大气激光光斑图像处理技术研究|激光聚焦光斑大小

　　摘要： 激光大气中传输时由于折射率梯度和湍流效应造成激光光斑重心的弯曲和漂移，通过对外场光斑的分析处理来是研究激光大气传输效应的重要方法，通过CCD接收外场光斑图像，通过matlab处理CCD接收到的近场和外场光斑图像，最后对影响光斑处理结果的方法进行了分析，并采用matlab编制了光斑处理界面。
　　Abstract: Laser will bent and wonder in atmosphere transmission because of atmospheric refractive index gradient and turbulence effect. The method to process the laser spot is important for studing the atmospheric character of laser. The spots received by CCD receiver. The images are processed with matlab. At last the spots processing effecting factors are discussed and processing interface is programmed with matlab GUI.
　　关键词： 激光光斑；二值化；灰度阈值；光斑处理界面
　　Key words: laser spots；binarization；gray-level threshold；spots processing interface
　　中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）24-0219-02
　　0 引言
　　激光光束在大气中传输时受大气折射率的不均匀分布和随机分布而发生弯曲和漂移，为了定量地研究光束在实际大气中的传输特性，在外场实验中得到了一系列的光斑图像，光斑图像反映了光束在实际大气中的弯曲和漂移特性，因此光斑图像的精确处理对于后期的理论分析有很大的影响。利用MATLAB对每组图像的进行二值化[1]和滤波等处理后，对图片求重心，在光斑重心的基础上，求每组光斑重心的方差，利用每组光斑重心方差分析光斑的重心漂移情况，从而分析激光束在实际大气中传输时受大气环境的随机影响情况，理论上光斑重心的垂直方差比水平方差大，即光斑重心垂直漂移比水平漂移大，这是因为由于大气折射率的垂直梯度要比水平梯度大的多的原因，大气中光束的漂移主要来源于折射率的随机漂移。
　　远场实验采用红外CCD接收激光光斑，CCD像元数574×768灰度等级256，像元尺寸为8.3μm×8.6μm，远场实验同样分为4小组，4组实验气象条件相同，但是激光器距靶标的距离不同，分别为492.4657米、968.4631米、1737.32米和495.2821米。第1组和第2组实验装置方位角保持不变，第3组和第4组重新调整了方位角后保持不变。
　　1 远场激光光斑图像处理
　　1.1 激光光斑图像 远场光斑因为可见光背景的影响，需通过一定的阈值来分割激光光斑和背景光斑。不同距离处的原始图像及激光光斑图象如图1所示。
　　1.2 光斑截取区域对重心的影响 当背景局部的可见光强较大时，为了尽可能减小背景可见光的影响需要有效截取光斑区域，其次实际光斑图像只占整个图像区域的一部分，因此只需要对包含光斑的一定大小的区域采取处理以提高运算速度，就以远场第4组一张光斑图像为例，分析光斑截取区域对光斑重心的影响。
　　由表1可以看出，截取激光光斑区域会对光斑重心坐标产生影响，对4组图像截取区域时，要根据光斑形状合适选择。
　　1.3 灰度阈值对光斑重心的影响 灰度阈值的选取也是很重要的，不同的阈值对光斑的重心和方差都有影响，不同阈值得到的光斑形状差异是很明显的。具体的重心坐标见表2。
　　由表2可以看到，光斑的重心水平坐标对灰度阈值比较敏感，而垂直坐标相对变化较小，对灰度的敏感实质上是对光强的敏感，光斑光强则主要取决于靶标处的棱镜反射率，因此，棱镜的形状及放置位置对光束的发射强度造成了影响，从而导致在某一方向光强变化比较明显。因此所求得的光斑漂移方差与棱镜的形状和位置有关。
　　2 光斑图像处理界面
　　采用matlab设计图形用户界面有两种方法[2]，一是使用程序（M文件）编写的方式建立GUI；二是利用GUIDE设计图形用户界面，第一种方法在调整图形组件位置时需要花费较长的时间，本文采用第2种方法。图形用户界面GUI（Graphics User Interface）是由各种图形对象，如图形窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象构成的用户界面，在GUIDE平台下可实现对用户自定义界面的菜单、快捷菜单以及各种控件的位置布置及其属性编辑，从而设计出自定义的图形用户界面。利用matlab编制光斑处理界面，可以直观地检测光斑处理过程，发现并处理误差较大的光斑，从而保证结果的精度。图2为matlab界面设计流程。
　　图3为编制的matlab近场和远场光斑处理界面，界面上分别显示了原图和二值化光斑图像，分别通过形心法和重心法求得的光斑形心漂移曲线和光斑重心漂移曲线和方差。
　　由图3以看出，光斑的重心漂移和形心漂移，其垂直漂移比水平漂移都大一个数量级以上，与理论相符。
　　3 光斑图象处理误差
　　3.1 光斑子样大小误差 由于CCD每帧光斑图片有限，当去掉误差很大的个别光斑图像时，小子样所引起的误差不可忽视。设激光器照射光斑位置精度为σ，精度σ的估计为■，计算光斑子样数为n，子样大小引起的相对误差为[3]γ：
　　γ=σ/■=1/■（1）
　　只有光斑子样数n足够大时，漏测光斑对测量精度的影响可以忽略。需要提高CCD的图像采集频率。
　　3.2 光斑形状误差 尽管激光光束的准直性比较好，但是还是具有一定的发散角，导致CCD接收面上光斑的形状为一定区域的散斑。还有靶标上发射棱镜的形状和位置导致的光斑形状失真，通过散斑的重心来求光束的漂移也是具有误差的。
　　3.3 CCD接收误差
　　3.3.1 CCD非线性误差 对于激光光斑的漂移处理，我们实际处理的是CCD采集到由光强转化的灰度信息，一般CCD在动态范围内其灰度值VCCD与光照度E之间为线性关系，即VCCD=KE，而实际上由于CCD芯片光电转换本身及后续电路的非线性误差，VCCD与光照度E之间呈非线性关系[4]：
　　VCCD=f（E）（2）
　　其非线性误差为CCD的实测灰度值和线性回归后的灰度值之差。
　　VCCD=│f（E）-KE│（3）
　　当误差较大时，需要采用软件补偿的方法消除误差。
　　3.3.2 CCD接收面抖动误差 采用近红外CCD接收激光光斑，CCD采用三角架支撑，因此，三角架的防振性能并不好，因此导致CCD接收系统自身的抖动，对激光光斑最终的漂移方差计算产生影响。实际中一定要保证CCD接收面的稳定性。
　　4 小结
　　本节主要是实验光斑的分析和处理，利用matlab处理光斑图像，分析不同图像处理方法对光斑重心漂移的影响，得到不同距离处的光斑重心漂移方差。采用matlab编制了光斑处理界面，最后分析了影响光斑漂移实验结果的因素。在此基础上应进一步提高大气激光漂移特性研究的精度。
　　参考文献：
　　[1]王勇智.数字图像处理的二值化处理技术探究[J].湖南理工学院学报,2005,18(1):31.
　　[2]杨邵伟,韩天,尹忠俊.matlab GUI界面设计在电机故障诊断中的作用[J].机电产品开发与创新,2007,20(6):1.
　　[3]胡林亭,卢显葵,金俊坤等.CCD测量激光光斑方法研究[J].激光技术,2001,25(2):156.
　　[4]李文恩,陈海清,李俊等.红外导引头成像光斑图像处理及自动聚焦[J].量子电子学报，2003,20(3):367.