一种脉冲激光器远场光轴稳定性检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光器远场光轴进行稳定性检技术，特别是一种脉冲激光器远场光轴 稳定性检测方法。
【背景技术】
[0002] 激光具有亮度高、单色性好以及方向性好的特点，因此激光的应用已遍布科技、经 济、军事及社会其它发展领域。目前激光一般局限于短距离的室内应用，而在远距离的室外 环境下，激光传输路径上会存在大气湍流和大气折射率不均匀的影响，再加上激光器本身 谐振腔的震动和激光产生过程中腔内温度变化的影响，会最终导致激光器出射光轴的抖动 及激光光束扩展效应（发散角的变化）。
[0003] 在实际应用中，光轴抖动及光束扩展效应的存在会导致激光在目标上的光斑抖 动，使得光斑实际的包络面积大于预设面积，这可能又会导致在诸如激光测距、激光制导、 激光距离选通成像等等的应用中，探测器每次接收到的激光的回波强度不一，甚至会出现 因抖动量过大，导致漏测的情况出现。这种情况的存在，会影响激光测距的测量精度、激光 制导的准确性等等，导致错误情报的出现，所以，在将激光器集成至各种系统之前，对激光 器进行远场光轴稳定性的分析，即定量的给出激光器的光轴抖动量及发散角抖动量就变得 尤为重要。
[0004] 目前，测试测量的主流是基于摄像测量理论研制出的CCD类光束分析仪，国外已 经有多家厂商推出商业化的可完成近距离光轴稳定性分析的激光分析仪器，如Thorlabs 公司的BC106系列以及以色列DumaOptronics公司的BeamOnHR。
[0005] 国内的激光光束质量分析工作起步相对于国外来说还比较晚，目前国内的成熟的 自主研发的商业化光束分析仪还很难见到，大多还停留在实验室内部研发状态，如北京跟 踪与通信技术研究所（[1]张颖新，王云萍，王禹.基于CCD的远场激光光斑测量系统开 发与应用[J].光电技术应用，2011，04:11-13+52.)、中国人民解放军总装备部军械技术研 究所（"低频窄脉冲激光光斑采集器"，专利号200910074771. 4)通过对国内国外激光光束 质量分析系统的调研与比较可以发现，国外的激光光束质量分析仪无论是在结构、原理，还 是在功能及成本方便都要远远优于国内自主研发的激光光束质量分析仪，但是目前无论是 国内还是国外，现有激光光束质量分析系统大多只能应用于短距离、环境比较简单的室内， 对于距离较远、环境比较复杂的室外环境，还几乎没有太多研究，这就使得对应用于远场 室外环境的激光光束稳定性分析变得异常困难。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种脉冲激光器远场光轴稳定性检测方法，能够对远场激 光器的光轴稳定性进行分析和检测。
[0007] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种脉冲激光器远场光轴稳定性检测方法， 步骤如下：
[0008] 第一步，通过显示控制系统进行采集设置，设置好激光脉冲周期、拍摄张数，通过 转台系统调整整个系统的方位，对准靶标，显示控制系统开始采集图像；
[0009] 第二步，激光经远场传输后在漫反射靶标形成激光光斑，光学系统收集被漫反射 靶标反射出的激光能量，通过APD探测器实时检测激光脉冲的发生时间，并输出实时响应 脉冲；已知激光脉冲频率，预计临近的下一个激光脉冲到达光学系统的时间，利用FPGA电 路板对Aro探测器输出的响应脉冲进行延时，并使得延时脉冲能精确的在下一个激光脉冲 到来之前产生；利用延时脉冲触发近红外CCD相机成像，采集到下一个到来的激光脉冲的 光斑图像，传输给显示控制系统，当采集到的光斑图像张数达到预设的拍摄张数后，采集结 束；
