本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种icf靶丸的检测新装置及定位方法。
背景技术：
惯性约束核聚变(icf)是实现可控核聚变的主流方案之一，在核聚变研究中具有重大意义。靶丸作为所有n束激光束会聚，并内爆从而诱发核聚变的核心，其内表面光洁度、同心度、均匀性具有极苛刻的要求。为此，对其实施质量控制非常重要。
根据测量的原理，有多种靶丸冰层折射率与厚度检测装置。美国劳伦斯·利弗莫尔实验室利用干涉法检测(interferometricmeasurementoflaserfusiontargets.(appliedoptics，1978,vol.17,no.22:p3641～3646))，其干涉装置具体为一个泰曼-格林仪。干涉法检测靶丸除了泰曼-格林干涉仪法，亦有马赫-曾德干涉仪法、剪切干涉仪等。背光投影法作为一种结构简单的方法在靶丸检测中有广泛的应用。中国工程物理研究院激光聚变研究中心，使用背光投影法表征靶丸冰层内表面粗糙度，即靶丸内冰层厚度分布(背光阴影成像技术表征icf靶丸内表面粗糙度.(强激光与粒子束,2010,vol.22,no.12:p2880～2884))。x射线照相术相对干涉法和背光投影法可以弥补必须预先假设靶丸冰层折射率或厚度的不足，而可以得到不受折射率影响的厚度值。但相比干涉法和背光投影法，x射线照相术的胶片曝光时间长，精度较低，并且对器材要求较高。法国的lmj项目中同时使用了干涉法和背光投影法(observerforathicklayerofsoliddeuterium-tritiumusingbacklitopticalshadowgraphyandinterferometry.(appliedoptics,2007,vol.46,no.33:p8193～8201))，利用干涉法估计出靶丸两极处的冰层厚度，再通过背光投影求解冰层厚度的分布。该方法的求解精度较高，但是同样不能同时求解冰层的折射率和厚度。
通常来讲，靶丸内冰层折射率与厚度均需求解，虽然可能已知这几个量的标称值，但可能与实际值有差异。一般单个方法只可解出单个未知数，如单独使用干涉法或背光投影法等，只可在假设其中一个值的情况下解出另一个未知数。x射线照相法可以排除折射率的影响，解出绝对的厚度值。但是x射线照相法对实验仪器要求较高，测量时间长，并且无法测量折射率。为了解决这个问题，结合了干涉法和背光投影法的系统装置，可以根据一定的算法同时求解两个未知数。如在专利(一种icf靶丸内冰层折射率与厚度的测量方法及装置)中，提供了一种十字交叉型的系统装置及对应测量方法。该测量方法可用于同时测出靶丸内冰层折射率和厚度。但是对于多数靶丸检测系统，需将靶丸置于一筒状的通道内，这时十字交叉型系统装置不再适用。需要一种新的系统装置，该装置既可以满足靶丸内冰层折射率与厚度的同时测量，又可满足实际检测中的环境需求。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种icf靶丸的检测新装置及定位方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种icf靶丸的检测新装置，其特征在于包括激光器、扩束器、第一分束镜、平面反射镜、第二分束镜、第三分束镜、待测靶丸、透镜、ccd图像传感器、高功率led、光阑、电脑；所述的激光器、扩束器、第一分束镜、平面反射镜沿同一水平线依次摆放，激光器的出光口与扩束器的入光口对齐，扩束器的出光口与第一分束镜的入光口对齐，第一分束镜透射光的出光口与平面反射镜呈45°设置；与激光器平行方向上沿一水平线依次摆放高功率led、光阑、第三分束镜、待测靶丸、第二分束镜、透镜和ccd图像传感器；其中，光阑出光口位于高功率led的正中心，第三分束镜摆放在光阑出光口，并且保持与第一分束镜纵向对齐；第二分束镜与平面反射镜保持纵向对齐；待测靶丸、透镜、ccd图像传感器三者的摆放满足物像共轭关系；ccd图像传感器与电脑连接，获取干涉图和背光投影图。
