基于圖像識別的激光光路自動調節系統設計

武劍

（天津核工業理化工程研究院激光技術研究所 天津市 300171）

1 引言

激光光路在長距離傳輸試驗中，會因氣流擾動、光學平臺震動以及反射裝置鏡架熱變形等原因發生抖動或漂移[1]。隨著光路傳輸系統的工程化應用，研究激光光路的自動調節技術是十分必要的。本文基于圖像識別技術針對激光光路傳輸過程設計了一個自動調節系統，在激光光路出現偏移或其它異常情況時可以實時對光路進行閉環調節，實現光路動態穩定。

2 系統設計原理

由陣列反射鏡組成的激光光路調節裝置工作示意圖如圖1 所示，激光自下而上在鏡像安裝的陣列鏡片間依次反射形成傳輸光路，每個鏡片均由其背后的兩臺步進電機控制水平和俯仰角度。

圖1：陣列反射鏡調節裝置工作示意圖

光路自動調節系統的基本原理是通過攝像機對多陣列反射鏡的整體圖像進行拍攝采集，得到反射鏡面上的光斑圖像。使用現場計算機對采集到的光斑圖像進行識別處理分析，獲得反射鏡片中心坐標及激光光斑中心坐標，其差值即為激光光斑的實際位置與目標位置之間的偏差，將其作為光路自動調節的反饋控制信號，以此計算出控制鏡片角度的電機的行進步長，最后驅動相應步進電機運行，實現光路調節目的。

圖2：光路閉環控制系統流程圖

3 硬件設計

光路自動調節系統的硬件部分主要由兩個攝像頭、一臺工控機和兩個步進電機驅動箱組成。

攝像頭作為圖像采集單元，要求能夠在實際工作中采集到完整的鏡片和光斑圖像，是光斑圖像識別處理的前提條件。

工控機作為控制中樞，既負責整個控制系統的計算和處理，也提供光路自動控制軟件的人機接口。

步進電機驅動箱是系統執行機構，內部集成有隔離穩壓電源，通信模塊，單片機控制模塊和8 臺步進電機驅動器。隔離穩壓電源的作用是給整個驅動箱供電，同時，配置了濾波器、斷路器和浪涌保護器提高控制箱的抗電磁干擾能力。步進電機控制箱與計算機通信使用以太網總線形式，通信協議為ModbusTCP 協議，便于與上位機集成。單片機控制模塊用以解碼、轉碼、處理和應答工控機指令[2]。8 臺步進電機驅動器為最終的執行單元步進電機提供驅動電流。

4 軟件設計

4.1 設計方案

系統的軟件選用基于Opencv 開源函數庫的VC++平臺進行開發，其設計流程參照光路自動調節系統的控制原理，分為三個步驟。首先是通過圖像試別獲得光斑的實際位置與目標位置之間的偏差，然后是計算出步進電機需要運行的步長，最后是控制步進電機運行。光路自動調節系統的核心技術，一個是圖像識別算法，一個是閉環控制算法。閉環軟件在開始運行后，需要不斷的循環執行圖像的處理識別與電機的閉環控制程序。因此，確定軟件流程圖如圖2 所示。

4.2 圖像識別算法

圖像識別算法流程包括圖像數據導入、圖像二值化及濾波、鏡片中心定位、激光光斑定位和數據保存五個部分。

攝像頭采集到的原始圖像上存在大量光點噪聲，因此在進行光斑圖像識別前需要對采集到的原始圖像進行初步的降噪處理。由于激光光路的噪聲光線基本服從正態分布。因此針對本系統，高斯濾波方法能更好的完成圖像降噪任務。

為不影響光路，采集攝像頭不可避免具有拍攝傾角，又因為使用的是平角鏡頭，所以造成的圖像畸變主要是梯形失真。因此，在初步處理后的圖像上需要進行圖像透視變換消除畸變，然后再采用Hough 直線變換[3]便可獲得鏡片的長方形輪廓擬合圖形，進而可計算出鏡片中心位置坐標。

