（机械制造及其自动化专业论文）基于高功率激光装置的光束自动准直系统技术研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 用于惯性约束聚变( i c f ) 的高功率固体激光驱动器，是当今脉冲功率最高、 装置规模最大的激光系统。这些系统均包含有大量激光器件、光学元件和机械组 件。为了确保从振荡器发出的激光束能够稳定、精确地穿过预放大器、主放大器、 倍频器和靶室，传输百米以上距离，并准确地照射到微型靶丸上，无例外地配置 了光束自动准直系统。光束自动准直系统是保证激光装置高效运行的必要手段， 已成为大型激光装置必不可少的重要组成部分。 惯性约束聚变装置的调整系统是一种闭环的自动调整。整个系统包括准直光 源、光学成像系统、探测器( c c d ) 、计算机及步进马达控制的伺服反射镜。工 作时，探测器和计算机实时测量被调整光束的近远场的中心位置和理想位置的差 异，再驱动马达而改变反射镜的位置，达到准直的目的。本论文在总结前人关于 近远场调整方案的基础上，创新性地提出了新型的近远场调整技术，并结合新的 图像处理方法编制图像处理软件，且通过实验验证，取得满意结果。论文第一章 主要论述了课题背景及意义，简要介绍了惯性约束聚变的原理及研究进展，以及 本文主要研究内容和方法；第二章主要研究光束自动准直系统的基本原理以及各 个组成部分；第三章主要介绍光束准直系统的单元技术，重点提出了光束自动准 直系统的新型调整技术，分别研究了近远场调整技术以及数字图像处理技术的应 用。第四章针对新型调整技术编制了图像处理软件，介绍了该软件的设计流程以 及具体应用。第五章进行实验研究，先分别进行照明系统和光栅取样的判断实验， 再针对新型远场调整技术，进行单路光束的取样调整实验，并对实验数据进行分 析，最后进行了四程放大系统的调整实验研究；第六章主要对系统存在的误差进 行分析研究，对光束的探测精度进行了详细分析，最后提出了优化解决方案，且 经过实验验证。第七章是结论和展望。 关键词：惯性约束聚变，激光技术，光束准直，图像处理 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g hp o w e rs o l i d - s t a t el a s e r sf o ra p p l i c a t i o nt oi n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o na r e t h el a r g e s tl a s e rs y s t e m sw i t ht h eh i g h e s t p u l s ep o w e rt o d a y t h e s el a s e r sa l lc o n s i s to f m a n yl a s e re l e m e n t s ，o p t i c a lc o m p o n e n t sa n dm e c h a n i c a la s s e m b l i e s t oe n s u r et h e l a s e rp u l s e sc o m ef r o mt h eo s c i l l a t o rp a s st h r o u g ht h ep r e a m p l i f i e r , t h em a i n a m p l i f i e r , t h ef r e q u e n c yc o n v e r t e ra n dt h et a r g e tc h a m b e ro v e rad i s t a n c ee x c e e d i n g10 0m e t e r s s t a b l ya n da c c u r a t e l y , t h eb e a m sa u t o m a t i ca l i g n m e n ts y s t e mi st h e n e c e s s a r y c o n d i t i o nf o rl a s e rf a c i l i t i e s r u n n i n gw i t h h i g he f f i c i e n c y t h ei n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o ns y s t e mc o n s i s t so fa l i g n m e n tl i g h ts o u r c e ，o p t i c a l i m a g ef o r m a t i o ns y s t e m ，d e t e c t o r , m o t o r - c o n t r o l l e ds e r v o - r e f l e c t o r sa n dc o m p u t e r i n t h ea u t o m a t i ca l i g n m e n ta p p l i c a t i o n , t h eh a r d w a r ea c