一种icf靶丸的检测新装置的定位方法，包括如下步骤：
步骤1：装置光路
1-1.干涉检测光路：
从激光器发出的激光经过扩束器成为准直激光束，经过第一分束镜分为两束：一束直接透过第一分束镜，经过平面反射镜反射后射入第二分束镜；另一束经过第三分束镜后，穿过待测靶丸射入第二分束镜；这两束光在第二分束镜合束后，经过透镜成像在ccd图像传感器上；
1-2.背光投影检测光路
将激光器光源关闭，打开高功率led光源；从高功率led发出的准直光束经过光阑后口径缩小，经过第三分束镜后分为两束：一束出射到装置之外；一束直接透过第三分束镜，穿过待测靶丸后再穿过第二分束镜，经过透镜成像在ccd图像传感器上；
步骤2：对通过背光投影检测光路采集到的每一幅背光投影图像进行处理，提取出待测靶丸孔径后，将该孔径之外的信息滤除，只留孔径内的信息进行下一步的检测；
步骤3：针对已经滤波、提取出孔径后的每一幅背光投影图ⅲ，计算亮环附近环形区域的锐度；
步骤4：对于已经求解出的各位置锐度值，找出其中的最大值，并将待测靶丸移动到最大锐度值的位置，即可形成与ccd探测器共轭的物象关系。
步骤1的干涉检测光路中，待测靶丸、透镜与ccd图像传感器满足成像共轭位置关系。
对于背光投影检测光路，包括成像透镜和ccd图像传感器在内的所有器件不动，前后移动待测靶丸的位置；ccd图像传感器接收到的背光投影图发生变化，机械控制待测靶丸每次自动移动10μm，采集每次移动后的背光投影图像。
步骤2具体实现如下：
2-1.对图像预处理：采用高斯滤波将采集到的背光投影图像进行滤波以减小噪声，获取滤波后的背光投影图像ⅰ；
2-2.对滤波后的背光投影图像ⅰ提取外轮廓；
首先，采用二值化函数和sobel算子对背光投影图像ⅰ进行边缘提取，获得包含边缘信息的二值化图像ⅱ；其中，二值化图像ⅱ的幅值为w×h，圆检测半径范围未知，设最大圆半径为图像最大幅值，即有r＝1/2×max(w,h)，因此参数空间大小为w×h×r；
2-3.对二值化图像ⅱ进行4倍下采样处理，获得一幅缩小的下采样图像ⅰ；其中，下采样图像ⅰ的幅值分别为1/4w×1/4h，对其进行第一次hough变换；由于下采样图像ⅰ的宽、高以及圆半径的大小均为二值化图像ⅱ的1/4；因此，参数空间各分量的最大值也减小为原先的1/4，参数空间整体大小是原来的1/64倍，图像大小仅为原算法中的1/16，参与计算的像素点也为原来的1/16倍；
2-4.设经第一次hough变换后，检测得到的圆心坐标和半径为(a1,b1,r1)；将检测得到的圆心坐标和半径放大4倍，得到二值化图像ⅱ的圆心坐标和半径的粗略值，即(4a1,4b1,4r1)；
2-5.重新建立一个新的参数空间进行第二次hough变换；设圆心坐标和半径的误差范围分别为δ1和δ2，则参数空间中的3个量化参数范围分别为：
其中，(x2,y2)为圆的图像空间的圆心坐标范围，r2为圆半径范围；虽然图像空间尺寸恢复到二值化图像ⅱ尺寸，比第一次hough变换的图像空间大16倍；
2-6.在新的参数空间内，对二值化图像ⅱ再次进行hough变换圆检测，即可检测得到包含图像孔径信息的圆特征值的精确值。
步骤3具体采用tenengrad梯度算法实现：
tenengrad梯度算法采用sobel算子分别提取水平和垂直方向的梯度值，建立亮环锐度的评价函数：
tenengrad梯度算法的评价函数定义为：
d(f)＝∑y∑x|g(x,y)|(g(x,y)＞t)(2)
其中，t为预设的检测阈值；g(x,y)的形式表示为：
式中，gx和gy分别表示像素点(x,y)处sobel算子水平和垂直方向处检测算子的卷积，sobel算子模板为：
因此，当采用上述锐度评价函数进行判断时，清晰共轭位置处即为d(f)取极大值点处。
