激光光束質量測量過程中的CCD噪聲影響分析

張汝平，景文博，王曉曼

（1.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

激光光束質量測量過程中的CCD噪聲影響分析

張汝平1，景文博2，王曉曼1

（1.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

在激光光束質量的測量過程中，由于CCD的噪聲影響以及環境背景噪聲的影響，對光斑圖像帶來一定的影響，從而影響光束質量的測量精度。為此，主要分析了CCD的各種噪聲影響，然后提出了針對不同噪聲的圖像處理算法，實驗數據表明該圖像處理方法有效地減少噪聲對光束質量測量帶來的影響，可得到更為真實可靠的激光光斑能量分布，對于后續地評價激光光束質量具有重要的借鑒意義。

面陣CCD；噪聲；閾值；光束質量

激光的光束質量是衡量激光光束優劣的一項重要指標，也是激光應用中最為關注的一項性能指標，并且激光光束質量的測量與評價也是激光光學領域內研究的重要課題［1］，占據著舉足輕重的地位，目前國內外對此展開了深入的研究。隨著對激光光束質量件CCD以其功耗小、噪聲低、實時性好、測量參數精度要求的不斷提高，電荷耦合器靈敏度高及動態范圍廣等諸多優點已被廣泛地應用［2］。但是對于CCD本身的一些缺點，例如CCD的噪聲特性以及非線性特性等，對激光光束參數的測量帶來一定的影響，影響激光束的相關性能指標的評價。

1 CCD的噪聲特性分析

基于焦散測量法的CCD面陣探測器在測量的過程中不可避免的受到噪聲的影響，從激光光束傳輸理論分析可以得知，激光光束質量的測量精度與光斑束寬息息相關，光斑束寬的測量又依賴于激光光斑質心探測的精度［3］，但是光斑束寬的測量過程又會受到CCD噪聲特性的影響，主要來自于以下幾個方面：CCD的離散和不完全采樣誤差、光子噪聲誤差和讀出噪聲誤差與CCD的背景噪聲誤差等［4］。

（1）由于CCD的離散和不完全采樣方式所獲得的激光束的光斑質心坐標測量值和對應的理論值存在一定的誤差，并且由于換用不同結構的CCD相機或者不同類型的激光束，其誤差的大小和分布規律也會有所不同。但是，如果激光束的光斑的高斯寬度變大時，這種不完全采樣誤差就會減小，當所測得的光斑大小和CCD像素大小的比例值比0.5大時，光斑質心探測的均方根誤差便會小于0.02，所以這時便可忽略CCD的離散不完全采樣誤差對質心探測精度的影響。

（2）如果CCD在極其微弱的外界光的前提下，正是因為CCD內在的光子噪聲所造成的光信號本身在空間和時間上分布的不確定性，導致光斑質心的坐標跟隨發生變化，這種引起的噪聲就是光子噪聲［5］。光子噪聲一般服從泊松分布。

在實際情況下，CCD的系統誤差不僅包括由于光信號很弱時引起的光子噪聲，還包括由于組成CCD傳感器的光電器件以及模擬電子線路的噪聲，這些都會引起光斑質心探測的精度。第二種噪聲通常表現為，當無外界光信號輸入的條件下，CCD本身仍會有一定的光電響應輸出，這種噪聲就是讀出噪聲。讀出噪聲是一種隨機噪聲［6］，一般服從Gauss分布。

（3）除此之外，CCD相機的光電輸出響應信號中還包含一些背景暗電平噪聲［7］。雖然暗電平比較小，但是在M×L采樣窗口區域內的暗電平信號的疊加卻不容忽視，它所帶來的光斑質心探測影響同樣不可忽略，CCD相機的暗電平噪聲在一定程度上會影響光斑質心探測的系統和隨機誤差。

