CN103256503B - 寻址式高速赝热光源的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种寻址式高速赝热光源的制备方法，其构成包括，脉冲式激光器，控制器，随机相位板，电控二维转台和阵列探测器，所述电控二维转台驱动随机相位板以预定路径扫描，控制器控制脉冲式激光器发出激光脉冲的时刻，激光脉冲每次都照射到随机相位板预定扫描区域，发出的激光散斑序列与预定扫描区域一一对应。本发明寻址式赝热光源发出的激光散斑具有可寻址、发射速度快等特点，应用在强度关联成像中可实现高速成像。

Description

寻址式高速赝热光源的制备方法

技术领域

本发明涉及赝热光源，特别是一种寻址式高速赝热光源的制备方法，可应用于强度关联成像领域。

技术背景

强度关联成像，是将具有空间强度涨落的光场照射到目标上，只需多次采样目标的回波能量就可恢复出目标清晰的像。由于真实的热光场通常相干时间短、亮度低，一般探测器难以捕捉其强度的涨落。为克服上述缺陷，模拟真实热光场统计特性的赝热光源被引入到关联成像中。由于强度关联成像需要多次采样，而采样速度与赝热光源激光散斑发射速度直接相关，因此赝热光源的激光散斑发射速度一定程度上决定关联成像的成像速度。

在先技术1（中国专利，申请号201010573043.0）与在先技术2（中国专利，申请号201010165061.5）使用液晶空间激光调制器对激光作特定调制产生赝热光源，由于液晶材料的光损伤阈值低，不适宜使用在需要高激光能量的遥感探测中，而且由受到图像传输带宽的限制，该发明中赝热光源发射的激光散斑帧率较低，导致成像速度难以提高，如在先技术2中就特别提到，其“液晶光阀控制系统在同一周期中，用于触发脉冲式激光器的脉冲要比触发液晶光阀的脉冲延迟至少20ms”，也就是说，该发明激光散斑发射速率小于50Frames/s。

在先技术3（中国专利，申请号200710036968.X）发明一种高亮度脉冲式赝热光源，通过自由旋转的毛玻璃对激光随机调制产生空间涨落的激光散斑，由于该发明中激光对毛玻璃的扫描没有路径规划和时序约束，从而激光脉冲照射到毛玻璃上区域是随机的，导致毛玻璃后方出现的激光散斑也是随机的，发出激光散斑序列不可重复利用，该发明应用在实际关联成像中，需要利用参考臂实时采集激光散斑的强度涨落，导致成像速度受到于图像采集及传输速度的限制。

发明内容

为克服上述在先技术的不足，达到既实现赝热光源激光散斑的高速发出，又同时省去实时探测激光散斑强度涨落的效果，本发明提出寻址式高速赝热光源的制备方法，该赝热光源发射的激光散斑与随机相位板上预定扫描区域一一对应，只需预先采集预定扫描区域所对应的激光散斑序列并存储下来，在之后随机相位板的扫描过程中，该赝热光源发射的激光散斑强度涨落可以通过寻址获得，应用在关联成像中，可省去参考光场的采集，实现高速成像。所述的寻址式高速赝热光源，散斑发射帧率可达到5K Frames/s以上，可极大提高关联成像速度。

本发明的技术解决方案如下：

一种寻址式高速赝热光源的制备方法，该赝热光源组成包括脉冲式激光器、控制器、随机相位板、电控二维转台和阵列探测器，上述元部件的位置关系如下：

所述脉冲式激光器是单横模脉冲式激光器，脉冲宽度纳小于微秒级；沿该脉冲式激光器发出的激光光轴方向依次是所述的随机相位板、电控二维转台和阵列探测器；所述的阵列探测器的中心位于脉冲式激光器发出的激光束光轴上，所述电控二维转台由电控旋转台和电控平移台组成；所述的随机相位板安装在电控旋转台的旋转轴上，所述的随机相位板的中心与所述的光轴处于同一高度，所述的随机相位板的平面与所述的光轴垂直；所述电控旋转台安装有角度传感器，以精密定位旋转角度；所述电控平移台安装有位移传感器，以精密定位平移距离；所述的控制器的输出端与所述的脉冲式激光器的控制端相连，所述的控制器的输入输出端分别与所述的所述电控旋转台、所述电控平移台和所述的阵列探测器相连，其特点在于：