步骤4将待测靶丸移动到最大锐度值的位置时，定位精度达到了10μm，若在该最大锐度值的位置的前后10μm处，以1μm的间隔进一步移动靶丸；然后对每一个位置根据tenengrad梯度算法再次计算锐度，最后同样将待测靶丸移到最大锐度值的位置处；此时定位精度能够达到1μm的定位精度。
本发明具有以下显著优点：
1.提出了一种icf靶丸检测的新装置，解决了十字交叉型光路在实际检测装置中无法使用的问题。
2.为新的检测装置提供了配套的定位方法，实现精确到1微米的定位精度。
3.将背光投影和干涉检测这两个方法有机融合，两支光路中有大量共路器件，有利于装置体积的精简，大大简化了实验调节步骤。
4.采用的hough变换提取圆经过了优化，相比原本的算法提升了提取速度和精度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为定位原理图；
图3背光投影图中，用于计算锐度的区域；
图4定位原理流程图；
图5为五组实验定位数据。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示,一种icf靶丸的检测新装置，包括激光器1、扩束器2、第一分束镜3、平面反射镜4、第二分束镜5、第三分束镜6、待测靶丸7、透镜8、ccd图像传感器9、高功率led(发光二极管)10、光阑11、电脑12。所述的激光器1、扩束器2、第一分束镜3、平面反射镜4沿同一水平线依次摆放，激光器1的出光口与扩束器2的入光口对齐，扩束器2的出光口与第一分束镜3的入光口对齐，第一分束镜3透射光的出光口与平面反射镜4呈45°设置。与激光器1平行方向上沿一水平线依次摆放高功率led(发光二极管)10、光阑11、第三分束镜6、待测靶丸7、第二分束镜5、成像镜8和ccd图像传感器9。其中，光阑11出光口位于高功率led(发光二极管)10的正中心，第三分束镜6摆放在光阑11出光口，并且保持与第一分束镜3纵向对齐。第二分束镜5与平面反射镜4保持纵向对齐。待测靶丸7、透镜8、ccd图像传感器9三者的摆放满足物像共轭关系。ccd图像传感器9与电脑12连接，获取干涉图13和背光投影图14。
基于上述装置，一种icf靶丸内冰层折射率与厚度的检测新装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤1：从激光器1发出的激光经过扩束器2成为准直激光束，经过第一分束镜3分为两束：一束直接透过第一分束镜3，经过平面反射镜4反射后射入第二分束镜5；另一束经过第三分束镜6后，穿过待测靶丸7射入第二分束镜5；这两束光在第二分束镜5合束后，经过透镜8成像在ccd图像传感器9上。其中，待测靶丸7、透镜8与ccd图像传感器9需要满足成像共轭位置关系。该光路为干涉检测光路。
将激光器1光源关闭，打开高功率led10光源。从高功率led10发出的准直光束经过光阑11后口径缩小，经过第三分束镜6后分为两束：一束出射到装置之外；一束直接透过第三分束镜6，穿过待测靶丸7后再穿过第二分束镜5，经过透镜8成像在ccd图像传感器9上。该光路为背光投影检测光路。
对于背光投影检测光路，包括成像透镜和ccd图像传感器在内的所有器件不动，前后移动待测靶丸7的位置。ccd图像传感器9接收到的背光投影图发生变化，其中清晰度变化尤为显著。如图2所示，机械控制待测靶丸7每次自动移动10μm，采集每次移动后的背光投影图像。
步骤2：对采集到的每一幅背光投影图像进行处理，提取出待测靶丸孔径后，将该孔径之外的信息滤除，只留孔径内的信息进行下一步的检测。
2-1.对图像预处理：采用高斯滤波将采集到的背光投影图像进行滤波以减小噪声，获取滤波后的背光投影图像ⅰ，高斯滤波作为一种线性平滑滤波，适用于消除高斯噪声，常用于减少图像噪声和降低细节层次。
2-2.对滤波后的背光投影图像ⅰ提取外轮廓。
首先，采用二值化函数和sobel算子对背光投影图像ⅰ进行边缘提取，获得包含边缘信息的二值化图像ⅱ。其中，二值化图像ⅱ的幅值为w×h，圆检测半径范围未知，设最大圆半径为图像最大幅值，即有r＝1/2×max(w,h)，因此参数空间大小为w×h×r。对此参数空间进行hough变换，将会导致极大的内存空间，影响算法速率。
