CN109900357B - 一种测量靶面大尺度激光光斑的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量靶面大尺度激光光斑的方法及系统，针对现有大尺寸激光光斑测量方法测量得到的光斑会出现许多与漫反屏的特性相关的“亮点”，进而影响激光光斑测量的准确性问题，通过将放置在靶面处的漫反屏在靶平面内以平动或旋转运动的方式缓慢地匀速运动起来，用相机拍摄激光束照射在漫反屏前表面不同位置处的光斑图像，对拍摄的光斑图像进行长曝光图像数据处理，获取消除“亮点”后的光斑图像、即获得真实可信的激光光斑分布特征，有效地解决了采用常规相机成像法测量大尺寸激光光斑时出现的“亮点”问题，不需引入光学系统、无像差，且易于实现。

Description

一种测量靶面大尺度激光光斑的方法及系统

技术领域

本发明涉及激光与物质相互领域中的一种激光光斑测量方法，尤其涉及一种测量靶面大尺度激光光斑的方法及系统。

背景技术

自1960年第一台激光器问世以来，激光器的性能不断地提高和改善。凭借其方向性好、能量密度高等特点，被广泛应用于信息、医学、工业以及军事等领域。激光与物质相互作用研究同激光的工程和科学应用密切相关，大多数的激光应用都要通过激光与物质相互作用这座桥梁才能实现。

激光与物质相互作用研究泛指激光束辐照各种介质、材料和结构物(统称靶物质)所发生的物理、化学、生物等现象的研究领域。激光辐照靶物质后发生的主要物理现象，可归结为力学、热学和光电效应，主要研究内容和方向可分为物质对激光的反射、吸收和能量转化；激光对材料和结构的加热、熔化、气化和相关的力学效应；激光对电介质(包括光学材料和光学薄膜)和半导体的损伤及破坏等。

在激光与物质相互作用研究领域中，靶面激光光斑测量是获得靶面处激光功率密度分布的主要手段，非常重要，它可能决定激光与靶目标相互作用过程中的主要物理机制。

按激光光斑测量的主要设备(即实际接收激光光束的设备)来划分，常用的大尺度激光光斑测量方法有相机成像法和靶斑仪法。相机成像法利用光学系统对靶面共轭面成像，即在共轭面处放置一个具有良好朗伯散射特性(漫反射或漫透射)的屏，用相机对散射屏成像，相机输出图片中各像素点的灰度值代表光的强弱；靶斑仪法则将激光采样面直接置于靶面的共轭面上，一般由靶斑仪(由多个单元探测器按一定方式组成的平面阵列，以一定的时空分辨率对辐照到其探测面上的激光束功率进行采样的装置)和信号处理设备组成，靶斑仪中单元探测器的输出电压值代表光的强弱。相机成像法和靶斑仪法差异的实质在于是否对靶面共轭面成像，当靶面处的激光光斑尺寸小于相机的感光面时，可以用相机感光面直接接收激光光束，此时不带镜头的相机应视为靶斑仪，相应的方法归入靶斑仪法；当靶面处的激光光斑尺寸较大时，采用靶斑仪法测量时系统规模可能很大，且光斑分辨率受探测器平面阵列排布的限制。因此，在激光与物质相互作用领域中，通常采用相机成像法测量靶面处大尺度的激光光斑分布特征。

在本发明作出之前，在“切向气流作用下激光对纤维增强树脂基复合材料的辐照效应研究”([D]国防科技大学博士研究生论文.2012.)和“一种大尺寸激光光斑实时监测方法”(发明专利证书第1583088号)中，均采用相机成像法测量靶面处大尺寸的激光光斑。采用上述方法测量激光光斑时，光斑内常常出现许多“亮点”，这些“亮点”与漫反屏的特性有关，并不反映真实光强，严重影响了光斑测量的准确性。如图1给出的是采用常规相机成像法测量得到的靶面典型光斑照片，照片中各像素点的灰度值代表光的强弱，可以看出图中存在许多“亮点”，这些“亮点”是由于激光被漫反屏上的个别颗粒强散射造成的，因此该光斑图像并不能准确表征激光功率密度的空间分布特征。

发明内容

针对现有大尺寸激光光斑测量方法测量得到的光斑会出现许多与漫反屏的特性相关的“亮点”，影响了激光光斑测量的准确性问题，本发明提供一种测量靶面大尺度激光光斑的方法及系统，通过将放置在靶面处的漫反屏在靶面内以平动或旋转的方式缓慢地匀速运动起来，用相机拍摄激光束照射在漫反屏前表面不同位置处的光斑图像，对拍摄的多张光斑图像进行长曝光图像数据处理，获取消除“亮点”后的激光光斑图像、即获得真实可信的激光光斑分布特征，有效地解决采用常规相机成像法测量大尺寸激光光斑时出现的“亮点”问题、即解决激光光斑测量不准确问题，不需引入光学系统、不产生像差，且易于实现。