该寻址式高速赝热光源的构建方法包括下列步骤：

①预先对随机相位板规划出一定数量的预定扫描区域，该预定扫描区域由起点区域至终点区域呈阿基米德螺线排列；

②脉冲式激光器发出激光照射到随机相位板上，将脉冲式激光器发出的激光对准预定扫描区域的起点区域，对准过程是：控制器同时驱动电控旋转台旋转和电控平移台平移，激光器发出的激光照射在随机相位板的光点作螺线扫描运动，当激光照射到预定扫描区域起点区域时，停止电控二维转台的平移和旋转和脉冲式激光器的触发；

③脉冲式激光器发出的激光对随机相位板平面低速扫描，所述的控制器同步控制驱动电控旋转台的旋转和电控平移台的平移，脉冲式激光器和阵列探测器协同工作：所述的控制器同时驱动电控旋转台低速旋转和电控平移台低速平移，带动安装在电控旋转台转轴上的随机相位板运动，使所述的激光光轴落在随机相位板上第i个预定扫描区域，控制器同步控制脉冲式激光器发出第i个脉冲激光，该脉冲激光照射在随机相位板上第i个预定扫描区域，在所述的随机相位板的后方空间呈现第i个激光散斑，所述的控制器触发所述的阵列探测器同步记录所述的第i个激光散斑，并采集电控旋转台角度传感器编码信号θ_i和电控平移台位移传感器编码信号R_i，将采集的角度传感器编码信号θ_i和位移传感器编码信号R_i作为阵列探测器采集的相应第i个激光散斑的地址，配对存储在控制器的存储单元中；

④重复步骤③共N次，i＝1～N，直至脉冲式激光器发出的激光脉冲照射到随机相位板的终点区域，即的第N个扫描区域时，扫描完成，在所述的控制器的存储单元中完整地存储第1～N个激光散斑及相应的激光散斑地址（R_i，θ_i）。

所述的阵列探测器是CCD相机或CMOS相机；

所述的所述随机相位板是中心有通孔的圆盘状的喷砂玻璃或磨砂玻璃；

所述的控制器是工控机、高档微机或嵌入式控制设备，配置有微处理器控制单元、存储单元及输入输出单元。

按上述方式，所述寻址式赝热光源制备完成，在具体的应用中，所述寻址式高速赝热光源工作方式是：首先，控制器触发脉冲式激光器发出激光脉冲，同时驱动电控旋转台的旋转和电控平移台的平移，脉冲式激光器发出的激光在随机相位板上扫描，将激光对准随机相位板预定扫描区域起点后，停止激光器的触发和电控二维转台的运动；然后，控制器协同驱动电控平移台高速平移和电控旋转台高速旋转，电控旋转台旋转的速度和电控平移台的平移速度恒定，控制器控制脉冲式激光器发出激光的时刻，使激光脉冲每次都照射随机相位板预定扫描区域，当激光脉冲照射到预定扫描区域终点时，再次执行先前的回到扫描起点的过程，重新开始下一轮扫描，如此不断循环扫描；在上述扫描过程中，脉冲式激光器每次发出激光时，控制器仅采集电控平移台位移传感器信号和电控旋转台角度传感器信号，此二维编码坐标信号作为地址，从控制器预先存储的激光散斑序列中寻址即可得到当前出现在随机板后方空间的激光散斑的强度涨落。

本发明的技术效果是：

本发明寻址式高速赝热光源实现了利用随机相位板上预定扫描区域对激光脉冲作预定相位调制，既达到了激光散斑高速率发出的目标，又创造性地利用寻址方式获取激光散斑的强度涨落，替代传统的利用阵列探测器实时采集的方式。

所述的寻址式高速赝热光源具有如下优势：

1、本发明比与液晶空间光调制器产生的赝热光源，具有激光散斑发射速度快、可应用于高能量遥感探测领域的优势；

2、本发明比与毛玻璃自由旋转产生的赝热光源，本发明赝热光源散斑序列强度涨落可通过寻址获得，无需实时采集。

3、本发明应用于强度关联成像中，发射的激光散斑序列可预先存储在控制器中，成像过程可省去参考光场的采集，只需通过寻址即可得到当前激光散斑强度涨落；扫描速度越快，成像速度越高，所述的寻址式高速赝热光源散斑发射速率可达到5K Frames/s以上，可极大提高成像速度。

