激光测距机光斑及其光轴平行性检测方法研究
激光测距机光斑及其光轴平行性检测方法研究
作者:陈志斌;李义照;王呈阳;侯章亚
在激光测距仪机中,激光指示器与光学观瞄装置联合使用,为了精确指示和瞄准目标,要求激光光束的光轴和光学观瞄装置的光轴保持平行[1]。对二者光轴平行性进行调校时,通常需要对激光光斑进行检测,找出光斑中心。激光光斑的常用检测方法有烧蚀法和CCD 测量法等。烧蚀法是将光学观瞄装置的十字分划对准在大口径平行光管后放置的红外相纸的十字分划,激光发射系统发射激光。通过测量红外相纸上的烧蚀光斑直径以及激光光斑与十字分划中心点的距离,估算出激光的发散角和白光、激光两光轴的平行性。该方法需要不断地更换相纸,自动化程度低,不能进行光轴的在线调校,检测精度也较低。CCD测量法是用 CCD 器件直接使激光光斑成像,解决了检测的自动化程度和检测精度等问题,为人们广泛采用。该方法易于实现 CCD 响应波段内的连续或高重频脉冲激光光斑的检测,但 CCD 器件本身响应时间有限,而且对处于红外波段的激光的响应灵敏度很低,对于此波段内的用于测距的单、低频窄脉冲激光,CCD 几乎捕捉不到激光光斑。若加入同步取样来弥补其不足,需增加设计的成本,也影响检测操作的通用性和适用性,因此,从工程实际需求出发很有必要对 CCD 检测原理和装置做进一步改进。
1 检测方案设计
1.1 检测装置
加入上转换板后的 CCD 检测激光光斑的原理图。激光光束经过光学准直系统投射到位于系统焦平面处的上转换板上,上转换板将激光光斑由红外光转换为能被 CCD 探测到的可见光,经过 CCD 物镜成像在 CCD 光敏面上,上转换板还将激光光斑在CCD 光敏面上停留的时间延长。转换后的激光光斑和原始的激光光斑成逐像素对应关系。经过图像采集卡采集,将激光光斑图像信息传输到微机上可进行光斑的形心、尺寸、质心等技术参数的处理。
光学准直系统采用卡塞格林平行光管,为双反射系统,主反射镜为抛物面,次镜为双曲面,抛物面和双曲面具有一个共同的焦点,双曲面的另外一个焦点为卡塞格林系统的焦点。主要技术参数:物镜焦距f/=1 000 mm,物镜有效孔径D=140 mm,入射光束平行差≤10。采用了折反式结构,减小了仪器的体积和重量,便于携行和架设使用。该系统只有一个物镜,因此只有一根光轴,本身是光轴不失调系统。双反射系统消除了成像的色差;选用抛物面做主镜,消除了轴向的球差。这种设计结构,保证了光学系统的成像质量。
上转换板是一种新型的红外探测转换器件,可以将红外波段的激光转换为可见光波段的红光(峰值波长 672 nm)。同时可使光斑在 CCD 光敏面上停留的时间延长,使 CCD 很容易探测到
单、低频窄脉冲的激光。该器件具有量子转换效率高、红外响应时间短、室温条件下工作、不需制冷、热稳定性好等特点,可较好地应用于 YAG、GaSi 和 InGaAsP 等多种红外激光器的光路调节和光斑测量上。上转换板刻有十字分划,并与 CCD 产生的电十字分划严格对准。上转换板位于光学准直系统的后焦面上。
在光电测量系统中,用 CCD 固体成像器件做接收装置,实现了测量的客观化、自动化和数字化。激光光斑在 CCD 光敏面上形成光学图像,CCD 将光学图像转换为与光强成比例的视频信号输出。图像采集卡将信号传到微机上进行记录和后续处理。该方案采用敏通公司产黑白低照度高清晰 MTV-1881EX 型CCD,主要技术指标:像素 795(H)×596(V)图像大小 7.95 mm×6.45 mm,信噪比>48 db,最小照度0.021 l x。图像采集卡采用北京家恒中自图像技术有效公司产的 USB20A,主要技术特点和指标:8 位精度 A/D,彩色和黑白图像采集,图像采集最大分辨率768×576,外形尺寸 95 mm×63 mm×31 mm。
1.2 检测方法