q u i r e si m a g e sf r o mc a m e r a ， d i g i t i z e dt h e m ，a n dn o t e si t sb l o b sc e n t r o i d t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ea c t u a l c e n t r o i da n dt h a to fr e f e r e n c ed e t e r m i n e st h em o v e m e n tc o m m a n dw h i c hi ss e n tt o m o t o r i z e dd e v i c e t h ep a p e rp r e s e n t san e wa d j u s t m e n tm e t h o da n dr e l a t i v e a d j u s t m e n ts o f t w a r eb a s e do nt h eo l dn e a ra n df a rf i e l dd e t e c t i o nw a y sw h i c hi sf u l l y d e m o n s t r a t e do nt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m t h ef i r s tc h a p t e rd e s c r i b e ss e n s e so ft h e r e s e a r c ha n dg i v e st h et h e o r yo ft h ei n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ，a n dt h e np r e s e n t s t h ec o n t e n to ft h ep a p e r t h es e c o n dc h a p t e rm a i n l yd o e sr e s e a r c ha b o u tb a s i ct h e o r y o fb e a ma l i g n m e n ta n di t sc o n s t i t u e n tp a r t s t h et h i r dc h a p t e rb r i n g sf o r t ht h en e w d e t e c t i o nt e c h n i q u eo fb e a m sa l i g n m e n ts y s t e m ，i n c l u d i n gn e a ra n df a r - f i e l dd e t e c t i o n a n dd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e t h ef o r t h c h a p t e rp r o g r a m san e wi m a g e p r o c e s s i n ga n di t sb s e t h ef i f t hc h a p t e ri sm a i n l ya b o u tt h ea d j u s t m e n te x p e r i m e n t s t h es i x t hc h a p t e ra n a l y z e dt h ep o s s i b l ee r r o ro ft h eb e a ma l i g n m e n ts y s t e m ，t h e n p r e s e n t st h ew a y so fa v o i d i n gt h ee r r o r s t h el a s tc h a p t e ri sa b o u tt h ec o n c l u s i o na n d p r o s p e c to ft h ep a p e r k e yw o r d s - i c f , l a s e rt e c h n o l o g y , b e a m sa l i g n m e n t ，i m a g ep r o c e s s i n g i i 上海人学硕上学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期： 一卜海大学硕上学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 目前人类的主要能源来自煤、石油、天然气和用于核裂变的铀，但这些化石 燃料的蕴藏量都是有限的，而其中有些化石燃料是很有用的化工原料，作为能源 燃烧掉也十分可惜，而且还造成对环境和生态的严重污染。因此，人类把最终解 决能源问题的希望寄托于核聚变能被科学家们誉为“地球上的太阳”【1 1 。 自1 9 6 0 年第一台激光器问世以来，激光已有四十多年的发展历史。