为了实现上述方面目的，本发明提供一种测量靶面大尺度激光光斑的方法及系统，其采用的技术方案是：

一种测量靶面大尺度激光光斑的方法，包括以下步骤：

S1、根据事先制定的激光辐照试验方案，安装激光器与光束控制系统，使激光器发射的激光束经光束控制系统变换后垂直照射到放置靶目标的平面上；

S2、将漫反屏的前表面放置在靶面处，并在漫反屏前表面放置标尺或已知尺寸的标示物，激光束照射在漫反屏上；

S3、安装相机与衰减片夹持装置，使光斑、标尺或已知尺寸的标示物位于相机的视场角内，相机入瞳轴线与漫反屏垂直；

S4、根据辐照在漫反屏上激光的强弱合理地调节相机快门、曝光量、衰减片以及激光器发射功率等参数，使得无激光区域(对应背景)像素的灰度值较小，而激光光斑最强区域像素的灰度值接近饱和值但不饱和；

S5、判断光斑尺寸是否符合试验方案预期，否则通过调整光束控制系统直至靶面处的光斑尺寸满足需求；

S6、将放置在靶面处的漫反屏在靶面内做匀速的水平移动或升降运动或旋转运动，对平动或转动速度的要求是相机拍摄两幅图像的时间间隔Δt内，漫反屏平动或转动的尺度大于“亮点”的尺度d，即运动速度v满足：v×Δt>d，漫反屏以速度v运动时所述相机拍摄的图像保持清晰，即运动速度v不能快到导致图像模糊；

S7、在漫反屏运动时，保持相机视场不变的情况下连续采集图像，获取光斑在漫反屏前表面不同位置处的多张光斑图像，其中，相机连续拍摄至少十张光斑图像；

S8、对上一步采集的多张光斑图像进行长曝光图像数据处理，获取消除“亮点”后的光斑图像。由于上一步中相机连续拍摄光斑图像时，相机的视场保持不变，且漫反屏仅在靶面内运动，因此拍摄的激光光斑在各图像中的相对位置保持不变、即激光光斑占据的像素数量及位置相同。为此，本发明采用如下方式进行长曝光图像数据处理：

S81、提取各光斑图像各像素点对应的灰度值、即各图像的灰度值矩阵A_ij，i、j表征灰度值矩阵的行和列、即光斑图像的高(单位为像素)和宽(单位为像素)；

S82、求取上一步拍摄的多张光斑图像灰度值矩阵的算术平均值，获得长曝光图像灰度值矩阵S_ij，其中

n为拍摄的光斑图像数量；

S83、根据上一步获得的长曝光图像灰度值矩阵S_ij生成新的光斑图像，即获得消除“亮点”后的光斑图像。

为了实现上述方面目的，本发明还提供了一种测量靶面大尺度激光光斑的系统，其包括：

激光器：用于产生激光束。

光束控制系统：用于对激光器输出的光束进行变换，控制靶面处的激光光斑尺寸。

相机：用于拍摄光斑图像，相机入瞳轴线应尽量与漫反屏垂直；其中优选的，对可见光相机的对焦和视野标定：在漫反屏前表面上放置尺度已知的板状物体(如带水平和竖直刻度的十字标尺)，在可见光下，针对板状物体完成相机对焦和视野标定；进一步优选的，对红外相机的对焦和视野标定：在漫反屏前表面上放置相机可见、且轮廓分明的板状物体(如辐射谱的中心线位于相机响应波段内的发热体)，针对该板状物体完成相机对焦，在测量面上移动相机可见的特征点，通过测量该特征点空间位置的变化，完成视野标定，可使用相机可见的激光束照明十字标尺，完成相机的精确对焦和视野标定。

衰减片夹持装置及衰减片：用于控制进入相机光瞳内的激光能量；其中优选的，靶面激光光斑测量时，需根据预测的激光功率密度，首先选用较大的衰减比，以避免相机被损伤；捕捉到光斑后，读出最强区域的灰度值；如果饱和，则加大衰减比，使得无激光区域(对应背景)像素的灰度值较小，而最强区域像素的灰度值接近饱和值但不饱和。进一步优选的，可通过漫反屏标定衰减比与像素灰度值的关系，以方便在光斑测量时选定合适的衰减比；用亮度可调、功率较稳定的同波长光源辐照漫反屏，用相机记录漫反屏上的光斑；不加衰减片，调节光源功率，使得图像较强区域A的像素接近饱和；保持其它条件不变，在相机前放置已知衰减比的衰减片，读出这种衰减比下区域A像素的灰度值，用这种方法可以获得衰减比与像素灰度值的关系。

