激光光束質量測量的快速調光算法研究

吳巖++戴淖敏++田苗苗

摘要：在CCD法激光光束質量測量中，為了保證測量精度，需要在每一次采集激光光斑圖像前進行調光，使得采集到的圖像中光斑亮度處于理想亮度區間。現有的調光方法主要是通過測光、調光補償方式實現的，調光速度較慢，致使整個測量過程耗費的時間較長。為解決此問題，提出一種快速調光算法：根據已經完成的采樣點的光斑大小計算光束的空間方程，結合當前采樣點光斑的最高亮度預測該調光參數下下一個采樣點的最高亮度，并對調光參數進行調整。實驗結果表明：對于每一個采樣點，可以將平均調光時間從現有方法的3.64s降低到1.77s。能夠準確地實現調光，并有效的提升測量速度。

關鍵詞：激光光束質量 CCD測量法 快速調光 亮度預測

中圖分類號： TN241 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2015）01（c）-0000-00

隨著激光技術在軍事和民用各領域的廣泛應用，對激光光束質量的測量成為了國內外關注的焦點。CCD測量法在測量激光光束質量時，需要調節系統的濾波片和相機的曝光時間的大小，使得CCD工作在其線性區間內，確保得到亮度理想的光斑圖像?，F有的調光主要通過對當前采樣點進行不斷地測光、調光補償的方法直至達到理想調光效果，但調光速度較慢。為了進一步提高激光光束質量測量速度，根據激光空間傳輸特性，提出一種快速調光算法：通過提前預測下一采樣點的光斑強度，快速調節系統中性濾波片和曝光時間，實現快速調光。

1 CCD測量法

激光光束在空間中的傳播方程是符合雙曲線分布的。CCD測量法的原理如圖1所示。通過安裝在可控移動平臺上的CCD探測器，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采樣點的光斑大小，從而確定激光光束的空間方程，計算得到激光光束質量、發散角大小、束腰寬度和束腰位置等重要參數[1]。

圖1 CCD測量法示意圖

2 快速調光算法

在激光光束質量測量中，調光是必不可少的過程，同時也消耗了很大一部分時間。本文提出一種基于對光斑最高亮度提前預測并調節調光參數的快速算法。此算法可以有效的減少每次調光消耗的時間并且可以在CCD向下一個采樣點移動的過程中完成，從而實現快速調光。

2.1光斑亮度預測

（1）首先，預測下一采樣點的光斑大小。在激光光束質量測量中，需要計算每一個采樣點位置的束寬。本算法中光斑大小的預測是根據已知的采樣點的束寬，確定光束傳播方程，根據傳播方程預測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， 為采樣點激光束寬； 采樣點的空間位置； 、 、 為雙曲線方程系數。在已知三個以上采樣點的激光束寬 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，對于下一采樣點位置 處的束寬為：

（2.2）

（2）其次，根據采樣點的束寬預測光斑最高亮度。高斯光束橫截面的光強是符合高斯分布的[3]。其表達式為：

（2.3）

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

（2.4）

上式通過光斑中心光強和光斑大小表示光斑的總強度。

在測量儀暗箱內部較短的光程內我們認為激光能量沒有衰減，總強度保持不變，由此可以得到下一采樣點光斑中心強度，即：

（2.5）

（2.6）

其中， 為下一采樣點的光斑總強度， 為已知采樣點的光斑總強度， 為下一采樣點光斑中心強度， 為已知采樣點的光斑中心強度， 與 分別為下一采樣點與已知采樣點的光斑大小。

在系統中性濾波片衰減大小與相機曝光時間保持不變的情況下，根據公式（2.2）和公式（2.6），可以得到預測的下一采樣點圖像光斑最高亮度 ，表達式為：

（2.7）

式中， 為預測的下一采樣點最高亮度， 為已知采樣點的最高亮度。

通過上述過程，我們實現了對下一采樣點光斑最高亮度預測，對下一采樣點有了一定的先驗認識，結合 與當前的衰減和曝光時間，計算調光參數的修改量，在CCD向下一個采樣點移動的過程中完成調光，減少調光消耗的時間。

2.2調光參數調節

通常來講，我們將相機最高亮度的10%～90%之間的區間看作其線性區間，對于一個8位相機而言，這個區間為25～230。為了確保測量的準確性，需要使光斑的最高亮度 處于線性區間內并盡量接近區間的最大值，因此，我們認為當 滿足式（2.8）時，即：

（2.8）

圖像處于理想調光狀態。

當激光通過中性濾波片時，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的積分時間和入射到CCD像面的激光功率，其表達式為[4]：

（2.10）

其中， 為曝光時間， 為固定轉換系數， 為到達CCD的激光功率， 為激光器發出的激光功率。因此，定義衰減系數 表示系統調光參數，表達式為：

（2.11）

在調光參數計算的過程中，選取理想亮度區間的中值215作為理想亮度 。在前文中已經計算得到在調光參數為 時下一個采樣點的預測最高亮度 ，根據公式（2.10）和公式（2.11）可以得到預測調光參數 使圖像達到理想亮度，表達式為：

（2.12）

通過調節CCD的曝光時間和濾波片衰減大小使調光系數達到 。本文中算法將相機的曝光時間作為調光的先決條件，即在曝光時間的調節范圍內，優先調節曝光時間，當單獨調節曝光時間無法達到 時，再調節中性濾波片。

3 實驗結果與數據分析

為了驗證快速調光算法的準確性以及速度提升效果，筆者進行了大量實驗，均獲得了良好的調光效果。以測量波長為532nm的激光器光束質量為例，分別采用快速調光算法和測光補償法進行調光，測量過程中采樣點數量都為21個，每個采樣點圖像光斑的最高亮度如圖2所示：

圖2 光斑最高亮度對比圖

兩種調光方法在每個采樣點的調光所消耗的時間如圖3所示：

圖3調光時間對比圖

由圖2可以看出，快速調光算法與現有的測光補償法都能夠實現很好的調光效果，均能使圖像中光斑的最高亮度處于200到230之間，調光效果相接近，驗證了快速調光算法的準確性和可行性。對比圖3中兩條曲線可以看出，文中的快速調光算法調光消耗的時間相對減少很多，對于每個采樣點，調光過程的平均耗時由3.64s降低為1.77s，驗證了快速調光算法對調光速度提升的有效性，調光時間減少了51.4%。

4 結論

本文提出的激光光束質量測量的快速調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度分布規律等條件，結合已知采樣點圖像信息對下一采樣點的光斑最高亮度進行預測，根據這一預測值對調光參數進行調節，減少調光時間。實驗結果表明：該算法不僅能夠準確地實現調光，使CCD采集的圖像處于理想亮度區間，并且能夠提高調光速度，加速效果較為明顯。由于該調光方法可以使調光過程在CCD向下一個采樣點移動的過程中完成，因此，能夠更大程度的減少這個測量過程消耗的時間。

參考文獻

[1]王彩霞.嵌入式激光光束質量分析系統的研究.長春：長春理工大學，2009

[2]景文博，姜會林，王曉曼，等.正規方程組求解激光束質量M2因子方法的研究[J].吉林大學學報（信息科學版），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.高性能數碼相機自動曝光算法研究與實現.上海：復旦大學，2008