2 圖像去噪算法研究

通過上述理論的探討與研究，CCD本身所存在的非線性響應特性以及噪聲特性等會對激光光束質量的測量帶來一定的影響。所以在測量前，需要對CCD采集的光斑圖像進行圖像算法操作，盡可能地降低CCD本身的噪聲特性的影響。為此，本論文提出了三種圖像處理方法：偽彩色處理法、減背景以及自適應閾值法。

2.1 偽彩色處理法

由于人眼的特殊構造，人眼對于灰度圖像的辨識度遠小于對彩色的辨識度，所以在一定程度上，需要對灰度圖像作一定的偽彩色處理，提高人們對彩色圖像細節的分辨能力［8］，所以對于呈高斯分布的光斑來說，為了梯度顯示光斑圖像的細節，需要對灰度圖像進行一定的偽彩色圖像處理過程，從而在一定程度上達到圖像增強的目的。

在推進文明養犬這個問題上，我們既不能用惡犬傷人事件否認犬是人類的朋友，也不能以“犬是人類的朋友”為由和稀泥，搗糨糊，為不文明養犬行為脫責。只有立好規矩、管好人，你的愛犬才可能成為別人眼里的朋友。

為此，需要對CCD采集的灰度級光斑圖像進行偽彩色轉換：將源圖像的每個灰度級按照線性或非線性函數關系進行一一映射，不同的灰度級對應不同的偽彩色。偽彩色變換原理圖如圖1所示。

圖1 偽彩色變換原理圖

如圖1所示，對于灰度圖像 f(x,y)，灰度圖像是由紅，綠，藍顏色按照相同比例來組合的。而對于偽彩色圖像G(x,y)的每一個像素按照紅，綠和藍三個不同的通道進行獨立的變換：

式中，B(l)，G(l)和R(l)分別為三基色的變換函數，對變換函數進行組合便可得到偽彩色圖像。

2.2 減背景

因為CCD信號會摻雜很多隨機噪聲成分，通過多幀圖像求平均的方法可以有效的抑制噪聲的影響。設CCD有效信號為 f(x,y)，背景噪聲信號為加性噪聲n(x,y)，則會有：

當噪聲信號表現為均值為0且互不相關的加性噪聲時，則 f(x,y)和g(x,y)的期望值相同，為此，本文采用m幅光斑相同但含有不同噪聲的光斑圖像，疊加作和并同時做平均處理后可得：

如圖2所示，在測量前（即沒有激光入射的前提下）通過多幀平均法，即幾幅背景圖像進行疊加平均，作為面陣CCD相機的基底偏置讀出信號（平均背景噪聲圖像），在測量時，將CCD相機采集的激光光斑圖像與平均背景噪聲圖像進行相減，剔除背景的雜散光導致的背景噪聲，通過光斑圖像背景扣除，消除環境背景噪聲的影響，從而將噪聲降到最低。

CCD相機自身噪聲對激光光斑的圖像影響較大，所以要對CCD做抑制處理。為此，可以通過多幅光斑圖像的幀疊加并求平均的方法來盡可能地減少隨機噪聲的影響，可有效提高光電子的信噪比，提高光束質量測量的精度。圖2為通過多幀圖像疊加求平均的方法示意圖。

圖2 多幀圖像疊加求平均示意圖

2.3 自適應閾值法

因為CCD的光子噪聲、讀出噪聲和CCD的背景暗電平噪聲是服從獨立分布的隨機噪聲，與光斑圖像信號沒有關聯，因此可以通過設定一個閾值來抑制噪聲，從而減少后續的采用光強二階距法計算光斑束寬的誤差影響。采用一種自適應閾值法圖像處理算法，可以使激光光束的測量過程中，不受外界環境的變化干擾，能準確實時地對光斑圖像所產生的隨機噪聲進行抑制，從而提高算法的穩健性。

其自適應閾值法算法流程圖見圖3所示。

圖3 自適應閾值法算法流程圖

原始的閾值處理法根據光束有效截面區域內按照高斯基模強度的1作為激光光斑圖像的閾值，即將CCD所探測的光斑圖像的最大光強灰度值的1作為提取閾值。但是當光斑圖像的最大灰度值所對應的像素點個數較少，比較孤立時，大部分像素點值都比提取閾值小，就會造成光斑圖像內部區域出現漏洞區域，造成一部分光斑能量分布不能被正確表示，從而干擾光束質量的測量精度。