六十年 代，前苏联b a s o v 提出“以激光为驱动源引发热核聚变 这一著名设想 2 】，自 此，激光核聚变就成为国际上十分活跃的研究领域。激光核聚变研究也是高功率 激光研究迅速发展的一个主要推动力。激光核聚变能源是一种“干净的”几乎取 之不尽的能源，激光聚变作为可控热核反应的重要途径，必将为人类根本解决能 源问题做出贡献。研究进展表明，有希望在2 l 世纪中叶实现商业发电3 】【4 】。 惯性约束聚变则是实现激光核聚变能源的主要途径之一。用于惯性约束聚变 ( i c f ) 的高功率激光固体驱动器，是当今脉冲功率最高、装置规模最大的激光系 统，包含有大量激光器件和光学元器件，光路总长达百米以上。为了确保系统每 次运行时，从振荡器发出的激光束能够稳定、精确地穿过预放大器、主放大器、 倍频器和靶室，并精确地照射到微型靶丸上，必须配置光束自动准直系统【5 】。 光束的自动准直系统相对手工调整而言，能够在较短的时间内，将激光光束 的调整精度控制在装置允许的误差范围内。如何加快光束自动准直系统的研究进 度，提高光束准直系统的调整速度和精度，已成为光束准直系统要解决的关键问 题。只有在充分利用各种先进、现有技术的基础上，开展相关的基础理论研究， 才能取得突破性进展。 1 2 国内外发展现状 惯性约束聚变的基本原理是在一个约为几个皮秒的时间内，将能量约为几个 兆焦耳的脉冲激光束、粒子束均匀地照射到氘、氚燃料的靶丸上，由靶丸表面物 质的溶化、向外喷射而产生的向内的聚心的反冲力，将靶丸物质压缩至高密度和 上海大学硕上学位论文 热核燃烧所需的高温，并维持一定的约束时间，释放出大量的聚变能圈。 目前国际上最早的激光聚变装置是美国劳伦斯利弗莫尔实验室的n o v a 装 置 o i s l ，它有1 0 束激光，在波长三倍频的情况下，输出激光的能量达4 0 千焦耳， 该实验室曾利用核爆情况下产生的强x 射线间接驱动惯性约束聚变，取得了鼓 舞人心的成就。美国目前正在建造的世界上最大的激光聚变装置一国家点火装置 ( n i f ) ，是钕玻璃激光器，输出激光能量为1 8 兆焦耳，靶上激光脉冲功率峰值 达5 亿兆瓦，预计可以达到点火，计划在2 0 1 0 年左右建成。 我国是开始激光聚变方面研究的最早的国家之一：已故的杰出核物理学家王 淦昌院士在1 9 6 4 年就提出了激光聚变的设想。我国进行惯性约束聚变的主要力 量有两个：一是位于四川绵阳的中国工程物理研究院，另一个是位于上海的上海 光学与精密机械研究所。目前，我国已经建成的高功率i c f 激光装置主要包括“神 光”系列装置和“星光 系列装置，如表1 1 所示。激光聚变装置“神光i ”号、 “神光i i ”号就位于上海，另外，”星光”系列和我国最大的激光装置“神光i i i ”则位 于绵阳。尽管它的规模比美国目前在建的n i f ( n a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y ) 仍然要小 许多，但通过“神光i i i ”的建设，我国必定会在相关光学系统方面的技术力量和 技术储备得到极大的加强，而且必然会带动一批相关产业的发展，预计在下世纪 初建成( 9 j 。 表1 - 1 我国高功率激光装置 装置名称波长 束数能量脉宽完成时间 万兆瓦装置 1 0 6 肚m 14 0 j 3 n s1 9 7 3 十万兆瓦装置 1 t 0 6 a m l3 0 0 j 2 n s1 9 7 4 六路激光装置 1 0 6 , t m 66 0 j 0 1 n s1 9 7 6 1 0 6 a m 7 0 j 0 8 n s1 9 8 5 星光il 0 5 3 x m 3 5 j 0 8 n s1 9 8 8 1 0 5 a m 2 6 0 j 0 8 n s1 9 9 2 星光i il 0 3 5 。t m 13 0 j 0 8 n s1 9 9 4 神光i 1 0 5 , t m 22 8 0 0 j 0 8 n s1 9 8 5 1 0 5 t i n 4 8 6 k j 1 0 n s2 0 0 0 神光8 o 3 5 , t i n 2 5 3 l ( j i 0 n s2 0 0 1 神光1 1 10 3 5 a m 6 06 0 l d 3 0 n s2 0 1 0 中国科学院上海光学精密机械研究所早在1 9 6 5 年就开始了i c f 研究【l o 】，先 后成功地研制了“神光i 装置和“神光i i 装置 1 2 】【1 3 】运用于i c f 研究，并取 得了一系列的成果，“神光i 装置1 9 8 5 年完成，共有两束激光，每束光路采用 2 上海大学硕士学位论文 了典型的m o p a ( m a s t e r o s c i l l a t o r p o w e r a m p l i f i e r ) 结构。该装置认真吸取了国 外同类装置的先进物理思想和技术，同时结合我国的实际情况，取得了巨大成功， 装置的性能与方案的预期效果符合良好。 美国利弗莫尔国家实验室( l l n l ) 在上世纪七十年代就已经在s h i v a 装置【1 4 1 上应用光束自动准直系统。美国n i f 装置的近场准直精度达到光学元件口径的 0 5 ，远场准直精度达到空间滤波器d , ：f l n 径的5 。