專利名稱：一種極窄脈寬單脈沖激光光斑探測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于脈沖激光光斑探測領(lǐng)域，具體涉及一種極窄脈寬單脈沖激光光斑探測的方法及裝置。
背景技術(shù)：
激光光斑是分析激光器質(zhì)量的一個重要參數(shù)。目前脈沖激光光斑探測方法一般有相紙曝光法和(XD/CM0S圖像傳感器法兩種。相紙曝光法是采用相紙直接接收激光光斑，在相紙上形成一個反映激光光斑形狀特征的燒蝕黑斑。這種方法需要經(jīng)常更換相紙，且不利于對探測結(jié)果的后期精確分析。CCD/CMOS圖像傳感器法采用計算機配以圖像采集卡，通過 CCD電荷耦合器件或CMOS圖像傳感器實施連續(xù)采集或者可控的同步采集，探測結(jié)果直接生成數(shù)字圖像存儲于計算機中。該方法實時性強，易于對探測結(jié)果的后期精確分析，但它僅適應(yīng)于對連續(xù)激光或者重復(fù)頻率高的脈沖激光光斑的探測，對于納秒級甚至更窄脈寬的單脈沖激光光斑卻往往因CCD電荷耦合器件或CMOS圖像傳感器處于復(fù)位期而產(chǎn)生漏探測。為了使用普通的CCD電荷耦合器件就能夠探測窄脈沖激光的光斑，中國人民解放軍總裝備部軍械技術(shù)研究所的陳志斌、李義照等人發(fā)明一種“低頻窄脈沖激光光斑采集器” (公開號為101576373)，其原理為將窄激光脈沖直接打到上轉(zhuǎn)換板上，利用上轉(zhuǎn)換材料的時間馳豫特性間接將窄的激光脈沖展寬，以保證CCD電荷耦合器件能夠探測到。該方法對CCD 電荷耦合器件的響應(yīng)速度需求較低，一定程度上降低了設(shè)計、制造成本，但其測量到的激光光斑的質(zhì)量和精度受上轉(zhuǎn)換板材料的光譜響應(yīng)范圍以及分辨率限制較大。目前，對納秒級甚至更窄脈寬的單脈沖激光光斑進行高質(zhì)量、高精度的探測采集，尚無成熟的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種可靠有效、高質(zhì)量、高精度地采集激光發(fā)射機發(fā)出的極窄脈寬單脈沖激光光斑的方法和裝置。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種極窄脈寬單脈沖激光光斑探測裝置，其特征在于 該裝置包括雙CMOS光斑采集系統(tǒng)和連接其的控制處理存儲系統(tǒng)。所述雙CMOS光斑采集系統(tǒng)包括沿激光入射光路依次設(shè)置的可調(diào)光衰減器、透鏡和鏡形分光片，三者為中心同軸結(jié)構(gòu)，鏡形分光片分光后分為兩束光路，在兩束光路上以鏡形分光片為軸對稱地設(shè)有第一 CMOS圖像傳感器和第二 CMOS圖像傳感器。可調(diào)光衰減器對入射激光進行衰減；透鏡對衰減的激光進行匯聚；鏡形分光片將匯聚后的激光分成兩束，分別輻射到在時序上交替工作的兩個CMOS圖像傳感器上，第一 CMOS圖像傳感器和第二 CMOS圖像傳感器探測極窄脈寬的激光脈沖并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字電子圖像。所述控制處理存儲系統(tǒng)包括單片機、CPLD時序驅(qū)動器、SDRAM存儲器、IXD顯示屏、 鍵盤和USB接口芯片，控制處理存儲系統(tǒng)控制第一 CMOS圖像傳感器和第二 CMOS圖像傳感器進行交替工作，對采集到的數(shù)字圖像進行存儲、處理，控制LCD顯示、響應(yīng)鍵盤輸入指令和與計算機進行數(shù)據(jù)通信。所述單片機為主控制器，控制兩個CMOS圖像傳感器輸出的圖
