一種脈沖激光器遠(yuǎn)場(chǎng)光軸穩(wěn)定性檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光器遠(yuǎn)場(chǎng)光軸進(jìn)行穩(wěn)定性檢技術(shù)，特別是一種脈沖激光器遠(yuǎn)場(chǎng)光軸 穩(wěn)定性檢測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光具有亮度高、單色性好以及方向性好的特點(diǎn)，因此激光的應(yīng)用已遍布科技、經(jīng) 濟(jì)、軍事及社會(huì)其它發(fā)展領(lǐng)域。目前激光一般局限于短距離的室內(nèi)應(yīng)用，而在遠(yuǎn)距離的室外 環(huán)境下，激光傳輸路徑上會(huì)存在大氣湍流和大氣折射率不均勻的影響，再加上激光器本身 諧振腔的震動(dòng)和激光產(chǎn)生過程中腔內(nèi)溫度變化的影響，會(huì)最終導(dǎo)致激光器出射光軸的抖動(dòng) 及激光光束擴(kuò)展效應(yīng)（發(fā)散角的變化）。
[0003] 在實(shí)際應(yīng)用中，光軸抖動(dòng)及光束擴(kuò)展效應(yīng)的存在會(huì)導(dǎo)致激光在目標(biāo)上的光斑抖 動(dòng)，使得光斑實(shí)際的包絡(luò)面積大于預(yù)設(shè)面積，這可能又會(huì)導(dǎo)致在諸如激光測(cè)距、激光制導(dǎo)、 激光距離選通成像等等的應(yīng)用中，探測(cè)器每次接收到的激光的回波強(qiáng)度不一，甚至?xí)霈F(xiàn) 因抖動(dòng)量過大，導(dǎo)致漏測(cè)的情況出現(xiàn)。這種情況的存在，會(huì)影響激光測(cè)距的測(cè)量精度、激光 制導(dǎo)的準(zhǔn)確性等等，導(dǎo)致錯(cuò)誤情報(bào)的出現(xiàn)，所以，在將激光器集成至各種系統(tǒng)之前，對(duì)激光 器進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)光軸穩(wěn)定性的分析，即定量的給出激光器的光軸抖動(dòng)量及發(fā)散角抖動(dòng)量就變得 尤為重要。
[0004] 目前，測(cè)試測(cè)量的主流是基于攝像測(cè)量理論研制出的CCD類光束分析儀，國(guó)外已 經(jīng)有多家廠商推出商業(yè)化的可完成近距離光軸穩(wěn)定性分析的激光分析儀器，如Thorlabs 公司的BC106系列以及以色列DumaOptronics公司的BeamOnHR。
[0005] 國(guó)內(nèi)的激光光束質(zhì)量分析工作起步相對(duì)于國(guó)外來說還比較晚，目前國(guó)內(nèi)的成熟的 自主研發(fā)的商業(yè)化光束分析儀還很難見到，大多還停留在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部研發(fā)狀態(tài)，如北京跟 蹤與通信技術(shù)研究所（[1]張穎新，王云萍，王禹.基于CCD的遠(yuǎn)場(chǎng)激光光斑測(cè)量系統(tǒng)開 發(fā)與應(yīng)用[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2011，04:11-13+52.)、中國(guó)人民解放軍總裝備部軍械技術(shù)研 究所（"低頻窄脈沖激光光斑采集器"，專利號(hào)200910074771. 4)通過對(duì)國(guó)內(nèi)國(guó)外激光光束 質(zhì)量分析系統(tǒng)的調(diào)研與比較可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)外的激光光束質(zhì)量分析儀無論是在結(jié)構(gòu)、原理，還 是在功能及成本方便都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的激光光束質(zhì)量分析儀，但是目前無論是 國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，現(xiàn)有激光光束質(zhì)量分析系統(tǒng)大多只能應(yīng)用于短距離、環(huán)境比較簡(jiǎn)單的室內(nèi)， 對(duì)于距離較遠(yuǎn)、環(huán)境比較復(fù)雜的室外環(huán)境，還幾乎沒有太多研究，這就使得對(duì)應(yīng)用于遠(yuǎn)場(chǎng) 室外環(huán)境的激光光束穩(wěn)定性分析變得異常困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種脈沖激光器遠(yuǎn)場(chǎng)光軸穩(wěn)定性檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)h(yuǎn)場(chǎng)激 光器的光軸穩(wěn)定性進(jìn)行分析和檢測(cè)。
