激光光束質(zhì)量測(cè)量的快速調(diào)光算法研究

吳巖++戴淖敏++田苗苗

摘要：在CCD法激光光束質(zhì)量測(cè)量中，為了保證測(cè)量精度，需要在每一次采集激光光斑圖像前進(jìn)行調(diào)光，使得采集到的圖像中光斑亮度處于理想亮度區(qū)間。現(xiàn)有的調(diào)光方法主要是通過測(cè)光、調(diào)光補(bǔ)償方式實(shí)現(xiàn)的，調(diào)光速度較慢，致使整個(gè)測(cè)量過程耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)。為解決此問題，提出一種快速調(diào)光算法：根據(jù)已經(jīng)完成的采樣點(diǎn)的光斑大小計(jì)算光束的空間方程，結(jié)合當(dāng)前采樣點(diǎn)光斑的最高亮度預(yù)測(cè)該調(diào)光參數(shù)下下一個(gè)采樣點(diǎn)的最高亮度，并對(duì)調(diào)光參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于每一個(gè)采樣點(diǎn)，可以將平均調(diào)光時(shí)間從現(xiàn)有方法的3.64s降低到1.77s。能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)調(diào)光，并有效的提升測(cè)量速度。

關(guān)鍵詞：激光光束質(zhì)量 CCD測(cè)量法 快速調(diào)光 亮度預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)： TN241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)1672-3791（2015）01（c）-0000-00

隨著激光技術(shù)在軍事和民用各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)激光光束質(zhì)量的測(cè)量成為了國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)。CCD測(cè)量法在測(cè)量激光光束質(zhì)量時(shí)，需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的濾波片和相機(jī)的曝光時(shí)間的大小，使得CCD工作在其線性區(qū)間內(nèi)，確保得到亮度理想的光斑圖像。現(xiàn)有的調(diào)光主要通過對(duì)當(dāng)前采樣點(diǎn)進(jìn)行不斷地測(cè)光、調(diào)光補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ敝吝_(dá)到理想調(diào)光效果，但調(diào)光速度較慢。為了進(jìn)一步提高激光光束質(zhì)量測(cè)量速度，根據(jù)激光空間傳輸特性，提出一種快速調(diào)光算法：通過提前預(yù)測(cè)下一采樣點(diǎn)的光斑強(qiáng)度，快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中性濾波片和曝光時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)光。

1 CCD測(cè)量法

激光光束在空間中的傳播方程是符合雙曲線分布的。CCD測(cè)量法的原理如圖1所示。通過安裝在可控移動(dòng)平臺(tái)上的CCD探測(cè)器，在激光光束不同空間位置采集光束截面的光斑圖像，通過圖像處理的方法得到每一個(gè)采樣點(diǎn)的光斑大小，從而確定激光光束的空間方程，計(jì)算得到激光光束質(zhì)量、發(fā)散角大小、束腰寬度和束腰位置等重要參數(shù)[1]。

圖1 CCD測(cè)量法示意圖

2 快速調(diào)光算法

在激光光束質(zhì)量測(cè)量中，調(diào)光是必不可少的過程，同時(shí)也消耗了很大一部分時(shí)間。本文提出一種基于對(duì)光斑最高亮度提前預(yù)測(cè)并調(diào)節(jié)調(diào)光參數(shù)的快速算法。此算法可以有效的減少每次調(diào)光消耗的時(shí)間并且可以在CCD向下一個(gè)采樣點(diǎn)移動(dòng)的過程中完成，從而實(shí)現(xiàn)快速調(diào)光。

2.1光斑亮度預(yù)測(cè)

（1）首先，預(yù)測(cè)下一采樣點(diǎn)的光斑大小。在激光光束質(zhì)量測(cè)量中，需要計(jì)算每一個(gè)采樣點(diǎn)位置的束寬。本算法中光斑大小的預(yù)測(cè)是根據(jù)已知的采樣點(diǎn)的束寬，確定光束傳播方程，根據(jù)傳播方程預(yù)測(cè)任意位置的光斑大小[2]。高斯激光光束在空間中傳播的雙曲線方程可以表示為：