漫反屏：用于进行光束散射变换，放置在靶面处，具有良好的朗伯散射特性；其中优选的，漫反屏的双向散射分布函数随角度和空间位置的相对变化应小于10％；进一步优选的，光斑测量辐照过程中因屏的温升而导致的半球散射率相对变化应小于10％。

磁流体旋转机构：用于支撑、固定漫反屏，并控制漫反屏在靶面内的转动。

竖向移动机构：用于支撑磁流体旋转机构，并控制磁流体旋转机构在竖直方向的移动、即控制漫反屏在靶面内上下移动。

水平移动机构：固定在光学平台上，用于支撑竖向移动机构，并控制竖向移动机构在水平方向的移动、即控制漫反屏在靶面内左右方向移动。

旋转伺服反馈控制系统：用于控制磁流体旋转机构。

平移伺服反馈控制系统：用于控制移动机构和移动机构在竖向与水平方向移动。

控制电脑：用于控制激光器、相机的启闭，接收相机拍摄的多张光斑图像并进行长曝光图像数据处理，输出消除“亮点”后的光斑图像。

进一步优选的，竖向移动机构和水平移动机构可以是油缸或气缸驱动，磁流体旋转机构固定安装在油缸或气缸的输出端上，油缸或气缸的移动方向与漫反屏所在的平面平行。优选的，竖向移动机构和水平移动机构也可以是电机驱动，即竖向移动机构和水平移动机构均包括电机、丝杠与丝杠螺母，磁流体旋转机构固定连接在丝杠螺母上，丝杠螺母螺纹连接在丝杠上，丝杠与漫反屏所在的平面平行，丝杠连接在电机的输出端上，电机带动丝杠旋转，进而带动丝杠螺母平移，进而带动磁流体旋转机构移动、即漫反屏移动。

进一步优选的，控制电脑主要用于硬件控制和图像数据处理，硬件控制方面除了控制激光器、相机的启闭，还可以控制旋转伺服反馈控制系统和平移伺服反馈控制系统；图像数据处理方面，计算机存储有长曝光图像数据处理程序并与相机通信相连，计算机接收相机拍摄的多张光斑图像并进行长曝光图像数据处理，输出消除“亮点”后的光斑图像。

本发明的有益技术效果：

1、本发明提供了一种有效测量靶面处大尺度激光光斑的方法及系统，它通过使放置在靶面处的漫反屏在靶面内缓慢地运动起来，再用相机拍摄激光束照射在漫反屏前表面不同位置处的光斑图像，对拍摄的光斑图像进行长曝光图像数据处理，获得真实可信的激光光斑分布特征。

2、本发明解决了常规相机成像法测量靶面大尺寸激光光斑时出现的“亮点”问题，不需引入光学系统、无像差，且易于实现。

3、本发明解决了激光与物质相互作用研究领域中，难以准确获得靶面大尺度激光功率密度分布问题，为深入揭示激光与靶目标的相互作用机理提供了重要支撑。

附图说明

图1是常规相机成像法测量得到的靶面典型光斑照片；

图2是测量靶面大尺度激光光斑方法的流程示意图；

图3是测量靶面大尺度激光光斑系统的结构示意图；

图4是本实施方法测量得到的靶面典型光斑照片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步地描述。需要说明的是，在附图或说明书描述中，未描述的内容以及部分英文简写为所属技术领域中普通技术人员所熟知的内容。本实施例中给定的一些特定参数仅作为示范，在不同的实施方式中该值可以相应地改变为合适的值。

如附图2所示本实施例公开了一种测量靶面大尺度激光光斑的方法，包括以下步骤：

S1、根据事先制定的激光辐照试验方案，安装激光器(输出波长1080nm)与光束控制系统(主要包括介质膜高反镜、介质膜凸透镜和介质膜凹面镜等)，使激光器发射的激光束经光束控制系统变换后垂直照射到放置靶目标的平面上；

S2、安装漫反屏，本实施例将喷砂颗粒约0.1mm、尺寸300mm×300mm×5mm的方形铝合金漫反屏放置在靶面处；

S3、安装相机与衰减片夹持装置，本实施例选用分辨率2592×1944、像元尺寸2.2微米的大恒DH-HV5051 UM-M型黑白相机，使漫反屏位于相机的视场内、相机入瞳轴线尽量与漫反屏垂直；