激光打到靶丸上的定位 精度在5 0um 以内，其19 2 路光束在半小时内准直完成 1 5 1 。 我国早期的i c f 装置没有光束自动准直系统，例如“神光i 装置，调整由 手工完成。“神光i l 装置的8 路光束中开始建立光束自动准直系统，从零开始 发展和研究准直光源、光电探测技术及其计算机处理控制技术等单元技术，光束 自动准直系统也是“神光 装置区别于我国以前同类高功率激光装置的重要特 征。 光束自动准直作为惯性约束聚变中的关键技术，综合了光学、电子、自动控 制、机械和计算机等多门学科的先进技术。也只有在这些学科取得重大成就的 2 0 世纪末和2 1 世纪，光束自动准直的出现和发展才成为可能。目前，光束自动 准直系统继续向小型化、模块化、自动化和精密化方向发展，系统的准直精度和 自动化程度也越来越高【伺。 1 3 论文的主要研究内容 近年来，由于物理前沿研究的迫切需要，高功率激光聚变装置迅速发展，光 束口径和路数急剧增多，光路长度和元器件数目成倍增长，对光束自动准直的精 度、速度和效率也提出了越来越高的要求。 本课题在光束自动准直系统现有研究技术的基础上，充分利用整个光路系统 自身的排布特点，来研究光束准直系统中的一些尚未成熟的单元技术，主要是单 路激光近、远场光束的监测技术和四程放大光路的实验调整技术。研究了用双小 圆光束来实现光束的近场调整，是对传统近场取样方案的一种优化；提出了一种 新的远场调整方案一光栅取样远场监测方案。将衍射光栅应用于光束自动准直系 统中，利用光栅的衍射原理，实现离轴的图像采集，这不同于传统的远场调整方 案图像采集系统同轴于主光轴，在很大程度上节省了主光路的空间排布。并 3 t 海大学颤十学位论文 研究相应的图像处理技术实现光束的准确定位。在研究罔像处理技术的基础上， 编制配套的图像处理软什，并搭建实验平台来进行实验验证。实验平台装置主要 包括两个部分：一是计算机 孛制部分，包括上位机和视频切换器，主要是进行摄 像头选择和图像分析处理，为光束调整提供依据；另外一部分是手动调整部分， 主要包括各类光学器件，有激光器、软边光阑、扩束镜、伺服反射镜、马达驱动 器、照明系统、图像采集系统等等。实验平台如图1 1 所示。 图卜1 光束准直系统实验平台 1 4 课题研究意义及来源 我国激光惯性约束聚变装置的光束自动准直系统起步较晚，早期的激光装置 光束调整全部由手工完成，工作繁重。随着高功率激光的发展，光束路数的增加 和打靶时问的缩短，使得光路自动准直成为必须。我国的光束自动准直系统应结 合国情，吸收围内外先进技术和经验，设计有中国特色的光束准直系统，这也是 围内光束准直系统的发展方向。 本课题的研究内容具有很重要的理论价值与实际应_ j 价值。首先，尝试将新 型的近远场取样技术融入到当前正在丌展的“神光i i 升级装置”的光束自动准直 系统研究中古，将新型调整方案中采用的图像采集系统和照明系统整合成成套的 单元，力图实现准直系统的小型化、模块化；另外，考虑到图像分析处理的精确 性和通用性，编制通用的图像处理软件，也可在此基础上进行再开发，在以后的 上海大学硕士学位论文 各个单元实验中均能采用到。 上海光学精密机械研究所是一所以培养科研型研究生人才而闻名的科研院 所，是国家博士生重点培养基地。高功率激光物理联合实验室是中国科学院与中 国工程物理研究院联合创立的国家重点实验室。本课题的依托单位为上海光机所 高功率联合实验室，是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 惯性约束聚变领域( 批 准号：2 0 0 4 a a 8 4 5 0 4 1 ) 资助的课题。提出了新型的准直调整方案，编制了图像 处理软件，为光束自动准直的进一步研究打下基础。 5 上海人学硕上学位论文 第二章光束自动准直系统的组成单元 光束自动准直技术以光束的自动控制为目标，使用先进的光机电一体化技术 来代替人类的感官判断，与传统的手工调整方法有很大区别。本章将从光束准直 系统的基本原理出发，结合“神光i i ”升级装置的特点，来阐述光束自动准直系 统的总体设计。 2 1 光束自动准直的基本原理 激光光路中引起光轴偏离的因素很多，所有这些都可以归结为光轴的失调， 也就是说假设所有光学元件是固定不动的，但入射的光束发生了平移和角移。基 于此，采用在光路中插入两块反射镜通过调整反射镜的位置来改变光束的入射角 度和位置，使出射的光轴和理想的一样【1 7 1 。 光路自动准直的任务就是通过逐段检测光束位置和方向的误差，反馈控制一 对反射镜，逐段由前向后依次调整，直至靶点，使光束恢复到原定光路上。作为 高功率激光惯性约束聚变驱动器控制光束稳定性和瞄准精度的主要手段，光路自 动准直系统包含很多调整技术，光束平移和角移调整是光束准直调整的基础【1 8 】。 两块反射镜旋转不同的角度后，出射光束的平移和角位移有如下两种情况： 1 、反射镜m l 和m z 转动0 l 和0 2 ，且0 l = 0 2 = 0 ，输出光束的平移a = 2 0 1 i ，无 角移，如图2 1 ( a ) 所示。 2 、反射镜m l 和m 2 分别转动0 i 和。2 ，且0 l 0 2 ，输出光束的角移6 = 2 ( 0 l - 0 2 ) ， 如图2 1 ( b ) 所示。 