光束指向稳定性高精度检测方法研究.docx

? ? 光束指向稳定性高精度检测方法研究 ? ? 姚林海，陆培国，杨永安，龙井宇，杨修林，卜英华 （西安应用光学研究所，陕西 西安 710065） 引言 对于高能激光系统，激光器出射光束的指向稳定性是影响系统性能的一项重要指标。指向稳定性会制约高能激光系统的扩束、发射、聚焦光学系统的设计与实现，并且指向稳定性较差的激光器将导致系统发射激光的远场聚焦光斑能量集中度变低，无法达到毁伤目标所需的远场光斑功率密度。因此，光束指向稳定性的检测是高能激光系统性能实现的必要环节，其检测精度将对系统瞄准精度、毁伤效能等产生非常重要的影响。 光束指向稳定性的检测包括机械测量、光电测量等方法[1]，其中光电测量又包括直接测量、间接测量等方法。文献[2]采用CCD 摄像头直接采集激光器输出衰减后光斑，对光斑图像进行处理得到光斑漂移大小。文献[3] 激光器出射光束经透镜变换后，由CCD 摄像机采集光斑图像，获得光束指向稳定性结果，同时获得光斑形状与强度分布。文献[4] 采用激光直接照射靶板的方法测量发射激光的指向精度，在距设备较远距离处架设靶板，读取靶板上实际光斑与理论位置的误差来反推激光束指向精度。文献[5]中光束照射白屏，采用CCD 相机采集白屏上的光斑图像，从而得到光斑位置与指向偏差。文献[6] 中提到被动反射式靶板测量方法，利用CCD 相机对漫反射板上的远场光斑成像，进行实时测量。文献[7]设计了一种双CCD 拼接的探测装置，用于激光主动探测系统，以此获得更大视场，提高探测效率。 上述方法中，激光远距离照射靶板测量的方法虽然更加直接，但操作复杂，且大气传输对测量结果的影响较大。而采用CCD 成像的方法相对简便，易于操作与实现，但测量精度取决于检测光路中的元件参数，尤其是CCD 相机参数，如焦距、像元尺寸等。本文采用长焦距离轴聚焦反射镜对激光器出射光束进行聚焦变换，使聚焦光斑直接在高分辨率CCD 上成像，对光斑中心定位，并对光斑中心进行统计处理，最终获得光束指向稳定性数据。 1 光束指向稳定性分析 受谐振腔振动、温度变化、空气折射率变化以及大气湍流扰动等因素影响，激光器出射光束的指向会产生不稳定的随机变化，包括抖动与漂移。因此，光束指向稳定性表现为一定时间内光斑中心的移动。光束抖动与漂移的精确区分是十分困难的，采用频率区分相对合理，抖动的频率较高，而漂移的频率较低。 抖动可以用较短时间内高频采样的统计方法获得，计算光斑中心的数学期望及其标准差，其中数学期望即为光斑中心的统计值，其标准差则为光斑抖动的偏差量，用于表征偏离平均光斑中心的抖动程度。 漂移可以用较长时间内光斑中心的变化量来描述，或分段统计光斑中心值，计算得到其漂移量。对于无制冷措施的激光器来说，测量随温度变化的光斑中心变化量更为适当。 应用于不同场合的激光器，光束抖动和漂移两个分量造成的影响不同。用于工业切割的激光器，因其作用距离近、持续时间长，应关注光束漂移的不利影响；而用于激光武器系统时，因其作用距离远、持续时间短、要求精度高，则更应关注光束抖动带来的影响。 本文基于光斑中心与半径的强度矩基本定义，采用运算简便快捷的灰度重心法定位光斑中心，构建高分辨率的光束指向检测装置，通过采样统计，对光束指向稳定性做出评估。 2 光斑中心定位方法 光斑中心定位算法是光束指向检测的基础，光斑中心定位足够准确是实现高精度光束指向检测的前提条件。目前比较常用的光斑中心定位算法有灰度重心法[8]、圆拟合法[9]、空间矩法[10]、高斯拟合法[11]、Hough 变换法[12]等，其中灰度重心法的算法简单且测量精度高[13]。还有其他应用于不同场合的改进算法，如文献[14]提出的基于相关因子的光斑中心定位算法，可在复杂噪声背景下精确定中。 需要注意的是，灰度重心法对于对称性和强度分布均匀性较差的光斑定位存在较大误差。因此，在检测过程中需尽量消除背景噪声干扰。 2.1 灰度重心法 在激光光学中，激光光斑中心和光斑半径由光斑强度矩定义。对于横截面强度分布为I(x,y)的激光束，其光斑中心(x0,y0)由其一阶强度矩定义： 灰度重心法是用CCD 成像方法直接采集激光光斑，然后读取CCD 像元的灰度值来计算光斑中心。若CCD 靶面像元数为m×n，每个像元上激光强度I(x,y)对应的灰度值为G(x,y)，则光斑中心(x0,y0)的计算公式（2）式可表示为 应用灰度重心法定位光斑中心时，应控制激光强度和CCD 增益，使CCD 像元灰度值不会达到饱和数值。 2.2 理想光斑中心定位 用Matlab 生成一组图像强度分布为理想高斯分布的光斑灰度图，图像分辨率分别为300×300 像素、500×500 像素、600×600 像素、800×800 像素、950×950 像素，坐标原点为左上角，x轴向右为正，y轴向下为