S4、根据辐照在漫反屏上激光的强弱合理地调节相机快门、曝光量、衰减片以及激光功率等参数，使得无激光区域(对应背景)像素的灰度值较小(为3或4)，而最强区域像素的灰度值接近饱和值但不饱和(饱和值255)；

S5、判断光斑尺寸是否符合试验方案预期，否则通过调整光束控制系统直至靶面处的光斑尺寸满足需求，本实施例设计的到靶光斑直径为160mm；

S6、将放置在靶面处的漫反屏在靶面内竖直方向以约1mm/s的速度匀速运动起来；

S7、在漫反屏运动时，保持相机视场不变的情况下以约5Hz的频率连续采集图像，获取光斑在漫反屏前表面不同位置处的多张光斑图像；

S8、对上一步采集的70张光斑图像进行长曝光图像数据处理，获取消除“亮点”后的光斑图像。由于上一步中相机连续拍摄光斑图像时，相机的视场保持不变，且漫反屏仅在靶面内运动，因此拍摄的激光光斑在各图像中的相对位置保持不变、即激光光斑占据的像素数量及位置相同。为此，本发明采用如下方式进行长曝光图像数据处理：

S81、提取各光斑图像各像素点对应的灰度值、即各图像的灰度值矩阵A_ij，i、j表征灰度值矩阵的行和列、即光斑图像的高(单位为像素)和宽(单位为像素)；

S82、求取上一步拍摄的多张光斑图像灰度值矩阵的算术平均值，获得长曝光图像灰度值矩阵S_ij，其中

n＝70为拍摄的光斑图像数量；

S83、根据上一步获得的长曝光图像灰度值矩阵S_ij生成新的光斑图像，即获得消除“亮点”后的光斑图像，如附图4所示。

如图3所示本实施例还公开了一种测量靶面大尺度激光光斑的系统，包括：

激光器1：用于产生辐照激光束，本实施例采用输出波长1080nm的光纤激光器；

光束控制系统2：用于激光光束变换及控制，主要包括介质膜高反镜、介质膜凸透镜和介质膜凹面镜等；

相机3：用于拍摄光斑图像，本实施例选用分辨率2592×1944、像元尺寸2.2微米的大恒DH-HV5051 UM-M型黑白相机；

衰减片夹持装置及衰减片4：用于控制进入相机光瞳内的激光能量；其中优选的，靶面激光光斑测量时，需根据预测的激光功率密度，首先选用较大的衰减比，以避免相机被损伤；捕捉到光斑后，读出最强区域的灰度值；如果饱和，则加大衰减比，使得无激光区域(对应背景)像素的灰度值较小，而最强区域像素的灰度值接近饱和值但不饱和；

漫反屏5：用于进行光束散射变换，放置在靶面处，本实施例选用喷砂颗粒约0.1mm、尺寸300mm×300mm×5mm的方形铝合金漫反屏；

磁流体旋转机构6：用于支撑固定漫反屏5，并控制漫反屏5在靶面内的转动；

竖向移动机构7：用于支撑磁流体旋转机构6，并控制磁流体旋转机构6在竖直方向(Z方向)的移动、即控制漫反屏5在靶面内上下(Z方向)移动；

水平移动机构8：固定在光学平台上，用于支撑竖向移动机构7，并控制竖向移动机构7在水平方向(Y方向)的移动、即控制漫反屏5在靶面内Y方向移动；

旋转伺服反馈控制系统9：用于控制磁流体旋转机构；

平移伺服反馈控制系统10：用于控制竖向移动机构7和水平移动机构8在Y-Z平面内移动；

控制电脑11：用于控制激光器1、相机3的启闭，接收相机3拍摄的多张光斑图像并进行长曝光图像数据处理，输出消除“亮点”后的光斑图像。

进一步优选的，竖向移动机构7和水平移动机构8可以是油缸或气缸驱动，磁流体旋转机构6固定安装在油缸或气缸的输出端上，油缸或气缸的移动方向与漫反屏5所在的平面平行。优选的，竖向移动机构7和水平移动机构8也可以是电机驱动，即竖向移动机构7和水平移动机构8均包括电机、丝杠与丝杠螺母，磁流体旋转机构6固定连接在丝杠螺母上，丝杠螺母螺纹连接在丝杠上，丝杠与漫反屏5所在的平面平行，丝杠连接在电机的输出端上，电机带动丝杠旋转，进而带动丝杠螺母平移，进而带动磁流体旋转机构6移动、即漫反屏5移动。