图2 - 1 光束平移和角移的调整原理图 6 上海大学硕士学位论文 光束自动准直是通过调整伺服反射镜来校正光束的，两个反射镜调整一段光 轴，这是几何上两点成一线的原理。两点的距离越大精度越高，因此将一点选在 光轴中特定的有限位置处，称为近场；另一点选在焦点处，相当于无穷远的位置， 称为远场。光路自动准直系统是在光路以外设置成像系统和激光信号探测器监视 光束的位置变化，在近场监视光束的平移，在远场监视光束的角移。工作时通过 计算机采集到近远场的激光信号，再经过图像处理求出被测光束与参考基准的误 差，根据误差驱动伺服反射镜上的马达调整光轴的位置。 2 2 光束自动准直系统的单元结构 光束自动准直系统涉及的领域很广，是典型的光、机、电和计算机一体化系 统，其组成相当庞杂。下面将结合“神光i i 升级装置的特点，对准直系统基本 的组成设计进行阐述。 2 2 1 准直光源 惯性约束聚变装置按光束准直系统的位置不同可分为前端、预放、主放大和 传输靶场四大部分，从振荡器打出的主激光必须经过这四部分再传输到终端光学 系统，前端系统的准直光源必须直接用主振荡器，因为其后另设的准直光源同轴 调整必须以主振荡器的光束作为基准。但是主放以后由于光束口径变大，而且准 直工作时放大器没有工作，激光束的能量没有得到放大，准直探测器上探测的能 量就不够进行图像处理，必须另设准直光源 1 9 】。准直光源的的口径和能量必须 完全与主激光保持一致，为了满足这个要求，“神光i i 升级装置采用1 0 5 3l am 的激光模拟主激光，实验打靶时的激光是三倍频放大，因此采用o 3 5 1um 模拟 激光。“神光i i 升级装置总共包含8 束激光，目前耦合的准直光源使用l d 泵 浦的固体光源和光纤光源，这些光源是连续光源，强度上更加均匀，光斑截面的 精细结构变少，更利于图像处理，可以达到很高的精度。 2 2 2 激光信号探测器 随着计算机技术和光电技术的发展，出现了的一种新的检测技术计算机 视觉检测技术，也就是利用激光信号探测器作为图像传感器，综合运用图像处理 7 上海大学硕士学位论文 等技术进行非接触测量【2 0 】，计算机视觉检测技术的应用遍布于光束自动准直系 统的全过程，因此必须用激光信号探测器。 早期的激光信号探测器使用的是硅四象限管，它的优点是具有宽的耗尽区， 响应速度快，对1 0 6i tm 的波长有最佳探测灵敏度，而且光敏面大、暗电流小。 硅四象限管以和差方式工作，激光光斑照射在元件的光敏面上，按能量分布，各 个象限都占一部分 2 1 1 ，如图2 2 所示。 b e a 四象限管和差基本方程为： 图2 - 2 硅四象限管 ，= ( v a + v b ) - ( v c + v d ) 】( v a + v b + v c + v d ) ( 1 ) a x = ( v a + v c ) 一( v b + v d ) ( v a + v b + v c + v d ) ( 2 ) 其中公式( 1 ) 、( 2 ) 中的缈和缸分别代表了高低和左右输出的误差电压。 四象限管可以探测能量中心，但光束准直的要求是探测光斑的轮廓中心，如果光 斑能量不均匀，光束的强度发生变化，就会引起较大的探测误差。随着技术的发 展，从8 0 年代开始，光束准直系统中激光信号的探测元件被c h a r g ec o u p l e d d e v i c e ( c c d ) 所代替。 c c d 是电荷耦合器件的简称，是由7 0 年代发展起来的新型半导体器件。它 的基本工作原理是将光信号转变成一维电信号的输出。其优点是：体积小、重量 轻、噪声低、功耗小，更主要的是在分辨率、动态范围、光谱范围、灵敏度、实 时传输等方面具有其他器件元件无法比拟的优越性，已频繁应用于粒子束、激光、 x 射线等时间空间能量诊断【2 2 】【2 3 1 。神光i i ，升级装置中采用型号为m t v - 1 8 8 1e x 的c c d 摄像机。 8 上海大学硕士学位论文 2 2 3 光学信号采集系统 激光信号的采集方式主要有三种： ( 1 ) 透射式取样。主光束( m a i nb e a m ) 的反射镜( m i r r o r ) 反射后进行样 光( s a m p l e ) 的采集，由于主光路中的反射镜的膜层反射率在9 9 左右，所以通 过的漏光比较少，造成了准直光源的能量损失。此方法优点是减省取样空间和取 样元件，对主激光影响最小。但取样率不够稳定，影响测量精度。如图2 3 ( a ) 所示。 ( 2 ) 反射式取样。在光路中插入反射镜，这种反射镜可以是固定在光路中 的不镀膜的白板，利用白板的4 的反射率进行信号采集，但打主激光时会引起 能量的损失及其光束的干涉。因此一般采用临时插入的镀膜反射镜。这种取样方 式取样率稳定，可以保证能量测量的可靠性和稳定性，但需要重复精度很高的插 入机构。如图2 3 ( b ) 所示。在“神光i i 装置中，测试系统中的注入、分光前 和输出诊断单元全采用此技术，前两单元反射取样率为4 ，输出诊断单元反射 取样率为1 。 ( 3 ) 光栅衍射取样。在主光路中临时插入透射光栅或者反射光栅，然后收 集光栅的l 级衍射或者其他更高级衍射光作为取样光束。