附图说明

图1是本发明寻址式高速赝热光源结构示意图

图2是本发明寻址式赝热光源实施例1中时序控制示意图

图3是实施例1随机相位板预定扫描区域规划示意图

图4是实施例2随机相位板预定扫描区域规划示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是本发明寻址式高速赝热光源的结构示意图，也是本发明的一个优选实施例的结构示意图。从图中可以看出，本发明寻址式高速赝热光源，包括脉冲式激光器1、控制器2，相位板3、电控二维转台4和阵列探测器5。

沿脉冲式激光器1发出的激光束方向依次放置有随机相位板3、电控二维转台4和阵列探测器5；阵列探测器5的中心位于脉冲式激光器1发出的激光束中心轴线上，随机相位板3中心与脉冲式激光器1发出的激光束中心轴线处于同一高度；

所述的电控二维转台4由电控旋转台401和电控平移台402组成，电控旋转台401安装在电控平移台402上；电控旋转台401的旋转平面与电控平移台402的平移方向平行，电控旋转台401旋转平面、电控平移台402平移方向与脉冲式激光器1发出的激光束方向垂直；电控平移台402平移行程处于脉冲式激光器1发出的激光束中心轴线方向的一侧；所述的随机相位板3安装在电控旋转台401上，随机相位板3平面平行于电控旋转台401的旋转平面，且与脉冲式激光器1发出的激光束方向垂直；

所述的控制器2与脉冲式激光器1、电控二维转台4和阵列探测器相连5相连,以同步控制脉冲式激光器1激光脉冲的触发、电控二维转台2的运动和阵列探测器5图像的采集；

所述的脉冲式激光器1为单横模激光器，激光脉冲宽度小于50ns，触发频率100～20K Hz，可内触发或外部TTL电平触发；所述的随机相位板3是磨砂玻璃，外径65mm，内径15mm；所述的电控平移台402最高速度50mm/s,行程60mm，内置位移传感器为光栅尺，光栅尺绝对定位精度1微米；电控旋转台401最高速度3000r/min，内置角度传感器为12位单圈绝对值式编码器;所述的阵列探测器5是CCD工业相机。所述的控制器2是工控机，外围设备包括输入键盘、LED显示屏、高速存储器和输入输出接口；

所述寻址式高速赝热光源构建遵循如下步骤：首先，对随机相位板3平面规划出N个预定扫描区域，预定扫描区域从起点区域到终点区域呈阿基米德螺线排列，具体规划实施例见图3和图4；然后，控制器2触发脉冲式激光器1发出激光，同时驱动电控平移台402平移和电控旋转台401旋转，激光在随机相位板3上扫描，当激光对准预定扫描区域起点区域，停止电控二维转台4的运动和脉冲式激光器1的触发；此后，控制器2驱动电控平移台402低速平移和电控旋转台401低速旋转，电控平移台402平移速度与电控旋转台401旋转角速度恒定，安装在电控二维转台4上的随机相位板3以阿基米德螺线路径扫描，在扫描过程中，当所述光轴对准随机相位板第i个扫描区域时，控制器2控制脉冲式激光器1发出第i个激光脉冲，并利用阵列探测器5同步采集随机相位板3后方出现第i个激光散斑和此时电控平移台402的位移编码信号Ri和电控旋转台401的角度编码信号θ_i，将（R_i，θ_i）作为第i个激光散斑的地址，与第i个激光散斑一起配对存储在控制器2的存储单元中；持续扫描，i从1到N变化，当激光脉冲照射到随机相位板第N个扫描区域时，停止扫描，脉冲式激光器1停止触发，电控二维转台4停止平移和旋转，控制器2完整地存储了第1～N个激光斑斑及其对应的预定扫描区域坐标；