（2.1）

式中， 為采樣點(diǎn)激光束寬； 采樣點(diǎn)的空間位置； 、 、 為雙曲線方程系數(shù)。在已知三個(gè)以上采樣點(diǎn)的激光束寬 和空間位置 之后，就可以通過最小二乘法擬合確定該雙曲線方程。因此，對(duì)于下一采樣點(diǎn)位置 處的束寬為：

（2.2）

（2）其次，根據(jù)采樣點(diǎn)的束寬預(yù)測(cè)光斑最高亮度。高斯光束橫截面的光強(qiáng)是符合高斯分布的[3]。其表達(dá)式為：

（2.3）

式中， 為光斑中心的最大光強(qiáng)， 為到中心距離 處的光強(qiáng)， 為束寬。因此得到光斑的總強(qiáng)度的表達(dá)式為：

（2.4）

上式通過光斑中心光強(qiáng)和光斑大小表示光斑的總強(qiáng)度。

在測(cè)量?jī)x暗箱內(nèi)部較短的光程內(nèi)我們認(rèn)為激光能量沒有衰減，總強(qiáng)度保持不變，由此可以得到下一采樣點(diǎn)光斑中心強(qiáng)度，即：

（2.5）

（2.6）

其中， 為下一采樣點(diǎn)的光斑總強(qiáng)度， 為已知采樣點(diǎn)的光斑總強(qiáng)度， 為下一采樣點(diǎn)光斑中心強(qiáng)度， 為已知采樣點(diǎn)的光斑中心強(qiáng)度， 與 分別為下一采樣點(diǎn)與已知采樣點(diǎn)的光斑大小。

在系統(tǒng)中性濾波片衰減大小與相機(jī)曝光時(shí)間保持不變的情況下，根據(jù)公式（2.2）和公式（2.6），可以得到預(yù)測(cè)的下一采樣點(diǎn)圖像光斑最高亮度 ，表達(dá)式為：

（2.7）

式中， 為預(yù)測(cè)的下一采樣點(diǎn)最高亮度， 為已知采樣點(diǎn)的最高亮度。

通過上述過程，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)下一采樣點(diǎn)光斑最高亮度預(yù)測(cè)，對(duì)下一采樣點(diǎn)有了一定的先驗(yàn)認(rèn)識(shí)，結(jié)合 與當(dāng)前的衰減和曝光時(shí)間，計(jì)算調(diào)光參數(shù)的修改量，在CCD向下一個(gè)采樣點(diǎn)移動(dòng)的過程中完成調(diào)光，減少調(diào)光消耗的時(shí)間。

2.2調(diào)光參數(shù)調(diào)節(jié)

通常來講，我們將相機(jī)最高亮度的10%～90%之間的區(qū)間看作其線性區(qū)間，對(duì)于一個(gè)8位相機(jī)而言，這個(gè)區(qū)間為25～230。為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要使光斑的最高亮度 處于線性區(qū)間內(nèi)并盡量接近區(qū)間的最大值，因此，我們認(rèn)為當(dāng) 滿足式（2.8）時(shí)，即：

（2.8）

圖像處于理想調(diào)光狀態(tài)。

當(dāng)激光通過中性濾波片時(shí)，激光輸入功率和輸出功率滿足：

（2.9）

式中， 為中性濾波片衰減大小， 為濾波片的激光輸入功率， 為濾波片的激光輸出功率。光斑圖像的最高亮度正比于相機(jī)的積分時(shí)間和入射到CCD像面的激光功率，其表達(dá)式為[4]：

（2.10）

其中， 為曝光時(shí)間， 為固定轉(zhuǎn)換系數(shù)， 為到達(dá)CCD的激光功率， 為激光器發(fā)出的激光功率。因此，定義衰減系數(shù) 表示系統(tǒng)調(diào)光參數(shù)，表達(dá)式為：