采用的光束取样光栅 ( b e a ms a m p l i n gg r a t i n g ，b s g ) ，在不改变原光束传播方向的条件下，以极低的衍 射效率从主光束中取出o 1 1 0 的能量。由于采用光栅的衍射效应，可以完 成测试系统的谐波分离功能。实验中，将图像采集系统挂靠在滤波器的侧壁，无 需重复插入原型系统中，既节省空间又不降低精度，是在前两种取样方式上的一 种创新，通过实验取得了满意的效果，将在后面的实验部分进行详细介绍。在“神 光i i 升级装置的终端靶场三倍频测试单元采用该技术。如图2 3 ( c ) 所示。 ( a ) 透射式取样 凰 ( b ) 反射式取样 图2 - 3 激光信号的采集方式 衍射先 ( c ) 光栅取样 取样后的光束经光学成像系统得到所需要的近远场光斑图像。近场的光学系 9 上海大学硕七学位论文 统，是将主光路中某一特定平面成像在近场的探测器上。由于近场光斑比较大， 探测器光敏面小，因此，近场的光学成像系统放大率小于1 ，如图2 4 ( a ) 所示； 远场的光学系统是一个将主光束焦点成像在探测器上的光学系统，它的放大率大 于1 ，而且需要长焦距的放大透镜或者利用组合透镜缩短光路长度。如图2 4 ( b ) 所示。 ( a ) 近场光学系统 2 2 4 图像处理系统 图2 - 4 近远场光学系统 ( b ) 远场光学系统 图像分析是该系统的关键单元，它通过一系列图像处理的方法获得光束焦斑 的中心信息，再将光束焦斑的中心与定位基准的中心位置进行比较，得到一个反 馈控制量，然后控制伺服电机使光束回到定位点。 图像采集处理系统的硬件主要包括计算机和图像采集设备。图像采集设备由 c c d 摄像机和基于p c i 总线的型号为p c i x r 的大恒图像采集卡来完成。系统 结构图如图2 5 所示。 图2 - 5 系统结构图 2 2 5 执行元件 装有反射镜的二维转动平台装置是光束准直系统实验设备的关键组件之一， 伺服反射镜是光路中直接影响光束俯仰和方位的光学元件，通过转动反射镜来调 整光束的俯仰和方位，从而达到准直的目的，原理如图2 - 6 所示。整个伺服系统 包括步进电机、平面反射镜和其他一些机械元件，伺服系统的结构设计如图2 7 所示。 l o 上海人学硕十学位论文 畲占 图2 - 6 伺服反射镜原理图图2 - 7 伺服反射镜结构图 反射镜上的步进电机是它的执行元件。一般在伺服反射镜的俯仰和方位两个 方向上安装电机，通过反射镜分别控制光轴的x 方向、y 方向的变化。光束准 直系统中选择步进电机，主要原因包括：一，电机的旋转角与输入脉冲数成正比， 角度误差小，不会产生积累误差；二，利用脉冲的频率高低即可做转速的调整； 三，步进电机的结构简单，可靠性高，几乎不需作太多的保养，使用寿命长。步 进电机的驱动方式可以采用单相、两相、半步激磁控制，其中半步方式的步进角 度为单相的一半，可以达到更为精确的定位。如果调整精度要求更高，则需要采 用步进电机的细分状态。所谓细分状态是指利用驱动电路使电机的一步分成n 步来完成，一个脉冲下马达前进1 n 步。实验中采用的是常州维特电机总厂生产 的型号为4 5 b f 0 0 8 的三相步进电机。工作电压2 4 v ，电流0 2 a ，步距角1 5 。 上海大学硕士学位论文 第三章光束自动准直系统的单元技术 光束自动准直系统涉及的学科领域很广，包括光学、机械、电子和计算机等 多门学科，系统包含多种庞杂的单元技术，例如近场调整、远场调整、图像处理、 准直光源同轴调整、倍频匹配角调整、精密定位及其脉冲激光信号的同步采集等 等，本章针对最主要和基本的一些单元技术进行研究。 3 1 近场调整技术 激光器发出的激光作为物面，经过多级空间滤波器逐级传递后形成像面，像 面再经过成像系统而重新成像到近场探测器的光敏面上，近场调整就是利用激光 束近场的像传递【2 4 】来探测光束的位置信息从而调整光束。近场探测器的基准通 常选取在像面位置上的一个十字叉丝、光阑或者某一光学元件的边框等。这样， 如果像面前面的光路发生了偏移，就会在近场探测器上得到相对于近场基准的明 显误差，然后通过调整反射镜上的步进马达就可以使光路调整到系统允许的误差 范围内。下面就大口径光束和双小光束近场的调整技术进行分析。 3 1 1 大光束的近场调整 在近场像面上插入一光阑i n s e r t a b l ca p e r t u r e ( 十字叉丝等参考物也可以) 作为 近场基准，然后成像在近场探测器n fc c d 上，这样就得到基准的中心坐标，然 后移开光阑，得到近场光束的中心坐标。比较两个坐标得到光束的平移误差，然 后通过驱动前面光路中反射镜的马达，使光束近场中心和基准光阑中心一致。原 理如图3 1 所示。准直前后光束近场和基准的相对位置如图3 2 所示。 图3 1 大光束近场调整图3 2 准直前后光束和基准位置图3 3 方光束的旋转 1 2 上海大学硕十学位论文 大光束的近场调整只能调整光束的平移。如果用这种调整方法，对于方光束 来说，为了缩小空间体积和实现模块化，方光束的镜框一般也是方形的，这样如 果方光束旋转一定的角度，就有可能使光束偏出镜框，造成主激光打坏光学元件、 甚至伤人的严重后果。