激光光束质量测量的快速调光算法研究

吴岩++戴淖敏++田苗苗

摘要：在CCD法激光光束质量测量中，为了保证测量精度，需要在每一次采集激光光斑图像前进行调光，使得采集到的图像中光斑亮度处于理想亮度区间。现有的调光方法主要是通过测光、调光补偿方式实现的，调光速度较慢，致使整个测量过程耗费的时间较长。为解决此问题，提出一种快速调光算法：根据已经完成的采样点的光斑大小计算光束的空间方程，结合当前采样点光斑的最高亮度预测该调光参数下下一个采样点的最高亮度，并对调光参数进行调整。实验结果表明：对于每一个采样点，可以将平均调光时间从现有方法的3.64s降低到1.77s。能够准确地实现调光，并有效的提升测量速度。

关键词：激光光束质量 CCD测量法 快速调光 亮度预测

中图分类号： TN241 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2015）01（c）-0000-00

随着激光技术在军事和民用各领域的广泛应用，对激光光束质量的测量成为了国内外关注的焦点。CCD测量法在测量激光光束质量时，需要调节系统的滤波片和相机的曝光时间的大小，使得CCD工作在其线性区间内，确保得到亮度理想的光斑图像。现有的调光主要通过对当前采样点进行不断地测光、调光补偿的方法直至达到理想调光效果，但调光速度较慢。为了进一步提高激光光束质量测量速度，根据激光空间传输特性，提出一种快速调光算法：通过提前预测下一采样点的光斑强度，快速调节系统中性滤波片和曝光时间，实现快速调光。

1 CCD测量法

激光光束在空间中的传播方程是符合双曲线分布的。CCD测量法的原理如图1所示。通过安装在可控移动平台上的CCD探测器，在激光光束不同空间位置采集光束截面的光斑图像，通过图像处理的方法得到每一个采样点的光斑大小，从而确定激光光束的空间方程，计算得到激光光束质量、发散角大小、束腰宽度和束腰位置等重要参数[1]。

图1 CCD测量法示意图

2 快速调光算法

在激光光束质量测量中，调光是必不可少的过程，同时也消耗了很大一部分时间。本文提出一种基于对光斑最高亮度提前预测并调节调光参数的快速算法。此算法可以有效的减少每次调光消耗的时间并且可以在CCD向下一个采样点移动的过程中完成，从而实现快速调光。

2.1光斑亮度预测

（1）首先，预测下一采样点的光斑大小。在激光光束质量测量中，需要计算每一个采样点位置的束宽。本算法中光斑大小的预测是根据已知的采样点的束宽，确定光束传播方程，根据传播方程预测任意位置的光斑大小[2]。高斯激光光束在空间中传播的双曲线方程可以表示为：

（2.1）

式中， 为采样点激光束宽； 采样点的空间位置； 、 、 为双曲线方程系数。在已知三个以上采样点的激光束宽 和空间位置 之后，就可以通过最小二乘法拟合确定该双曲线方程。因此，对于下一采样点位置 处的束宽为：

（2.2）

（2）其次，根据采样点的束宽预测光斑最高亮度。高斯光束横截面的光强是符合高斯分布的[3]。其表达式为：

（2.3）

式中， 为光斑中心的最大光强， 为到中心距离 处的光强， 为束宽。因此得到光斑的总强度的表达式为：

（2.4）

上式通过光斑中心光强和光斑大小表示光斑的总强度。

在测量仪暗箱内部较短的光程内我们认为激光能量没有衰减，总强度保持不变，由此可以得到下一采样点光斑中心强度，即：

（2.5）

（2.6）

其中， 为下一采样点的光斑总强度， 为已知采样点的光斑总强度， 为下一采样点光斑中心强度， 为已知采样点的光斑中心强度， 与 分别为下一采样点与已知采样点的光斑大小。