[0010] 第三步，对采集的光斑图像进行分析，首先，先对图像进行预处理，即区域选择、中 值滤波、开闭运算、边缘提取，以减小背景的干扰、大气扰动的影响、CCD固有噪声的影响； 其次，预处理后根据近红外CCD相机所得到图像各像素点的灰度不同，计算光斑的重心，即 强度中心；再次，用最小二乘法圆拟合算法来进行光斑拟合，计算单张光斑图像的形心，即 几何中心；最后，计算得到连续拍摄的一组光斑图像的几何、强度中心后，生成相应的折线 图，横坐标为图形序号，纵坐标为光斑的几何中心或强度中心坐标的X值或Y值，通过显示 控制系统显示出来，可以反映出光斑几何中心或强度中心在水平方向或垂直方向的变化趋 势，并计算一组光斑图像几何、强度中心的标准偏差、平均偏差以及偏离的平均角度，若小 于所允许的最大值，则符合激光器的稳定性要求，若大于所允许的最大值，则不符合激光器 的稳定性要求，从而得到激光器光轴的稳定性信息。
[0011] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)利用CCD相机结合同步控制采集技术对 激光光斑进行实时采集，再对光斑数据进行分析，从而得到激光器远场光轴的稳定性信息， 解决了同步采集激光光斑图像的问题，使得采集系统能够自动、实时、完整的采集到连续光 斑图像。（2)针对远场测量设计的光学系统，能够适应远距离、背景复杂的野外环境。
[0012] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明脉冲激光器远场光轴稳定性检测系统的组成框图。
[0014] 图2是本发明的相机成像区域示意图。
[0015]图3是本发明的物镜成像关系图（激光光轴稳定）。
[0016]图4是本发明的物镜成像关系图（激光光轴抖动）。
[0017]图5是本发明的同步控制采集系统的时序图：(a)代表激光器发出的光脉冲，（b) 代表APD探测器输出的响应脉冲，（c)代表响应脉冲输入至FPGA电路板时对此脉冲进行计 数的延时图。
[0018] 图6是本发明的系统原理框图。
[0019] 图7是本发明脉冲激光器远场光轴稳定性检测方法的工作流程图。
[0020] 图8是原始光斑图像。
[0021] 图9是平滑后的光斑图像。
[0022] 图10是开闭运算后的光斑图像。
[0023] 图11是Canny算子检测出的光斑图像边缘。
[0024] 图12是最小二乘法圆拟合算法拟合圆效果图。
【具体实施方式】
[0025] 结合图1和图6,本发明脉冲激光器远场光轴稳定性检测系统，包含光学系统、同 步控制采集系统、显示控制系统和转台系统，光学系统、同步控制采集系统、显示控制系统 都位于转台系统上；所述转台系统主要由二维U型转台以及支撑三脚架构成。
[0026] 所述同步控制采集系统包括APD(雪崩二极管）探测器、近红外CXD相机、FPGA电 路板，其中FPGA电路板包含延时模块，AH)探测器输出标准TTL电平信号至FPGA电路板，经 FPGA电路板内的延时模块延时后输出至近红外CCD相机，控制其何时曝光（曝光时间）。
[0027] 所述光学系统包括Aro探测器对应光学镜头、近红外CCD相机对应光学镜头和两 个窄带滤波片，其中该两个光学镜头同光轴，并在该两个光学镜头后分别放置窄带滤波片， 抑制背景光的影响，其中Aro探测器对应光学镜头收集的光脉冲经过窄带滤光片后通过孔 径光阑输入Aro探测器。
[0028] 所述显示控制系统与近红外C⑶相机连接，设置近红外CXD相机的采集参数并接 收近红外CCD相机所采集的图像数据，并对光斑图像进行分析处理。显示控制系统可以为 触摸式平板电脑。触摸式平板电脑通过千兆网线与近红外CCD相机连接。触摸式平板电脑 可以与转台系统通过RS485串口进行通信来控制转台的转动，或者转台系统也可以手动调 T〇
[0029] 本发明脉冲激光器远场光轴稳定性检测方法的近红外CCD相机对应光学镜头的 焦距为：一是要保证近红外CCD相机的成像范围要包含光斑及其抖动的范围；二是为了保 证足够的探测精度，要求靶标上光斑