如图3 3 所示。 3 1 2 双小光束的近场调整 利用双小光束调整近场可以增加对光束旋转角度的监测调整。其优点是：图 像处理比大光束简单，所需要的时间大大缩短，可以迅速提高准直系统的效率。 在空间滤波器s f ( s p a c ef i l t e r i n g ) 2 5 】的物面( 即前一级空间滤波器的像面) 插入 一对近场小光束n fl i g h ts o u r c ep a i r l ，然后通过空间滤波器s f 和成像透镜 i m a g i n gl e n s 成像到近场探测器n fc c d ，这样得到近场光束图像。然后移开n f l i g h ts o u r c ep a i r l ，使一对近场基准小光束n fl i g h ts o u r c ep a i r 2 发光，也成像到 n fc c d 上，得到近场基准的图像。如图3 4 所示。 比较这两幅图像，就可以得到近场光束的平移误差和旋转角度误差，两对小 光束的中心连线的中点的坐标差x 和y 分别表示了近场光束的水平平移误差 和垂直平移误差，而两根中心连线的角度a 0 则表示了光束的角度旋转误差。如 图3 5 所示。基于此，在“神光i i 升级装置中采用双小光束近场调整方案。 0 ， 图3 4 双小光束的近场调整光路图3 5 双小光束旋转前后的位置 3 2 远场调整技术 远场调整指的是利用空间滤波器的远场像传递来实现激光束准确穿过空间 滤波器小孔，或者利用光束的焦斑特性实现对激光束指向角度的调整。为此，主 1 3 上海大学硕士学位论文 要介绍如何通过小孔的照明成像技术和光栅取样远场成像技术来实现光束的指 向( 角移) 的调整【2 6 1 。 3 2 1 传统远场探测系统 传统的远场探测系统一般都和激光光路同轴，为了不影响主光路，其位置大 多在反射镜后面，通过反射镜的漏光来取样。主要监测调整步骤是：首先让小孔 被照明，再使d , t l 成像到远场探测器上，由于d , t l 面也是激光束焦面所在位置， 这样激光束焦斑也同时成像到这个远场探测器上，通过比较小孔中心和焦斑中心 的误差，调整空间滤波器前面的反射镜就能使两个中心重合，实现远场准直调整。 如图3 6 所示。这种方法的缺点包括两个方面：一是透射式的取样方式，正如前 面所说，图像质量容易受到激光透过率的限制，影响图像处理的精度；另一个就 是同轴取样加长了光路，这对空间节省不利。如图3 - 6 所示。 3 2 2 新型远场探测系统 图3 - 6 传统远场探测系统 传统远场探测系统一般都在主光路的光轴上，为了不影响主光路，其位置大 都在反射镜后面，通过特别设计的具有很小透过率的反射镜的漏光来取样。而通 过研究发现，通过光栅取样可以实现离轴的远场监测和调整。这种技术适用于在 主光路上没有空间建立远场探测系统情况下，在空间滤波器的侧壁设置通过光栅 取样的远场成像系统。 光栅取样通过在滤波器侧壁挂靠光栅，当光束照射到光栅上时通过光栅衍射 1 4 上海人学硕上学位论文 作用而产生多级衍射光，再通过周围的成像系统采集衍射光进行图像处理，这样 就能得到光束位置的信息；再利用侧面设置照明光源照亮定位小孔，通过成像系 统采集到小孔的图像进行处理得到基准的位置。将光束与基准小孔进行比较，得 出误差。如图3 7 所示。这种远场探测方案避免了传统方法带来的缺点，也是对 传统远场监测方案的一种创新。后面将进行实验验证。 3 3 图像处理技术 图3 7 光栅远场取样成像系统 视觉是人类最重要的感知手段，图像又是视觉的基础【2 7 】。数字图像处理技 术是2 0 世纪6 0 年代随着计算机技术和v l s yv e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n 的发展 而产生、发展和不断成熟起来的一个新兴技术领域，数字图像处理是指将图像信 号转换成数字信号并利用计算机进行处理的过程。其优点是处理精度高，处理内 容丰富，可进行复杂的非线性处理，有灵活的变通能力，一般来说只要改变软件 就可以处理内容【2 8 1 。在光束准直系统中，仅靠人眼的观察已经无法满足系统的精 度要求，因此图像处理技术的应用成为必需，其重要性不容忽视。 在光束自动准直的闭环控制系统中，图像处理是一个极其重要的环节。图像 处理是利用各种图像处理方法，快速而准确地从c c d 图像中提取激光束的有用 信息，为自动调整提供依据。 图像分析的流程包括对采集到的灰度图像进行滤波处理，再通过阈值化将灰 度图变成二值图，然后提取二值图像的边缘轮廓，最后用中心检测算法得出图像 1 5 上海大学硕士学位论文 的中心位置，其图像处理步骤如下： 1 、对灰度图像进行滤波，消除噪声： 2 、对灰度图像进行阈值二值化，产生二值图像； 3 、进行轮廓跟踪，提取光斑边缘，得到边缘集合； 4 、对边缘集合进行中心，得到定位基准和光束的特征数据。 1 6 上海人学硕士学位论文 第四章光束准直图像处理软件的开发及应用 在光束自动准直的闭环控制系统中，图像处理是一个极其重要的环节。图像 处理是利用各种图像处理方法，快速而准确地从c c d 图像中提取激光束的有用 信息，为自动调整提供依据。本章主要介绍图像处理软件的开发及应用。 