专利名称：一种极窄脉宽单脉冲激光光斑探测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于脉冲激光光斑探测领域，具体涉及一种极窄脉宽单脉冲激光光斑探测的方法及装置。
背景技术：
激光光斑是分析激光器质量的一个重要参数。目前脉冲激光光斑探测方法一般有相纸曝光法和(XD/CM0S图像传感器法两种。相纸曝光法是采用相纸直接接收激光光斑，在相纸上形成一个反映激光光斑形状特征的烧蚀黑斑。这种方法需要经常更换相纸，且不利于对探测结果的后期精确分析。CCD/CMOS图像传感器法采用计算机配以图像采集卡，通过 CCD电荷耦合器件或CMOS图像传感器实施连续采集或者可控的同步采集，探测结果直接生成数字图像存储于计算机中。该方法实时性强，易于对探测结果的后期精确分析，但它仅适应于对连续激光或者重复频率高的脉冲激光光斑的探测，对于纳秒级甚至更窄脉宽的单脉冲激光光斑却往往因CCD电荷耦合器件或CMOS图像传感器处于复位期而产生漏探测。为了使用普通的CCD电荷耦合器件就能够探测窄脉冲激光的光斑，中国人民解放军总装备部军械技术研究所的陈志斌、李义照等人发明一种“低频窄脉冲激光光斑采集器” (公开号为101576373)，其原理为将窄激光脉冲直接打到上转换板上，利用上转换材料的时间驰豫特性间接将窄的激光脉冲展宽，以保证CCD电荷耦合器件能够探测到。该方法对CCD 电荷耦合器件的响应速度需求较低，一定程度上降低了设计、制造成本，但其测量到的激光光斑的质量和精度受上转换板材料的光谱响应范围以及分辨率限制较大。目前，对纳秒级甚至更窄脉宽的单脉冲激光光斑进行高质量、高精度的探测采集，尚无成熟的方法和装置。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种可靠有效、高质量、高精度地采集激光发射机发出的极窄脉宽单脉冲激光光斑的方法和装置。本发明采用以下技术方案一种极窄脉宽单脉冲激光光斑探测装置，其特征在于 该装置包括双CMOS光斑采集系统和连接其的控制处理存储系统。所述双CMOS光斑采集系统包括沿激光入射光路依次设置的可调光衰减器、透镜和镜形分光片，三者为中心同轴结构，镜形分光片分光后分为两束光路，在两束光路上以镜形分光片为轴对称地设有第一 CMOS图像传感器和第二 CMOS图像传感器。可调光衰减器对入射激光进行衰减；透镜对衰减的激光进行汇聚；镜形分光片将汇聚后的激光分成两束，分别辐射到在时序上交替工作的两个CMOS图像传感器上，第一 CMOS图像传感器和第二 CMOS图像传感器探测极窄脉宽的激光脉冲并将其转换为数字电子图像。所述控制处理存储系统包括单片机、CPLD时序驱动器、SDRAM存储器、IXD显示屏、 键盘和USB接口芯片，控制处理存储系统控制第一 CMOS图像传感器和第二 CMOS图像传感器进行交替工作，对采集到的数字图像进行存储、处理，控制LCD显示、响应键盘输入指令和与计算机进行数据通信。所述单片机为主控制器，控制两个CMOS图像传感器输出的图
3像数据的存储、读取和处理；CPLD时序驱动器产生两个CMOS图像传感器交替工作所需的时序驱动信号以及片选信号；SDRAM存储器用于存储激光光斑的图像数据；LCD显示屏用于显示激光光斑图像；键盘用于接受外部命令，进行人机交互；USB接口芯片实现与计算机的通信，上传激光光斑图像数据。进一步的，所述可调光衰减器为九重滤波片组合，每3片滤波片由一个拨轮带动，一共有64个步进。每次增加约16%的衰减，衰减倍数从1:1到400，000:1，可以根据激光发射机的具体的功率大小，确定合适的衰减倍率，选用不同的衰减片进行自由组合，将入射激光脉冲功率衰减到CMOS图像传感器的线性工作范围内。进一步的，所述镜形分光片的透/光比为50%，其透光平面与激光入射光路呈45度角，形成两束独立的光路，而且两束光能正好射到第一 CMOS图像传感器和第二 CMOS图像传感器上。本发明可以这样实现