在上述扫描过程中，为保证脉冲式激光器1发出的激光每次都照射到随机相位板3的预定扫描区域，脉冲式激光器1的触发、电控二维平台4的运动和阵列探测器5图像采集满足严格的时序关系，如图2所示，控制器2实时采集电控旋转台401的编码器信号与电控平移台402的光栅尺信号，每次即将到达预定扫描区域中心时，发出二维扫描同步信号，同时控制器2向脉冲式激光器1发出触发信号，随后脉冲激光发出，控制器2同时向阵列探测器5发出触发信号，使脉冲激光刚好在阵列探测器5曝光时间内。

根据所述随机相位板3预定扫描区域规划的不同，控制器2对电控二维转台4的驱动速度和脉冲式激光器1激光脉冲触发时间间隔也不相同，以下是优选的两个具体实施例：

从脉冲式激光器1发出激光的方向观察随机位相板3，在随机位相板3平面以随机相位板3中心建立绝对式极坐标系，极轴方向与电控平移台402平移方向平行，角坐标增加方向与电控旋转台401旋转方向相反；脉冲式激光器1发出的激光照射到随机相位板3区域的中心坐标可由电控平移台402的平移编码R和电控旋转台401的角度编码θ唯一定义；

图3是所述随机相位板3预定扫描区域规划的实施例1，预定扫描区域中心坐标位置如下，

$\left\{\begin{array}{cc}{R}_1=L,{\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{\π}& \\ R_n=R_{n-1}-d*d/R_{n-1},& n=\mathrm{2,3},...N\\ {\mathrm{\θ}}_n={\mathrm{\θ}}_{n-1}+d/R_{n-1}& \end{array}\right.$

式中，（R_n，θ_n）分别是预定扫描区域中心坐标,L是起点半径，d是脉冲式激光器1发出的脉冲激光光斑直径；

按实施例1规划预定扫描区域，扫描过程中，二维转台4速度与激光脉冲触发时间间隔满足如下关系，

$T_n=\frac{R_{n+1}-R_n}{V}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{n+1}-{\mathrm{\θ}}_n}{\mathrm{\ω}}$

电控平移台402平移速度V与电控旋转台401旋转角速度ω保持恒定，T_n是从所述随机相位板3的第n个预定扫描区域扫描到第n+1预定扫描区域的时间间隔，根据图2所述的时序关系，T_n等于脉冲式激光器1发出激光脉冲的时间间隔；按实施例1规划预定扫描区域，所述的随机相位板3面积可得到充分利用，但脉冲式激光器1发出激光脉冲时间间隔是变化的，随机相位板3扫描过程中，脉冲激光时间间隔须实时更新，具体方法是：脉冲激光时间间隔数据T_n以表格形式存储在控制器2中，脉冲式激光器1每次发出激光脉冲照射到预定扫描区域后，从T_n的时间间隔表格中读取下一时间间隔，更新脉冲式激光器1发出激光脉冲的时间间隔；

图4是所述随机相位板3预定扫描区域规划的实施例2，预定扫描区域中心坐标位置如下，

$\left\{\begin{array}{c}{R}_n=L-(n-1)\×r\\ {\mathrm{\θ}}_n=\mathrm{\π}+(n-1)\×\mathrm{\θ}\end{array}\right.,n=\mathrm{1,2}...N$

所述随机相位板3上所有预定扫描区域的中心间隔恒等于r和θ，r和θ的平方和必须不小于脉冲式激光器1发出激光脉冲的光斑直径，L是预定扫描区域的起点半径；

按上述实施例2规划随机相位板3预定扫描区域，对随机相位板3扫描过程中，电控二维转台4速度与激光周期满足如下关系：

$T=\frac{r}{V}=\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\ω}}$

电控平移台402平移速度V与电控旋转台401旋转角速度ω保持恒定，其比例等于r和θ的比值，脉冲式激光器1发出的脉冲激光时间间隔T恒定，按所述实施例2规划预定扫描区域，激光周期是恒定的，但相位板面积没有充分利用，按预定扫描区域规划实施例2对随机相位板3进行规划，制备所述的寻址式赝热光源，该发明正常工作时，以参数ω=27.8π/s，V=50mm/s,r=10um,θ=1°，N=3000方式正常工作，经实验证实激光散斑发射速率可达到5K Frames/s以上。