在系统中性滤波片衰减大小与相机曝光时间保持不变的情况下，根据公式（2.2）和公式（2.6），可以得到预测的下一采样点图像光斑最高亮度 ，表达式为：

（2.7）

式中， 为预测的下一采样点最高亮度， 为已知采样点的最高亮度。

通过上述过程，我们实现了对下一采样点光斑最高亮度预测，对下一采样点有了一定的先验认识，结合 与当前的衰减和曝光时间，计算调光参数的修改量，在CCD向下一个采样点移动的过程中完成调光，减少调光消耗的时间。

2.2调光参数调节

通常来讲，我们将相机最高亮度的10%～90%之间的区间看作其线性区间，对于一个8位相机而言，这个区间为25～230。为了确保测量的准确性，需要使光斑的最高亮度 处于线性区间内并尽量接近区间的最大值，因此，我们认为当 满足式（2.8）时，即：

（2.8）

图像处于理想调光状态。

当激光通过中性滤波片时，激光输入功率和输出功率满足：

（2.9）

式中， 为中性滤波片衰减大小， 为滤波片的激光输入功率， 为滤波片的激光输出功率。光斑图像的最高亮度正比于相机的积分时间和入射到CCD像面的激光功率，其表达式为[4]：

（2.10）

其中， 为曝光时间， 为固定转换系数， 为到达CCD的激光功率， 为激光器发出的激光功率。因此，定义衰减系数 表示系统调光参数，表达式为：

（2.11）

在调光参数计算的过程中，选取理想亮度区间的中值215作为理想亮度 。在前文中已经计算得到在调光参数为 时下一个采样点的预测最高亮度 ，根据公式（2.10）和公式（2.11）可以得到预测调光参数 使图像达到理想亮度，表达式为：

（2.12）

通过调节CCD的曝光时间和滤波片衰减大小使调光系数达到 。本文中算法将相机的曝光时间作为调光的先决条件，即在曝光时间的调节范围内，优先调节曝光时间，当单独调节曝光时间无法达到 时，再调节中性滤波片。

3 实验结果与数据分析

为了验证快速调光算法的准确性以及速度提升效果，笔者进行了大量实验，均获得了良好的调光效果。以测量波长为532nm的激光器光束质量为例，分别采用快速调光算法和测光补偿法进行调光，测量过程中采样点数量都为21个，每个采样点图像光斑的最高亮度如图2所示：

图2 光斑最高亮度对比图

两种调光方法在每个采样点的调光所消耗的时间如图3所示：

图3调光时间对比图

由图2可以看出，快速调光算法与现有的测光补偿法都能够实现很好的调光效果，均能使图像中光斑的最高亮度处于200到230之间，调光效果相接近，验证了快速调光算法的准确性和可行性。对比图3中两条曲线可以看出，文中的快速调光算法调光消耗的时间相对减少很多，对于每个采样点，调光过程的平均耗时由3.64s降低为1.77s，验证了快速调光算法对调光速度提升的有效性，调光时间减少了51.4%。

4 结论

本文提出的激光光束质量测量的快速调光算法是充分利用激光光束在空间中的传输特性和光束截面光斑强度分布规律等条件，结合已知采样点图像信息对下一采样点的光斑最高亮度进行预测，根据这一预测值对调光参数进行调节，减少调光时间。实验结果表明：该算法不仅能够准确地实现调光，使CCD采集的图像处于理想亮度区间，并且能够提高调光速度，加速效果较为明显。由于该调光方法可以使调光过程在CCD向下一个采样点移动的过程中完成，因此，能够更大程度的减少这个测量过程消耗的时间。

参考文献

[1]王彩霞.嵌入式激光光束质量分析系统的研究.长春：长春理工大学，2009

[2]景文博，姜会林，王晓曼，等.正规方程组求解激光束质量M2因子方法的研究[J].吉林大学学报（信息科学版），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.高性能数码相机自动曝光算法研究与实现.上海：复旦大学，2008