[0007] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種脈沖激光器遠(yuǎn)場(chǎng)光軸穩(wěn)定性檢測(cè)系統(tǒng)， 包含光學(xué)系統(tǒng)、同步控制采集系統(tǒng)、顯示控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)、同步控制采集系 統(tǒng)和顯示控制系統(tǒng)都位于轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)上；
[0008] 所述同步控制采集系統(tǒng)包括APD探測(cè)器、近紅外CXD相機(jī)、FPGA電路板，其中FPGA 電路板包含延時(shí)模塊，APD探測(cè)器輸出標(biāo)準(zhǔn)TTL電平信號(hào)至FPGA電路板，經(jīng)FPGA電路板內(nèi) 的延時(shí)模塊延時(shí)后輸出至近紅外CCD相機(jī)，控制其曝光時(shí)間；
[0009] 所述光學(xué)系統(tǒng)包括APD探測(cè)器對(duì)應(yīng)光學(xué)鏡頭、近紅外CCD相機(jī)對(duì)應(yīng)光學(xué)鏡頭和兩 個(gè)窄帶濾波片，其中該兩個(gè)光學(xué)鏡頭同光軸，并在該兩個(gè)光學(xué)鏡頭后分別放置窄帶濾波片， 抑制背景光的影響，其中Aro探測(cè)器對(duì)應(yīng)光學(xué)鏡頭收集的光脈沖經(jīng)過窄帶濾光片后通過孔 徑光闌輸入Aro探測(cè)器；
[0010] 所述顯示控制系統(tǒng)與近紅外C⑶相機(jī)連接，設(shè)置近紅外CXD相機(jī)的采集參數(shù)并接 收近紅外CCD相機(jī)所采集的圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)光斑圖像進(jìn)行分析處理。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：（1)利用CCD相機(jī)結(jié)合同步控制采集技術(shù)對(duì) 激光光斑進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，再對(duì)光斑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到激光器遠(yuǎn)場(chǎng)光軸的穩(wěn)定性信息， 解決了同步采集激光光斑圖像的問題，使得采集系統(tǒng)能夠自動(dòng)、實(shí)時(shí)、完整的采集到連續(xù)光 斑圖像。（2)針對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，能夠適應(yīng)遠(yuǎn)距離、背景復(fù)雜的野外環(huán)境。
[0012] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明脈沖激光器遠(yuǎn)場(chǎng)光軸穩(wěn)定性檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖。
[0014] 圖2是本發(fā)明的相機(jī)成像區(qū)域示意圖。
[0015] 圖3是本發(fā)明的物鏡成像關(guān)系圖（激光光軸穩(wěn)定）。
[0016] 圖4是本發(fā)明的物鏡成像關(guān)系圖（激光光軸抖動(dòng)）。
[0017] 圖5是本發(fā)明的同步控制采集系統(tǒng)的時(shí)序圖：(a)代表激光器發(fā)出的光脈沖，（b) 代表APD探測(cè)器輸出的響應(yīng)脈沖，（c)代表響應(yīng)脈沖輸入至FPGA電路板時(shí)對(duì)此脈沖進(jìn)行 計(jì)數(shù)的延時(shí)圖。