本发明不限于上述具体实施例，所述寻址式高速赝热光源最大的特色是可通过寻址获取激光散斑的强度涨落，应用于关联成像中，可省去参考光场激光散斑涨落的实时采集，实现高速成像。

Claims (4)

1.一种寻址式高速赝热光源的制备方法，该赝热光源组成包括脉冲式激光器(1)、控制器(2)、随机相位板(3)、电控二维转台(4)和阵列探测器(5)，上述元部件的位置关系如下：

所述脉冲式激光器(1)是单横模脉冲式激光器，脉冲宽度小于微秒级；沿该脉冲式激光器(1)发出的激光光轴方向依次是所述的随机相位板(3)、电控二维转台(4)和阵列探测器(5)；所述的阵列探测器(5)的中心位于脉冲式激光器(1)发出的激光束光轴上，所述电控二维转台(4)由电控旋转台(401)和电控平移台(402)组成；所述的随机相位板(3)安装在电控旋转台(401)的旋转轴上，所述的随机相位板(3)的中心与所述的光轴处于同一高度，所述的随机相位板(3)的平面与所述的光轴垂直；所述电控旋转台(401)安装有角度传感器，以精密定位旋转角度；所述电控平移台(402)安装有位移传感器，以精密定位平移距离；所述的控制器(2)的输出端与所述的脉冲式激光器(1)的控制端相连，所述的控制器(2)的输入输出端分别与所述的电控旋转台(401)、所述电控平移台(402)和所述的阵列探测器(5)相连，其特征在于：

该寻址式高速赝热光源的构建方法包括下列步骤：

①预先对随机相位板(3)规划出一定数量的预定扫描区域，该预定扫描区域由起点区域至终点区域呈阿基米德螺线排列；

②脉冲式激光器(1)发出激光照射到随机相位板(3)上，将脉冲式激光器(1)发出的激光对准预定扫描区域的起点区域，对准过程是：控制器(2)同时驱动电控旋转台(401)旋转和电控平移台(402)平移，激光器(1)发出的激光照射在随机相位板(3)的光点作螺线扫描运动，当激光照射到预定扫描区域起点区域时，停止电控二维转台(4)的平移和旋转和脉冲式激光器(1)的触发；

③脉冲式激光器(1)发出的激光对随机相位板(3)平面低速扫描，所述的控制器(2)同步控制驱动电控旋转台(401)的旋转和电控平移台(402)的平移，脉冲式激光器(1)和阵列探测器(5)协同工作：所述的控制器(2)同时驱动电控旋转台(401)低速旋转和电控平移台(402)低速平移，带动安装在电控旋转台(401)转轴上的随机相位板(3)运动，使所述的激光光轴落在随机相位板(3)上第i个预定扫描区域，控制器(2)同步控制脉冲式激光器(1)发 出第i个脉冲激光，该脉冲激光照射在随机相位板(3)上第i个预定扫描区域，在所述的随机相位板(3)的后方空间呈现第i个激光散斑，所述的控制器(2)触发所述的阵列探测器(5)同步记录所述的第i个激光散斑，并采集电控旋转台(401)角度传感器编码信号θ_i和电控平移台(402)位移传感器编码信号R_i，将采集的角度传感器编码信号θ_i和位移传感器编码信号R_i作为阵列探测器(5)采集的相应第i个激光散斑的地址，配对存储在控制器(2)的存储单元中；

④重复步骤③共N次，i＝1～N，直至脉冲式激光器(1)发出的激光脉冲照射到随机相位板(3)的终点区域，即第N个扫描区域时，扫描完成，在所述的控制器(2)的存储单元中完整地存储第1～N个激光散斑及相应的激光散斑地址(R_i，θ_i)。

2.根据权利要求1所述的寻址式高速赝热光源的制备方法，其特征在于所述的阵列探测器(5)是CCD相机或CMOS相机。

3.根据权利要求1所述的寻址式高速赝热光源的制备方法，其特征在于所述的随机相位板(3)是中心有通孔的圆盘状的喷砂玻璃或磨砂玻璃。

4.根据权利要求1所述的寻址式高速赝热光源的制备方法，其特征在于所述的控制器(2)是工控机、高档微机或嵌入式控制设备，配置有微处理器控制单元、存储单元及输入输出单元。