进一步优选的，控制电脑11主要用于硬件控制和图像数据处理，硬件控制方面除了控制激光器1、相机3的启闭，还可以控制旋转伺服反馈控制系统9和平移伺服反馈控制系统10；图像数据处理方面，计算机11存储有长曝光图像数据处理程序并与相机3通信相连，计算机11接收相机3拍摄的多张光斑图像并进行长曝光图像数据处理，输出消除“亮点”后的光斑图像。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (5)

1.一种测量靶面大尺度激光光斑的方法，其特征在于，包括以下步骤:

S1、安装激光器与光束控制系统，使激光器发射的激光束经光束控制系统变换后垂直照射到靶面上；

S2、将漫反屏的前表面放置在靶面处，并在漫反屏前表面放置标尺或已知尺寸的标示物，激光束照射在漫反屏上；

S3、安装相机与衰减片夹持装置，使光斑、标尺或已知尺寸的标示物位于相机的视场角内，相机入瞳轴线与漫反屏垂直；

S4、根据辐照在漫反屏上激光的强弱调节相机快门、曝光量、衰减片以及激光器发射功率，使得漫反屏上的无激光区域像素的灰度值较小，而激光光斑最强区域像素的灰度值接近饱和值但不饱和；

S5、判断漫反屏上的光斑尺寸是否符合预期，否则通过调整光束控制系统直至靶面处的光斑尺寸满足预期；

S6、将放置在靶面处的漫反屏在靶面内做匀速的水平移动或升降运动或旋转运动；

S7、在漫反屏运动时，保持相机视场不变的情况下连续采集图像，获取光斑在漫反屏前表面不同位置处的多张光斑图像；

S8、对步骤S7采集的多张光斑图像进行长曝光图像数据处理，获取消除“亮点”后的光斑图像；

步骤S8中，所述多张光斑图像进行长曝光图像数据处理过程为：

S81、提取各光斑图像各像素点对应的灰度值、即各图像的灰度值矩阵A_ij，i、j表征灰度值矩阵的行和列、即光斑图像的高和宽；

S82、求取多张光斑图像灰度值矩阵的算术平均值，获得长曝光图像灰度值矩阵S_ij，其中

n为拍摄的光斑图像数量；

S83、根据步骤S82获得的长曝光图像灰度值矩阵S_ij生成新的光斑图像，即获得消除“亮点”后的光斑图像。

2.根据权利要求1所述测量靶面大尺度激光光斑的方法，其特征在于,步骤S2中，所述标尺或已知尺寸的标示物为带水平和竖直刻度的十字标尺。

3.根据权利要求1所述测量靶面大尺度激光光斑的方法，其特征在于,步骤S6中，漫反屏做水平移动或升降运动或旋转运动的速度v满足：v×Δt>d，其中，Δt是步骤S7中相机连续拍摄两幅图像的时间间隔，d为“亮点”的尺度，漫反屏以速度v运动时所述相机拍摄的图像保持清晰。

4.根据权利要求1所述测量靶面大尺度激光光斑的方法，其特征在于,步骤S7中，相机连续拍摄至少十张光斑图像。

5.一种测量靶面大尺度激光光斑的系统，其特征在于，包括：

激光器：用于产生激光束；

光束控制系统：用于对激光器输出的光束进行变换，控制靶面处的激光光斑尺寸；

相机：用于拍摄光斑图像，相机入瞳轴线应与漫反屏垂直；

衰减片夹持装置及衰减片：用于控制进入相机光瞳内的激光能量；

漫反屏：用于进行光束散射变换，放置在靶面处，具有良好的朗伯散射特性；

磁流体旋转机构：用于支撑、固定漫反屏，并控制漫反屏在靶面内的转动；

竖向移动机构：用于支撑磁流体旋转机构，并控制磁流体旋转机构在竖直方向的移动、即控制漫反屏在靶面内上下移动；

水平移动机构：固定在光学平台上，用于支撑竖向移动机构，并控制竖向移动机构在水平方向的移动、即控制漫反屏在靶面内左右方向移动；

旋转伺服反馈控制系统：用于控制磁流体旋转机构；

平移伺服反馈控制系统：用于控制竖向移动机构和水平移动机构在竖向与水平方向移动；

控制电脑：用于控制激光器、相机的启闭，接收相机拍摄的多张光斑图像并进行权利要求1至4任一项所述的长曝光图像数据处理，输出消除“亮点”后的光斑图像。

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