[0018] 圖6是本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖。
[0019] 圖7是本發(fā)明脈沖激光器遠(yuǎn)場(chǎng)光軸穩(wěn)定性檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程圖。
[0020] 圖8是原始光斑圖像。
[0021] 圖9是平滑后的光斑圖像。
[0022] 圖10是開閉運(yùn)算后的光斑圖像。
[0023] 圖11是Canny算子檢測(cè)出的光斑圖像邊緣。
[0024] 圖12是最小二乘法圓擬合算法擬合圓效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 結(jié)合圖1和圖6,本發(fā)明脈沖激光器遠(yuǎn)場(chǎng)光軸穩(wěn)定性檢測(cè)系統(tǒng)，包含光學(xué)系統(tǒng)、同 步控制采集系統(tǒng)、顯示控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)、同步控制采集系統(tǒng)、顯示控制系統(tǒng) 都位于轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)上；所述轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)主要由二維U型轉(zhuǎn)臺(tái)以及支撐三腳架構(gòu)成。
[0026] 所述同步控制采集系統(tǒng)包括APD(雪崩二極管）探測(cè)器、近紅外CXD相機(jī)、FPGA電 路板，其中FPGA電路板包含延時(shí)模塊，AH)探測(cè)器輸出標(biāo)準(zhǔn)TTL電平信號(hào)至FPGA電路板，經(jīng) FPGA電路板內(nèi)的延時(shí)模塊延時(shí)后輸出至近紅外CCD相機(jī)，控制其何時(shí)曝光（曝光時(shí)間）。
[0027] 所述光學(xué)系統(tǒng)包括APD探測(cè)器對(duì)應(yīng)光學(xué)鏡頭、近紅外CCD相機(jī)對(duì)應(yīng)光學(xué)鏡頭和兩 個(gè)窄帶濾波片，其中該兩個(gè)光學(xué)鏡頭同光軸，并在該兩個(gè)光學(xué)鏡頭后分別放置窄帶濾波片， 抑制背景光的影響，其中Aro探測(cè)器對(duì)應(yīng)光學(xué)鏡頭收集的光脈沖經(jīng)過窄帶濾光片后通過孔 徑光闌輸入Aro探測(cè)器。
[0028] 所述顯示控制系統(tǒng)與近紅外C⑶相機(jī)連接，設(shè)置近紅外CXD相機(jī)的采集參數(shù)并接 收近紅外CCD相機(jī)所采集的圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)光斑圖像進(jìn)行分析處理。顯示控制系統(tǒng)可以為 觸摸式平板電腦。觸摸式平板電腦通過千兆網(wǎng)線與近紅外CCD相機(jī)連接。觸摸式平板電腦 可以與轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)通過RS485串口進(jìn)行通信來控制轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，或者轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)也可以手動(dòng)調(diào) T〇
[0029] 本發(fā)明脈沖激光器遠(yuǎn)場(chǎng)光軸穩(wěn)定性檢測(cè)系統(tǒng)的近紅外CCD相機(jī)對(duì)應(yīng)光學(xué)鏡頭的 焦距為：一是要保證近紅外CCD相機(jī)的成像范圍要包含光斑及其抖動(dòng)的范圍；二是為了保 證足夠的探測(cè)精度，要求靶標(biāo)上光斑每抖動(dòng)0.Olmrad，光斑在紅外CCD相機(jī)靶面上至少移 動(dòng)3個(gè)像素。確定近紅外CCD相機(jī)對(duì)應(yīng)光學(xué)鏡頭的焦距過程為：
[0030] 近紅外CCD相機(jī)靶面的成像范圍要求如圖2所示，A區(qū)域是靶標(biāo)范圍，B區(qū)域是相 機(jī)靶面拍攝范圍，C區(qū)域是光斑范圍，B(黑色區(qū)域）和C(白色區(qū)域）區(qū)域之間的區(qū)域是光 斑抖動(dòng)范圍。