3像數(shù)據(jù)的存儲、讀取和處理；CPLD時序驅(qū)動器產(chǎn)生兩個CMOS圖像傳感器交替工作所需的時序驅(qū)動信號以及片選信號；SDRAM存儲器用于存儲激光光斑的圖像數(shù)據(jù)；LCD顯示屏用于顯示激光光斑圖像；鍵盤用于接受外部命令，進行人機交互；USB接口芯片實現(xiàn)與計算機的通信，上傳激光光斑圖像數(shù)據(jù)。進一步的，所述可調(diào)光衰減器為九重濾波片組合，每3片濾波片由一個撥輪帶動，一共有64個步進。每次增加約16%的衰減，衰減倍數(shù)從1:1到400，000:1，可以根據(jù)激光發(fā)射機的具體的功率大小，確定合適的衰減倍率，選用不同的衰減片進行自由組合，將入射激光脈沖功率衰減到CMOS圖像傳感器的線性工作范圍內(nèi)。進一步的，所述鏡形分光片的透/光比為50%，其透光平面與激光入射光路呈45度角，形成兩束獨立的光路，而且兩束光能正好射到第一 CMOS圖像傳感器和第二 CMOS圖像傳感器上。本發(fā)明可以這樣實現(xiàn)
CPLD時序驅(qū)動器產(chǎn)生時序驅(qū)動信號以及片選信號，驅(qū)動第一 CMOS圖像傳感器和第二 CMOS圖像傳感器交替工作，入射激光首先經(jīng)過可調(diào)光衰減器的衰減，再經(jīng)過透鏡匯聚，然后經(jīng)過鏡形分光片分成兩束，分別射到在時序上交替工作的第一 CMOS圖像傳感器和第二 CMOS圖像傳感器上。兩個CMOS圖像傳感器的積分時間相互交替，并在時序上稍有重疊，這樣極窄脈寬的單脈沖激光在任何時刻到達均會被其中一個CMOS圖像傳感器或者兩個同時探測到。第一 CMOS圖像傳感器和第二 CMOS圖像傳感器探測極窄脈寬的激光脈沖并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字電子圖像，存儲到SDRAM存儲器中。單片機讀取SDRAM存儲器中數(shù)字電子圖像的中心點數(shù)據(jù)進行比對，如果比對結(jié)果超過預(yù)設(shè)值，再在中心點附近取三個點進行比對，如果結(jié)果均超過預(yù)設(shè)值，即判定該幀圖像為包含激光光斑信息的有效圖像；如比對結(jié)果不超過預(yù)設(shè)值，單片機繼續(xù)讀取下一幀圖像的中心點數(shù)據(jù)進行比對，直至比對結(jié)果超過預(yù)設(shè)值，判定出該有效圖像幀。單片機發(fā)送指令控制CPLD時序驅(qū)動器停止產(chǎn)生時序驅(qū)動信號和片選信號，并切斷第一 CMOS圖像傳感器和第二 CMOS圖像傳感器的工作電源。單片機讀取SDRAM存儲器中的有效圖像幀和相鄰無效幀進行對應(yīng)數(shù)據(jù)相減，生成新的數(shù)字圖像，存儲于SDRAM存儲器中。CMOS圖像傳感器積分時間越長，背景噪聲就越大， 在合理選擇積分時間的基礎(chǔ)上，對CMOS圖像傳感器輸出的有效圖像幀和相鄰無效幀進行對應(yīng)數(shù)據(jù)相減，生成新的數(shù)字圖像，即濾除了干擾的高質(zhì)量的激光光斑圖像，可以有效地消除CMOS圖像傳感器內(nèi)部缺陷對激光光斑圖像造成的影響。單片機根據(jù)通過鍵盤輸入的人工指令控制IXD顯示屏顯示處理后的激光光斑圖像，將激光光斑圖像經(jīng)USB接口芯片傳至計算機。本發(fā)明的有益效果是兩個CMOS圖像傳感器交替工作，并在時序上稍有重疊，極窄脈寬的單脈沖激光在任何時刻到達均會被其中一個CMOS圖像傳感器或者兩個同時探測到。采用中心點比對的方法解決數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量大實時處理難的問題。對有效圖像幀和相鄰無效幀進行對應(yīng)數(shù)據(jù)相減，濾除了干擾，形成高質(zhì)量的激光光斑圖像。本發(fā)明方法獨特，實用有效，探測極窄脈寬單脈沖激光光斑的圖像質(zhì)量高，可實時顯示探測到的光斑圖像，具備存儲記憶功能，并可將數(shù)據(jù)上傳至計算機進行后期分析處理，功能強大。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的控制軟件流程圖。圖中1、雙CMOS光斑采集系統(tǒng)，2、控制處理存儲系統(tǒng)，3、可調(diào)光衰減器，4、透鏡， 5、鏡形分光片，6、第一 CMOS圖像傳感器，7、第二 CMOS圖像傳感器，8、單片機，9、CPLD時序驅(qū)動器，10、SDRAM存儲器，11、IXD顯示屏，12、鍵盤，13、USB接口芯片。