4 1 光束准直图像处理软件的开发流程设计 光束自动准直图像处理软件主要用于单路激光的准直调整，包括摄像头的图 像采集，图像的存储，图像的分析处理，再通过中心检测算法求出位置信息，然 后计算出光束位置与定位基准之间的位置误差，最后通过马达驱动器来驱动伺服 电机从而达到调整伺服反射镜俯仰和方位的目的。光束准直系统的图像处理软件 采用v i s u a lc + + 语言编程。通过选择摄像头采集图像，将图像存于内存，再进 行一系列的图像处理求出中心，将激光束的焦斑中心与定位小孔的位置中心进行 比较，得出中心误差，如误差超出允许的范围，重新调整光学反射镜，再通过摄 像头采集图像求出位置信息，如此反复，直到误差在允许范围内。如图4 1 所示。 图4 1 光束自动调整流程 1 7 上海大学硕十学位论文 4 2 图像分析处理算法 在数字图像处理中，首先要对图像进行预处理，包括去噪声和二值化等，然 后才能在此基础上进行相应的算法处理来计算图像的中心。下面将介绍的图像预 处理包括平滑滤波和阈值化法。 4 2 1 平滑处理 由于光束受气流、平台蠕动、机械振动等外界因素的影响较大，为了获得最 佳的图像处理效果，在进行阈值化和边缘检测进一步处理之前，需要对图像进行 一定程度的平滑降噪处理，滤掉高频噪声。 平滑的作用是滤掉图像中的高频噪声，常用的滤波方式有高通滤波、高斯滤 波以及领域平均等，这些滤波器在滤掉高频分量的同时也使图像边缘变的模 糊。中值滤波是一种典型的低通滤波器，它的目的是在保护图像边缘的同时去 除噪声，较之其它滤波器其作用在光束准直系统的图像处理应用中是明显的，因 而选用中值滤波来平滑图像。 其设计思想就是检查输入信号中的采样并判断它是否代表了信号，首先将模 板内窗口所涵盖的像素按灰度值由小到大排列，再取序列中间点的值作为中值， 并以此值作为滤波器的输出值，在有很强的胡椒粉式( 或脉冲) 啪1 干扰的情况下， 因为这些灰度值的干扰值与其邻近像素的灰度值有很大的差异。因此经排序后取 中值的结果是强迫将此干扰点变成与其邻近的某些像素的灰度值一样，从而达到 去除干扰的效果。中值滤波的过程是一个非线性的操作过程驺川，它即能保持图像 的轮廓，又能消除强干扰脉冲噪声。对序列而言，中值的定义如下： 若x l z 2 z 丹为一组序列，先把其按大小排列为 x f l x j 2 x f 3 x 胁 ( 1 ) 则该序列的中值y 为 y 2 拖d x i x 2 x n t ( 宁 n 为奇数 ( 2 ) 式( 2 ) 中，若把一个点的特定长度或形状的领域作为窗口，在一维情况下， 中值滤波器是一个含有奇数个滤波器的滑动窗口。窗口正中间那个像素的值用窗 1 8 t 颤学位论文 口各像素值的中值来代替设输入序列为( z ，ien i 为自然数集合或子集，窗 口长度为n ，r - 争u = 里；，则滤波器的输出为 y 2m e d x 。) 2m e d x 。；j 。+ 。 ( 3 ) 式( 2 ) 表明y 点的中值仅与窗口前后各点的中值有关，y ，为序列五的中值。 在程序设计中，通过一个对话框选择滤波模板，点击确定就可以进行滤波处 理。如图4 - 2 所示。滤波后的效果对比图如4 3 ( a ) ( b ) 所示。 422 目值化 匝王雪互亚互型! 竺! 囤4 - 2 中值滤波模扳选择窗口 t a ) 原始图像( b ) 滤波后 图43 中值滤波对照图 图像分割是图像分析的一个重要处理步骤，闽值化是一种区域分割技术m ， 在图像分析过程中，一般首先要对所给的图像进行分割，再对分割的区域作适当 的描述，然后才能对图像作某种分析。阈值化用于对物体与背景进行分割。当使 用闽值规则进行罔像分割时，所有扶度值大干或等于某闽值的像素都被判属于物 崎蚰 脯 十十 十 咖m 蚋 w t 蛐删 十 | 海太 顽学位论立 体，而所有驭度值小于该闽值的像素都被排除杠物体之外。即： m 川2 僦澎 h 、 其中f 为闽值，它与图像中的光斑强度，物体和背景的对比度等有关。u f 表示成如图4 4 。 图44 阉值化 闽位方法分为全局闽值和局部闽值两种，如粜分割过程中对图像上缚个像素 所使用的闽值都相等，则为全局闽值方法：如果每个像素所使用的闽值可能不同， 则为局部闽值方法。 4 2 2 1 全局阈值 采用闻值确定边界的最简单方法就是在整个图像中将灰度阈值的值设置为 常数。如果背景的灰度值在整个图像中可合理地看作恒定，而且所有物体与背景 都具有几乎相同的对比度。那么，只要选择正确的闽值，使用个固定的全局闽 值会有好的效果。通过闽值分割对话框，可以自行选择闽值类型，如图4 5 所示。 r “”“3 “ | io 目i 目* d | i * 定分m f i r i 自m 目m * “ ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 图4 5 闲值分割宙口 圉4 - 6 阀值化 海大学自位论立 时光栅取样的远场光斑图进行巾值滤波处理后，再闽值化得到图4 - 6 。原始 图4 - 3 ( a ) 。 4 222 自适应阈值 当光照不均匀、有突发噪声，或者背景扶度变化比较大时，整幅图像分割将 没有合适的单一门限因为单一的闽值不能兼顾图像各个像素的实际情况。这时， 可对图像按照