1)

1.2国内外卫星光通信的研究进展 (1)

1.2.1 国外卫星光通信的研究进展 (2)

1.2.2 国内卫星光通信的研究进展 (3)

1.3卫星光通信图像处理算法的发展现状 (3)

1.4卫星光通信精瞄控制算法的发展现状 (4)

1.5本文的主要研究内容 (5)

第2章改进的自适应阈值算法的理论研究与MATLAB仿真 (6)

2.1引言 (6)

2.2改进的自适应阈值算法 (6)

2.3自适应阈值算法M ATLAB仿真与验证 (15)

2.3.1最大类间方差法算法流程图 (15)

2.3.2改进自适应阈值算法流程图 (16)

2.3.3固定阈值法、最大类间方差法和改进自适应阈值算法效果比较 (17)

2.4本章小结 (21)

第3章数字比例积分微分控制算法的理论研究 (22)

3.1引言 (22)

3.2控制系统 (22)

3.2.1 开环控制系统 (23)

3.2.1 闭环控制系统 (23)

3.3数字控制算法 (24)

3.3.1 控制原理 (24)

3.3.2 模拟比例积分微分控制 (25)

3.3.3 数字比例积分微分控制 (26)

3.4本章小结 (28)

第4章自适应阈值算法的FPGA实现 (29)

4.1引言 (29)

4.2工作环境 (30)

4.3算法流程图 (30)

4.4各模块的实现分析 (32)

4.4.1 图像信息读入模块 (32)

4.4.2 排序模块 (35)

4.4.3 二值化模块 (37)

4.4.4 质心计算模块 (38)

4.5实验测试 (40)

4.6本章小结 (41)

第5章数字比例积分微分算法的FPGA实现 (43)

5.1引言 (43)

5.2工作环境 (43)

5.3算法流程图 (45)

5.4各模块的实现分析 (46)

5.4.1 SPI接收期望值模块 (46)

5.4.2 ADC模块 (47)

5.4.3 算法模块 (50)

5.4.4 DAC模块 (51)

5.5实验测试 (52)

5.6本章小结 (54)

结论 (55)

参考文献 (56)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (59)

致谢 (60)

附录一 (61)

附录二 (68)

哈尔滨工业大学硕士学位论文

第1章绪论

1.1 课题研究的意义

卫星光通信终端的研制与空间实验的成功标志着人们走进了具有超宽频段、高速大容量的数据通信时代。相比较于频段不超过300GHz的微波通信方式[1]，激光载体束宽窄，具有有效避免信号干扰和信息外泄的优点，将会不断地激励人们对卫星光通信系统进行功能上的升级与维护。

只有首先将终端功能实现并且确定具备实用性，之后的一切改进才具有意义。当整个研制与试验过程完成之后，便可以开展一些改进设计的升级工作，以期达到更加优良的表现。

本文在卫星光通信终端的改进与升级的背景下，寻求更加适应各种光斑环境的光束精瞄控制算法。光束精瞄控制算法按流程可以分为图像处理算法与数字控制算法。

图像预处理过程的核心是自适应阈值算法。自适应阈值算法相比较于现系统使用的固定阈值算法，具有更强的鲁棒性。适用于多种光斑环境下，不需要在每次系统工作时都去确定合适的图像分割阈值。虽然在运算速度指标上较固定阈值算法有所差距，但是与精度指标的提升相比，是完全可以忽略的。本文提出了结合经典阈值法精髓的改进的自适应阈值法，并使用FPGA实现算法。使用FPGA实现该算法之后，可以优化掉现系统中进行图像处理工作的DSP，不仅避免了光收发器件FPGA与其之间的数据传输错误问题，还可以降低板级功耗，一举多得。

使用运算放大器、电阻和电容完成模拟控制。由于卫星光通信系统工作环境的特殊性，这些元器件的升级更换需要经过很长时间的流程，这就拉长了光通信终端的升级时间。但是使用逻辑器件进行数字控制算法的运算可以大大缩短系统更新升级与调试的周期。本文在对控制算法深入认识之后找到一种适合本系统的方式，使用FPGA将之实现。使用FPGA实现该算法之后，可以优化掉现系统中的模拟控制器，减少模拟器件在辐射环境下可能出现的损毁失效等问题发生的可能性，也可以降低板级功耗。

1.2 国内外卫星光通信的研究进展

早在1945年，Arthur Clarke在《无线电世界》上发表的文章中就提出了