具體實施例方式如圖所示，一種極窄脈寬單脈沖激光光斑探測裝置，包括雙CMOS光斑采集系統(tǒng)和連接其的控制處理存儲系統(tǒng)，沿激光入射光路依次設(shè)置可調(diào)光衰減器3、透鏡4和鏡形分光片5，三者為中心同軸結(jié)構(gòu)，可調(diào)光衰減器3為九重濾波片組合，每3片濾波片由一個撥輪帶動，一共有64個步進，可以根據(jù)激光發(fā)射機的具體的功率大小，確定合適的衰減倍率，選用不同的衰減片進行自由組合，將入射激光脈沖功率衰減到CMOS圖像傳感器的線性工作范圍內(nèi)；透鏡4對衰減的激光進行匯聚；鏡形分光片5的透/反光比為50%，其透光平面與激光入射光路呈45度角，鏡形分光片5將匯聚后的激光分成兩束，在兩束光路上以鏡形分光片5為軸對稱地設(shè)有第一 CMOS圖像傳感器6和第二 CMOS圖像傳感器7，兩束光分別輻射到在時序上交替工作的第一 CMOS圖像傳感器6和第二 CMOS圖像傳感器7上?？刂铺幚泶鎯ο到y(tǒng)2包括單片機8、CPLD時序驅(qū)動器9、SDRAM存儲器10、IXD顯示屏11、鍵盤12和USB接口芯片13。本發(fā)明的控制軟件流程圖如圖2所示，CPLD時序驅(qū)動器9產(chǎn)生時序驅(qū)動信號以及片選信號，驅(qū)動第一 CMOS圖像傳感器6和第二 CMOS圖像傳感器7交替工作，第一 CMOS圖像傳感器6和第二 CMOS圖像傳感器7的積分時間相互交替，并在時序上稍有重疊，這樣極窄脈寬的單脈沖激光在任何時刻到達均會被其中一個CMOS圖像傳感器或者兩個同時探測到。第一 CMOS圖像傳感器6和第二 CMOS圖像傳感器7探測極窄脈寬的激光脈沖并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字電子圖像，存儲到SDRAM存儲器10中。單片機8讀取 SDRAM存儲器10中數(shù)字電子圖像的中心點數(shù)據(jù)進行比對，如果比對結(jié)果超過預(yù)設(shè)值，再在中心點附近取三個點進行比對，如果結(jié)果均超過預(yù)設(shè)值，即判定該幀圖像為包含激光光斑信息的有效圖像；如比對結(jié)果不超過預(yù)設(shè)值，單片機繼續(xù)讀取下一幀圖像的中心點數(shù)據(jù)進行比對，直至比對結(jié)果超過預(yù)設(shè)值，判定出該有效圖像幀。單片機8發(fā)送指令控制CPLD時序驅(qū)動器9停止產(chǎn)生時序驅(qū)動信號和片選信號，并切斷第一 CMOS圖像傳感器6和第二 CMOS 圖像傳感器7的工作電源。由于CMOS圖像傳感器積分時間越長，背景噪聲就越大，所以在合理選擇積分時間的基礎(chǔ)上，單片機8讀取SDRAM存儲器10中的有效圖像幀和相鄰無效幀進行對應(yīng)數(shù)據(jù)相減，生成新的數(shù)字圖像，存儲于SDRAM存儲器10中。單片機8根據(jù)通過鍵盤10輸入的人工指令控制IXD顯示屏11顯示處理后的激光光斑圖像，將激光光斑圖像經(jīng) USB接口芯片13傳至計算機。
權(quán)利要求
1.一種極窄脈寬單脈沖激光光斑探測裝置，其特征在于該裝置包括雙CMOS光斑采集系統(tǒng)(1)和連接其的控制處理存儲系統(tǒng)(2)；所述雙CMOS光斑采集系統(tǒng)(1)包括沿激光入射光路依次設(shè)置的可調(diào)光衰減器(3)、 透鏡(4)和鏡形分光片(5)，三者為中心同軸結(jié)構(gòu)，鏡形分光片分光后分為兩束光路，在兩束光路上以鏡形分光片為軸對稱地設(shè)有第一 CMOS圖像傳感器(6)和第二 CMOS圖像傳感器 (7)；所述控制處理存儲系統(tǒng)(2)包括單片機(8)、CPLD時序驅(qū)動器(9)、SDRAM存儲器(10)、 IXD顯示屏(11 )、鍵盤(12)和USB接口芯片(13)，控制處理存儲系統(tǒng)控制第一 CMOS圖像傳感器(6)和第二 CMOS圖像傳感器(7)進行交替工作，對采集到的數(shù)字圖像進行存儲、處理， 控制LCD顯示、響應(yīng)鍵盤輸入指令和與計算機進行數(shù)據(jù)通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種極窄脈寬單脈沖激光光斑探測裝置，其特征在于所述可調(diào)光衰減器為九重濾波片組合，每3片濾波片由一個撥輪帶動，一共有64個步進。