（2.11）

在調(diào)光參數(shù)計(jì)算的過程中，選取理想亮度區(qū)間的中值215作為理想亮度 。在前文中已經(jīng)計(jì)算得到在調(diào)光參數(shù)為 時(shí)下一個(gè)采樣點(diǎn)的預(yù)測(cè)最高亮度 ，根據(jù)公式（2.10）和公式（2.11）可以得到預(yù)測(cè)調(diào)光參數(shù) 使圖像達(dá)到理想亮度，表達(dá)式為：

（2.12）

通過調(diào)節(jié)CCD的曝光時(shí)間和濾波片衰減大小使調(diào)光系數(shù)達(dá)到 。本文中算法將相機(jī)的曝光時(shí)間作為調(diào)光的先決條件，即在曝光時(shí)間的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，優(yōu)先調(diào)節(jié)曝光時(shí)間，當(dāng)單獨(dú)調(diào)節(jié)曝光時(shí)間無法達(dá)到 時(shí)，再調(diào)節(jié)中性濾波片。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證快速調(diào)光算法的準(zhǔn)確性以及速度提升效果，筆者進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，均獲得了良好的調(diào)光效果。以測(cè)量波長(zhǎng)為532nm的激光器光束質(zhì)量為例，分別采用快速調(diào)光算法和測(cè)光補(bǔ)償法進(jìn)行調(diào)光，測(cè)量過程中采樣點(diǎn)數(shù)量都為21個(gè)，每個(gè)采樣點(diǎn)圖像光斑的最高亮度如圖2所示：

圖2 光斑最高亮度對(duì)比圖

兩種調(diào)光方法在每個(gè)采樣點(diǎn)的調(diào)光所消耗的時(shí)間如圖3所示：

圖3調(diào)光時(shí)間對(duì)比圖

由圖2可以看出，快速調(diào)光算法與現(xiàn)有的測(cè)光補(bǔ)償法都能夠?qū)崿F(xiàn)很好的調(diào)光效果，均能使圖像中光斑的最高亮度處于200到230之間，調(diào)光效果相接近，驗(yàn)證了快速調(diào)光算法的準(zhǔn)確性和可行性。對(duì)比圖3中兩條曲線可以看出，文中的快速調(diào)光算法調(diào)光消耗的時(shí)間相對(duì)減少很多，對(duì)于每個(gè)采樣點(diǎn)，調(diào)光過程的平均耗時(shí)由3.64s降低為1.77s，驗(yàn)證了快速調(diào)光算法對(duì)調(diào)光速度提升的有效性，調(diào)光時(shí)間減少了51.4%。

4 結(jié)論

本文提出的激光光束質(zhì)量測(cè)量的快速調(diào)光算法是充分利用激光光束在空間中的傳輸特性和光束截面光斑強(qiáng)度分布規(guī)律等條件，結(jié)合已知采樣點(diǎn)圖像信息對(duì)下一采樣點(diǎn)的光斑最高亮度進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)這一預(yù)測(cè)值對(duì)調(diào)光參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少調(diào)光時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該算法不僅能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)調(diào)光，使CCD采集的圖像處于理想亮度區(qū)間，并且能夠提高調(diào)光速度，加速效果較為明顯。由于該調(diào)光方法可以使調(diào)光過程在CCD向下一個(gè)采樣點(diǎn)移動(dòng)的過程中完成，因此，能夠更大程度的減少這個(gè)測(cè)量過程消耗的時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

[1]王彩霞.嵌入式激光光束質(zhì)量分析系統(tǒng)的研究.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2009

[2]景文博，姜會(huì)林，王曉曼，等.正規(guī)方程組求解激光束質(zhì)量M2因子方法的研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2009，9（5）：477-478.

[3]O.A.Grebenshchikov，V.B.ZalesskiiandV.V.Naumov.Dual-beam laseranalyzer for inhomogeneitiesinactiveregionsofmultielementPhotodetectors.JournalofApplied Spectroscopy.2006，73（2）：313-316

[4] 梁佳毅.高性能數(shù)碼相機(jī)自動(dòng)曝光算法研究與實(shí)現(xiàn).上海：復(fù)旦大學(xué)，2008