CPLD时序驱动器产生时序驱动信号以及片选信号，驱动第一 CMOS图像传感器和第二 CMOS图像传感器交替工作，入射激光首先经过可调光衰减器的衰减，再经过透镜汇聚，然后经过镜形分光片分成两束，分别射到在时序上交替工作的第一 CMOS图像传感器和第二 CMOS图像传感器上。两个CMOS图像传感器的积分时间相互交替，并在时序上稍有重叠，这样极窄脉宽的单脉冲激光在任何时刻到达均会被其中一个CMOS图像传感器或者两个同时探测到。第一 CMOS图像传感器和第二 CMOS图像传感器探测极窄脉宽的激光脉冲并将其转换为数字电子图像，存储到SDRAM存储器中。单片机读取SDRAM存储器中数字电子图像的中心点数据进行比对，如果比对结果超过预设值，再在中心点附近取三个点进行比对，如果结果均超过预设值，即判定该帧图像为包含激光光斑信息的有效图像；如比对结果不超过预设值，单片机继续读取下一帧图像的中心点数据进行比对，直至比对结果超过预设值，判定出该有效图像帧。单片机发送指令控制CPLD时序驱动器停止产生时序驱动信号和片选信号，并切断第一 CMOS图像传感器和第二 CMOS图像传感器的工作电源。单片机读取SDRAM存储器中的有效图像帧和相邻无效帧进行对应数据相减，生成新的数字图像，存储于SDRAM存储器中。CMOS图像传感器积分时间越长，背景噪声就越大， 在合理选择积分时间的基础上，对CMOS图像传感器输出的有效图像帧和相邻无效帧进行对应数据相减，生成新的数字图像，即滤除了干扰的高质量的激光光斑图像，可以有效地消除CMOS图像传感器内部缺陷对激光光斑图像造成的影响。单片机根据通过键盘输入的人工指令控制IXD显示屏显示处理后的激光光斑图像，将激光光斑图像经USB接口芯片传至计算机。本发明的有益效果是两个CMOS图像传感器交替工作，并在时序上稍有重叠，极窄脉宽的单脉冲激光在任何时刻到达均会被其中一个CMOS图像传感器或者两个同时探测到。采用中心点比对的方法解决数字图像数据量大实时处理难的问题。对有效图像帧和相邻无效帧进行对应数据相减，滤除了干扰，形成高质量的激光光斑图像。本发明方法独特，实用有效，探测极窄脉宽单脉冲激光光斑的图像质量高，可实时显示探测到的光斑图像，具备存储记忆功能，并可将数据上传至计算机进行后期分析处理，功能强大。
图1为本发明的结构示意图； 图2是本发明的控制软件流程图。图中1、双CMOS光斑采集系统，2、控制处理存储系统，3、可调光衰减器，4、透镜， 5、镜形分光片，6、第一 CMOS图像传感器，7、第二 CMOS图像传感器，8、单片机，9、CPLD时序驱动器，10、SDRAM存储器，11、IXD显示屏，12、键盘，13、USB接口芯片。
具体实施例方式如图所示，一种极窄脉宽单脉冲激光光斑探测装置，包括双CMOS光斑采集系统和连接其的控制处理存储系统，沿激光入射光路依次设置可调光衰减器3、透镜4和镜形分光片5，三者为中心同轴结构，可调光衰减器3为九重滤波片组合，每3片滤波片由一个拨轮带动，一共有64个步进，可以根据激光发射机的具体的功率大小，确定合适的衰减倍率，选用不同的衰减片进行自由组合，将入射激光脉冲功率衰减到CMOS图像传感器的线性工作范围内；透镜4对衰减的激光进行汇聚；镜形分光片5的透/反光比为50%，其透光平面与激光入射光路呈45度角，镜形分光片5将汇聚后的激光分成两束，在两束光路上以镜形分光片5为轴对称地设有第一 CMOS图像传感器6和第二 CMOS图像传感器7，两束光分别辐射到在时序上交替工作的第一 CMOS图像传感器6和第二 CMOS图像传感器7上。控制处理存储系统2包括单片机8、CPLD时序驱动器9、SDRAM存储器10、IXD显示屏11、键盘12和USB接口芯片13。本发明的控制软件流程图如图2所示，CPLD时序驱动器9产生时序驱动信号以及片选信号，驱动第一 CMOS图像传感器6和第二 CMOS图像传感器7交替工作，第一 CMOS图像传感器6和第二 CMOS图像传感器7的积分时间相互交替，并在时序上稍有重叠，这样极窄脉宽的单脉冲激光在任何时刻到达均会被其中一个CMOS图像传感器或者两个同时探测到。第一 CMOS图像传感器6和第二 CMOS图像传感器7探测极窄脉宽的激光脉冲并将其转换为数字电子图像，存储到SDRAM存储器10中。单片机8读取 SDRAM存储器10中数字电子图像的中心点数据进行比对，如果比对结果超过预设值，再在中心点附近取三个点进行比对，如果结果均超过预设值，即判定该帧图像为包含激光光斑信息的有效图像；如比对结果不超过预设值，单片机继续读取下一帧图像的中心点数据进行比对，直至比对结果超过预设值，判定出该有效图像帧。单片机8发送指令控制CPLD时序驱动器9停止产生时序驱动信号和片选信号，并切断第一 CMOS图像传感器6和第二 CMOS 图像传感器7的工作电源。由于CMOS图像传感器积分时间越长，背景噪声就越大，所以在合理选择积分时间的基础上，单片机8读取SDRAM存储器10中的有效图像帧和相邻无效帧进行对应数据相减，生成新的数字图像，存储于SDRAM存储器10中。单片机8根据通过键盘10输入的人工指令控制IXD显示屏11显示处理后的激光光斑图像，将激光光斑图像经 USB接口芯片13传至计算机。