為此，本算法根據CCD的隨機噪聲特性，提供了一個最佳的提取閾值，使得在光斑圖像既能有效地濾除CCD的隨機噪聲，又能盡可能地保留激光的真實光斑信息。

3 實驗結果與數據分析

如圖4所示，通過搭建基于CCD的激光光束質量測量系統實驗平臺，系統的總體構成是由激光器產生激光，考慮本系統中激光光束的能量可能遠超過CCD探測器的飽和能量值，甚至超過CCD像元的損傷閾值可能損壞CCD器件［9］，因此，必須對入射到CCD相機光敏面上的激光光束能量進行衰減，使CCD接收能量不至于過飽和，以保護CCD相機，經過衰減后的激光光束進入到無像差透鏡中，無像差透鏡用于保證激光的束腰處于可測量的范圍內［10］，最后光束傳入到CCD相機中，由相機完成激光光斑圖像的采集。計算機獲得圖像數據后，由分析軟件進行分析，最終得到光斑大小和光束質量M2因子［11］。CCD相機的光束質量測量裝置實驗圖如圖4所示。

圖4 CCD相機的光束質量測量裝置示意圖

通過CCD采集激光光斑圖像，并對光斑圖像進行圖像去噪處理操作，經偽彩色處理以及后續的算法處理后的激光光斑圖像對比圖如圖5所示。

圖5 去噪前后光斑圖像對比圖

同時，通過對比使用國際標準激光光束質量分析儀測得的M2因子值，保證其他條件不變的條件下，同時對比圖像去噪前后分別對激光器的光束質量M2因子值進行多次測量，測量結果對比如表1所示。

表1 校正前和校正后光束質量因子結果對比

4 結論

對于CCD所采集的原始光斑圖像，并同時對比國際標準激光光束質量分析儀測得的M2因子值，通過對原始的光斑圖像進行一定的圖像去噪操作后，光束質量M2因子值更接近于其標準值。

偽彩色圖像處理能更好地顯示出光斑圖像的細節信息，在一定程度上達到圖像增強的效果；通過多幀圖像求平均的方法進行背景扣除操作，消除了環境暗背景噪聲的影響，進一步降低了噪聲的影響；而自適應閾值法可以實時地抑制隨機噪聲的影響，提高了信號的信噪比。這些圖像算法從而在一定程度上抑制了CCD的隨機噪聲以及環境背景噪聲的影響，更加準確地反映了激光光斑的能量分布，得到更為準確和精細的光斑分布，為激光光束質量的準確測量奠定了基礎，對于正確評價激光的光束質量具有十分重要的借鑒意義。

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Impact Analysis of CCD’s Noise on Measurement of the Laser Beam Quality

ZHANG Ruping1，JING Wenbo2，WANG Xiaoman1
（1.School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In the process of measuring laser beam quality by using the CCD，as a result of the CCD noise influence as well as the environment background noise influence，brings certain influence to the facula image，and thus influence measuring accuracy of laser beam quality.Therefore，each kind of CCD noise is analyzed，and on the basis the image processing algorithms is put for?ward in the paper according to different kind of noises.The result of experiment shows that the method mentioned in the paper can effectively decrease the influence of noise on measurement of laser beam quality，and can obtain more real reliable energy distribu?tion of laser beam，at the same time it has great application values on evaluating the laser beam quality.

CCD；noise；threshold；laser beam quality

TN386.5

A

1672-9870（2017）02-0111-04

2016-12-19

吉林省重點科技攻關項目（20160204009GX）

張汝平（1990-），男，碩士研究生，E-mail：1033159137@qq.com

景文博（1980-），男，博士，副教授，E-mail：wenbojing@sina.com