接下來，在識別出的每個獨立的鏡片區域采用Canny 邊緣擬合算法確定出光斑的邊緣曲線，并通過重心法計算出激光光斑的中心位置及坐標。圖像最終處理結果圖如圖3 所示，鏡片邊緣輪廓與光斑輪廓均已擬合完成。

最后，將激光光斑中心坐標與鏡片中心坐標的差值記錄在CPoint 類型的數組spot[8]里，完成圖像識別處理程序。

4.3 閉環控制算法

圖3：圖像處理結果圖

圖4：閉環調節界面

每個陣列鏡片上激光光斑中心位置的偏移是由光路傳輸通道前一鏡片的角度偏移造成的，因此要實現光斑的動態穩定，實際上是要完成前一鏡片的閉環控制。而每個反射鏡片的角度均由控制水平方向傾斜角度和垂直方向傾斜角度的兩臺步進電機進行控制。這里以控制水平方向的步進電機的控制策略為例介紹閉環控制算法的原理。

如前文圖1 所示，一組陣列鏡片激光調節機構由鏡像部署的八塊反射鏡片（自下而上分別為鏡片0 到鏡片7）組成，每塊反射鏡片均只能對傳輸光路后續光斑產生影響。設spot.x[]為激光光斑中心坐標與反射鏡片中心坐標的的偏差值即激光偏移距離，則該偏差值理論上是由光路傳輸前端所有陣列反射鏡片的偏移造成的。再設控制鏡片0 水平方向角度步進電機移動x0個步長，對剩余7個鏡片上光斑位置的影響系數分別為a1～a7，則激光光斑在對應鏡片上移動距離可分別設為a1·x0、a2·x0、a3·x0、a4·x0、a5·x0、a6·x0、a7·x0；設控制鏡片1 水平方向角度步進電機移動x1個步長，對剩余6 個鏡片上光斑位置的影響系數分別為b2～b7，則激光光斑在對應鏡片上移動距離可分別設為b2·x1、b3·x1、b4·x1、b5·x1、b6·x1、b7·x1；以此類推?？傻藐P系方程（1）：

根據激光的入射角與反射角角度相等、光路在鏡像部署的陣列反射鏡片間反射的距相等等條件可以對方程（1）的系數矩陣進行化簡，最終得到方程（2）。

方程（2）即為光路自動調節系統的閉環控制模型，在激光系統中，其系數a、b 為固定常數，只要圖像識別程序計算出光斑偏移值spot.x[]，便可根據迭代法計算出每個步進電機需要移動的步長和方向。

方程（2）中系數a 和b 的確定，可通過實驗獲得。為此，本文再次利用前文的圖像識別算法設計了一個計算系數的輔助程序，其基本原理是首先計算出光路正常狀態下每個鏡片上的激光光斑的中心坐標值，然后再按固定的光斑偏移量控制步進電機運行，然后再次計算出光路偏移狀態下每個鏡片上的激光光斑的中心坐標值。這樣便確定了spot.x[]和x 的值，解方程（2），便可獲得閉環控制模型電機對光斑的影響系數a 和b 的值。

這套閉環控制模型將圖像處理后激光光斑中心位置與鏡片中心位置的偏差值轉換為對應步進電機需要運行的步長值，實現了閉環控制策略。經實驗測試，其控制精度滿足激光光路控制要求。

5 實驗驗證

圖4 所示的是光路自動調節系統的軟件界面，左側區域為采集圖像顯示區域，右側為電機控制區域。自動調節實驗中，系統一直在循環監測和自動調節光斑位置，保持光路動態穩定。

6 結束語

本文設計的激光光路自動調節系統所采用的圖像識別算法和閉環控制算法，可以在激光光路發生偏移的情況下，精確計算出陣列鏡片上光斑的偏移量，并可計算出控制每塊反射鏡片的步進電機需要運行的步長，自動將光路調節回目標光路，從而維持光路的動態穩定，為激光光路傳輸系統的工程化應用創造條件。

本文所采用的圖像識別技術，目前僅應用在目標光斑的位置計算中，在下一步工作中，可對攝像頭采集到的光斑圖像進行進一步的處理和研究，比如對激光光斑的能量分布和光束整形質量進行識別與判斷，從而為光路傳輸系統的前端和后端系統提供更多的技術支持。