权利要求
1.一种极窄脉宽单脉冲激光光斑探测装置，其特征在于该装置包括双CMOS光斑采集系统(1)和连接其的控制处理存储系统(2)；所述双CMOS光斑采集系统(1)包括沿激光入射光路依次设置的可调光衰减器(3)、 透镜(4)和镜形分光片(5)，三者为中心同轴结构，镜形分光片分光后分为两束光路，在两束光路上以镜形分光片为轴对称地设有第一 CMOS图像传感器(6)和第二 CMOS图像传感器 (7)；所述控制处理存储系统(2)包括单片机(8)、CPLD时序驱动器(9)、SDRAM存储器(10)、 IXD显示屏(11 )、键盘(12)和USB接口芯片(13)，控制处理存储系统控制第一 CMOS图像传感器(6)和第二 CMOS图像传感器(7)进行交替工作，对采集到的数字图像进行存储、处理， 控制LCD显示、响应键盘输入指令和与计算机进行数据通信。
2.根据权利要求1所述的一种极窄脉宽单脉冲激光光斑探测装置，其特征在于所述可调光衰减器为九重滤波片组合，每3片滤波片由一个拨轮带动，一共有64个步进。
3.根据权利要求1所述的一种极窄脉宽单脉冲激光光斑探测装置，其特征在于所述镜形分光片的透/反光比为50%，其透光平面与激光入射光路呈45度角。
4.一种极窄脉宽单脉冲激光光斑探测方法，包含以下步骤a、CPLD时序驱动器(9)产生时序驱动信号以及片选信号，驱动第一CMOS图像传感器 (6 )和第二 CMOS图像传感器(7 )交替工作，入射激光首先经过可调光衰减器(3 )的衰减，再经过透镜(4)汇聚，然后经过镜形分光片(5)分成两束，分别射到在时序上交替工作的第一 CMOS图像传感器(6)和第二 CMOS图像传感器(7)上；b、第一CMOS图像传感器(6)和第二 CMOS图像传感器(7)探测极窄脉宽的激光脉冲并将其转换为数字电子图像，存储到SDRAM存储器(10)中；C、单片机(8)读取SDRAM存储器(10)中数字电子图像的中心点数据进行比对，如果比对结果超过预设值，再在中心点附近取三个点进行比对，如果结果均超过预设值，即判定该帧图像为包含激光光斑信息的有效图像；如比对结果不超过预设值，单片机继续读取下一帧图像的中心点数据进行比对，直至比对结果超过预设值，判定出该有效图像帧；d、单片机(8)发送指令控制CPLD时序驱动器(9)停止产生时序驱动信号和片选信号， 并切断第一 CMOS图像传感器(6)和第二 CMOS图像传感器(7)的工作电源；e、单片机(8)读取SDRAM存储器(10)中的有效图像帧和相邻无效帧进行对应数据相减，生成新的数字图像，存储于SDRAM存储器(10)中；f、单片机(8)根据通过键盘(10)输入的人工指令控制IXD显示屏(11)显示处理后的激光光斑图像，将激光光斑图像经USB接口芯片(13)传至计算机。
全文摘要
本发明属于脉冲激光光斑探测领域，具体涉及一种极窄脉宽单脉冲激光光斑探测的方法及装置。该方法与装置由双CMOS光斑采集系统和控制处理存储系统两部分连接组成，其工作流程为入射激光经过衰减、汇聚、分束，分别辐射到两个交替工作的CMOS图像传感器上，激光光斑图像被捕获并被转换为数字电子图像存储到存储器中；单片机读取数字电子图像进行中心点数据比对，然后将有效图像帧和相邻无效帧进行对应数据相减，生成高质量的激光光斑图像并进行存储。本发明方法独特，实用有效，探测极窄脉宽单脉冲激光光斑的图像质量高，可实时显示探测到的光斑图像，具备存储记忆功能，并可将数据上传至计算机进行后期分析处理，功能强大。
文档编号G01J1/42GK102261952SQ20111016754
公开日2011年11月30日 申请日期2011年6月21日 优先权日2011年6月21日
发明者孙扬, 孙香冰, 张帅, 焦现炜, 田柯文, 陈烁 申请人:中国人民解放军济南军区72465部队