将被测激光装备固定在卡塞格林平行光管物镜前,激光发射窗大致对准物镜。上转换板固定在平行光管的后焦面处,上面刻有十字分划。从激光测距机的光学观瞄窗中观察,找到激光测距机本身和上转换板的十字分划,并使二者中心重合(即校正了光学观瞄装置的光轴)。可先打开上转换板以后的装置,引入一定的背景光照明上转换板,完成对准后再复位,可使对准操作简便,但要注意打开和复位装置时动作要轻,防止造成光轴移动。
为 CCD 器件通电使之工作,打开微机并进入图像采集程序,这时应只能显示 CCD 的电十字分划。操作激光测距机发射激光,这时 CCD 便可采集到激光光斑的图像,并可在微机上记录下来。采用一定的算法可以检测得到激光光斑的形心、尺寸、质心等参数。首先采用阈值法对光斑图像进行行列像素扫描,求出光斑在 X,Y 方向的灰度最大和最小值像素点的坐标。另外,利用该检测装置可以方便地进行激光装备光轴平行性的在线调校,便于重复使用,而不必多次拆装。
2 实验结果
采用该检测装置实验表明,可以非常方便地探测到单脉冲、脉冲半宽度不大于18 ns 的激光光斑。CCD采集到的电十字分划和激光光斑图像采集及处理结果,光轴平行性检测综合结果如图6 所示,其中激光发射轴与瞄准轴的平行性误差为0.052 8 mrad。
电十字分划中心图像的处理方法是:(1)对图像进行锐化,做该图像的灰度直方图,选取适当的灰度阈值;(2)对图像进行二值化处理;(3)采用粒子法扫描并分割图像,判断并记下每个矩形块的位置及长度;(4)查询电十字分划所在的矩形块,取其中心便得到电十字分划的中心。
激光光斑中心图像的处理方法是:采用阈值法对光斑图像进行行、列像素扫描,求出光斑在 X、Y 方向的灰度最大和最小值像素点的坐标可求得。
3 误差分析与讨论
在上述检测方法中,存在光学系统的制造误差,激光发射器每次发射的激光也存在一定的差异,激光光斑灰度值的获取误差,均属于固有的误差因素。上转换材料的上转换发光强度与材料的密度有关。如用 980 nm 的红外光激发掺 Tm3+的 YLiF4 材料,发现 Tm3+浓度为 0.3%时发光强度达到最强,超过此浓度后发光开始减弱。而实际上上转换材料制备不可能达到理想的均匀性,因此其激发光强度也并不是完全线形的激光光斑强度的反映。另一方面,上转换发光强度与输入红外激光的强度成正比关系: up ∝IIir ,但不同的发光峰值波长区间存在不同的比例关系,如 975 nm 的激光激励 Er3+掺杂重金属氧氟锗酸盐玻璃时,529,551,657 nm 处发光强度与激励激光功率对数曲线斜率分别为 2.14,2.08, 1.95。结合 CCD 的线性响应波长范围,不同的转换效率也会造成 CCD 探测到的光斑强度发生变化。针对实验中采用的特定的上转换板,采用图像处理、补偿等办法,通过多次实验,使最终成像光斑最大限度逼近真实光斑,需要在进一步的研究工作中解决。
电耦合器件 CCD 存在饱和效应,即投射到光敏区某个或多个单元的光照较强,使之产生的电荷积累超过了势阱的收集能力,从而多余电荷向周围势阱扩散,造成光斑成像强度反映不真实。另外卡塞格林平行光管的反射镜接收的激光强度不能超过一定值,否则会烧毁反射镜,从而影响光斑的检测精度。综合以上两个因素,需要对发射的激光进行一定的功率衰减,衰减程度可通过实验获得。
4 结 论
提供了一种新颖的对单、低频窄脉冲激光光斑进行检测的方法,采用加入上转换板的 CCD 测量法,较好地解决了单、低频窄脉冲激光光斑检测的问题。如何使探测到的光斑更逼近真实光斑,提高检测精度,还需要对上转换板制作工艺及其各种常见波长下的线形转换范围、进入平行光管的激光束光强衰减控制等问题进行深入研究。
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