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種極窄脈寬單脈沖激光光斑探測裝置，其特征在于所述鏡形分光片的透/反光比為50%，其透光平面與激光入射光路呈45度角。
4.一種極窄脈寬單脈沖激光光斑探測方法，包含以下步驟a、CPLD時序驅(qū)動器(9)產(chǎn)生時序驅(qū)動信號以及片選信號，驅(qū)動第一CMOS圖像傳感器 (6 )和第二 CMOS圖像傳感器(7 )交替工作，入射激光首先經(jīng)過可調(diào)光衰減器(3 )的衰減，再經(jīng)過透鏡(4)匯聚，然后經(jīng)過鏡形分光片(5)分成兩束，分別射到在時序上交替工作的第一 CMOS圖像傳感器(6)和第二 CMOS圖像傳感器(7)上；b、第一CMOS圖像傳感器(6)和第二 CMOS圖像傳感器(7)探測極窄脈寬的激光脈沖并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字電子圖像，存儲到SDRAM存儲器(10)中；C、單片機(8)讀取SDRAM存儲器(10)中數(shù)字電子圖像的中心點數(shù)據(jù)進行比對，如果比對結(jié)果超過預(yù)設(shè)值，再在中心點附近取三個點進行比對，如果結(jié)果均超過預(yù)設(shè)值，即判定該幀圖像為包含激光光斑信息的有效圖像；如比對結(jié)果不超過預(yù)設(shè)值，單片機繼續(xù)讀取下一幀圖像的中心點數(shù)據(jù)進行比對，直至比對結(jié)果超過預(yù)設(shè)值，判定出該有效圖像幀；d、單片機(8)發(fā)送指令控制CPLD時序驅(qū)動器(9)停止產(chǎn)生時序驅(qū)動信號和片選信號， 并切斷第一 CMOS圖像傳感器(6)和第二 CMOS圖像傳感器(7)的工作電源；e、單片機(8)讀取SDRAM存儲器(10)中的有效圖像幀和相鄰無效幀進行對應(yīng)數(shù)據(jù)相減，生成新的數(shù)字圖像，存儲于SDRAM存儲器(10)中；f、單片機(8)根據(jù)通過鍵盤(10)輸入的人工指令控制IXD顯示屏(11)顯示處理后的激光光斑圖像，將激光光斑圖像經(jīng)USB接口芯片(13)傳至計算機。
全文摘要
本發(fā)明屬于脈沖激光光斑探測領(lǐng)域，具體涉及一種極窄脈寬單脈沖激光光斑探測的方法及裝置。該方法與裝置由雙CMOS光斑采集系統(tǒng)和控制處理存儲系統(tǒng)兩部分連接組成，其工作流程為入射激光經(jīng)過衰減、匯聚、分束，分別輻射到兩個交替工作的CMOS圖像傳感器上，激光光斑圖像被捕獲并被轉(zhuǎn)換為數(shù)字電子圖像存儲到存儲器中；單片機讀取數(shù)字電子圖像進行中心點數(shù)據(jù)比對，然后將有效圖像幀和相鄰無效幀進行對應(yīng)數(shù)據(jù)相減，生成高質(zhì)量的激光光斑圖像并進行存儲。本發(fā)明方法獨特，實用有效，探測極窄脈寬單脈沖激光光斑的圖像質(zhì)量高，可實時顯示探測到的光斑圖像，具備存儲記憶功能，并可將數(shù)據(jù)上傳至計算機進行后期分析處理，功能強大。
文檔編號G01J1/42GK102261952SQ20111016754
公開日2011年11月30日 申請日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者孫揚, 孫香冰, 張帥, 焦現(xiàn)煒, 田柯文, 陳爍 申請人:中國人民解放軍濟南軍區(qū)72465部隊