[0031] 設(shè)光斑半徑為R，接收物鏡焦距為f，光斑在靶標(biāo)上的半徑為H，靶標(biāo)與探測(cè)物鏡間 距離為1，光斑穩(wěn)定時(shí)，則成像關(guān)系如圖3所示。由成像關(guān)系可知：
[0033] 光斑抖動(dòng)時(shí)，其成像關(guān)系會(huì)變成如圖4所示。由新的成像關(guān)系可知，新光斑的半徑 范圍氏及112:
[0036]AR是指光斑抖動(dòng)的量，則光斑在紅外C⑶相機(jī)靶面上的移動(dòng)距離AH為：
[0040] 上式中，a為紅外CXD相機(jī)的單像元邊長(zhǎng)；
[0041] 設(shè)激光器發(fā)散角為0，靶標(biāo)為邊長(zhǎng)為A的正方形，激光發(fā)射系統(tǒng)到靶標(biāo)的距離為 L，光斑最大抖動(dòng)角度為P，則由以上分析可知，各項(xiàng)參數(shù)間的關(guān)系應(yīng)滿足下列幾式：

[0045] 上式中X、Y分別是紅外CXD相機(jī)靶面的長(zhǎng)和寬，n為靶標(biāo)上光斑每抖動(dòng)A0，紅外 CCD相機(jī)靶面上對(duì)應(yīng)的移動(dòng)像素?cái)?shù)，a為相機(jī)單像元邊長(zhǎng)。
[0046] 由以上三式，可得焦距應(yīng)滿足：
[0048] f^ 0. 15n
[0049]Q為激光器的發(fā)散角，且Q的最大值為0.5mrad，n為整數(shù)（可以大于等于3)。 如若設(shè)L= 2000m，A= 2m，0 = 0. 05mrad，帶入具體數(shù)值后計(jì)算可得，滿足要求的相機(jī)鏡 頭焦距f的范圍為480mm至640mm〇
[0050] 本發(fā)明脈沖激光器遠(yuǎn)場(chǎng)光軸穩(wěn)定性檢測(cè)系統(tǒng)的Aro探測(cè)器靶面對(duì)應(yīng)的成像范圍 與紅外CCD相機(jī)的成像范圍一致，Aro探測(cè)器對(duì)應(yīng)光學(xué)鏡頭的焦距滿足下式：
[0052] 上式中，r為AH)探測(cè)器靶面直徑。
[0053] 如若設(shè)L= 2000m，A= 2m，0 =0?05mrad，帶入具體數(shù)值后計(jì)算可得，滿足要求 的APD探測(cè)器的鏡頭焦距范圍為75mm至125mm。
[0054] 結(jié)合圖5,本發(fā)明脈沖激光器遠(yuǎn)場(chǎng)光軸穩(wěn)定性檢測(cè)系統(tǒng)中，圖5(a)代表激光器發(fā) 出的光脈沖，其到達(dá)Aro探測(cè)器的靶面后，經(jīng)過響應(yīng)延遲時(shí)間t后，AH)探測(cè)器輸出響應(yīng)脈 沖，如圖5中（b)所示。將此響應(yīng)脈沖輸入至FPGA電路板，經(jīng)延時(shí)模塊作用，并對(duì)此脈沖進(jìn) 行計(jì)數(shù)延時(shí)，如圖5中（c)所示，延時(shí)時(shí)間T2后，F(xiàn)PGA電路板輸出預(yù)測(cè)脈沖，此脈沖即是近 紅外CCD相機(jī)觸發(fā)信號(hào)，其頻率與激光脈沖頻率一致，但是其相對(duì)于激光脈沖有了一個(gè)超 前的相位1\，即近紅外CCD相機(jī)的觸發(fā)脈沖在每個(gè)激光脈沖到來之前產(chǎn)生，并且觸發(fā)脈沖與 激光脈沖之間的時(shí)間間隔T1固定不變。
[0055] 延時(shí)時(shí)間T2與超前相位Ti的具體大小應(yīng)綜合激光的頻率及近紅外CCD相機(jī)的最 低曝光時(shí)間確定。一般來說，目前近紅外CCD相機(jī)的最小曝光時(shí)間1~_都在微秒級(jí)以上，這 遠(yuǎn)大于激光脈沖的脈寬，所以將近紅外CCD相機(jī)的曝光時(shí)間設(shè)置為最低，這樣能有效的減 少大氣后向散射及雜散光的影響。
[0056] 激光脈沖的周期為T，設(shè)置激光光斑出現(xiàn)時(shí)間處于近紅外CCD曝光時(shí)間的中心位 置，則在FPGA電路板中所設(shè)對(duì)于APD探測(cè)器響應(yīng)脈沖的計(jì)數(shù)延時(shí)時(shí)間1~2為：
[0058]同步控制采集系統(tǒng)是同步控制采集技術(shù)，運(yùn)用這種技術(shù)不但能準(zhǔn)確地采集到連續(xù) 的、完整的光斑圖像，還可以降低大氣的后向散射以及背景光的影