2-3.为了提高算法效率，对二值化图像ⅱ进行4倍下采样处理，获得一幅缩小的下采样图像ⅰ。其中，下采样图像ⅰ的幅值分别为1/4w×1/4h，对其进行第一次hough变换。由于下采样图像ⅰ的宽、高以及圆半径的大小均为二值化图像ⅱ的1/4，因此参数空间各分量的最大值也减小为原先的1/4。因此，参数空间整体大小是原来的1/64倍，大大缩小了内存空间，提高了算法速率。同时，图像大小仅为原算法中的1/16，参与计算的像素点也为原来的1/16倍。这使得hough变换的计算量也大大减少。
2-4.设经第一次hough变换后，检测得到的圆心坐标和半径为(a1,b1,r1)；
将检测得到的圆心坐标和半径放大4倍，得到二值化图像ⅱ的圆心坐标和半径的粗略值，即(4a1,4b1,4r1)。
2-5.考虑一定的误差范围并适当放宽检测尺度，重新建立一个新的参数空间进行第二次hough变换。设圆心坐标和半径的误差范围分别为δ1和δ2，则参数空间中的3个量化参数范围分别为：
其中，(x2,y2)为圆的图像空间的圆心坐标范围，r2为圆半径范围。虽然图像空间尺寸恢复到二值化图像ⅱ尺寸，比第一次hough变换的图像空间大16倍。但是，由于第一次hough变换给出了粗略的圆心和半径范围，参数空间范围被限制在2δ1和2δ2之内，需要遍历的图像范围大大缩小。值得注意的是，新参数空间中2δ1＝x1,y1，2δ2＝r1，整体大小比第一次hough变换参数空间远远小于1/16倍。因此，第二次hough变换避免了大量信息冗余带来的计算量，计算时间比第一次hough变换更快。
2-6.在新的窄小参数空间内，对二值化图像ⅱ再次进行hough变换圆检测，即可检测得到包含图像孔径信息的圆特征值的精确值。该算法相比与传统的经典hough变换圆检测，具有以下优点：
1)不需要预先设定检测的半径范围，减少了人工干预因素；
2)采用下采样图像处理技术，减小参数空间大小，加快算法速率；
3)采用相同的hough变换原理，检测精度与经典hough变换保持一致。
步骤3：针对已经滤波、提取出孔径后的每一幅背光投影图ⅲ，计算亮环附近环形区域的锐度。其区域选取如图3。16为亮环，15为锐度计算区域外边界，17为锐度计算区域内边界。
从频域角度看，清晰边缘比模糊边缘图像有着更多的高频分量，因为散焦过程影响的是成像点的边缘特性；从空域角度看，清晰图像比模糊图像具有更锐化的边缘，所以，边缘的锐利程度可作为图像共轭的评判标准。被测靶丸在检测系统中移动时，其图像边缘位置处的锐度将随之发生变化。根据各位置的锐度值大小来判断被测靶丸是否移动到共轭位置处。当锐度在某一位置出现极大值时，则该处被测靶丸与ccd探测器处于共轭位置，直接表现为此时被测靶丸像中的亮环最为清晰。
tenengrad梯度算法采用sobel算子分别提取水平和垂直方向的梯度值，建立亮环锐度的评价函数，其主要具有以下特性：
1)无偏性，即只有在共轭位置处评价函数才取极值；
2)单峰性，即评价函数只有一个极值点；
3)高信噪比，即较高干扰条件下，保证系统能够正确检测到离焦信号；
4)计算量小。
tenengrad梯度算法的评价函数定义为：
d(f)＝∑y∑x|g(x,y)|(g(x,y)＞t)(2)
其中，t为预设的检测阈值；g(x,y)的形式表示为：
式中，gx和gy分别表示像素点(x,y)处sobel算子水平和垂直方向处检测算子的卷积，sobel算子模板为：
因此，当采用上述锐度评价函数进行判断时，清晰共轭位置处即为d(f)取极大值点处。
tenengrad梯度算法能够对靶丸像的亮环的锐度进行统计，从而获得被测靶丸移动各个位置处的锐度变化，减少人工干预的不确定性，具有检测速度快、检测准确率高、抗噪性好等优点。
步骤4：对于已经求解出的各位置锐度值，找出其中的最大值，并将待测靶丸移动到最大锐度值的位置，即可形成与ccd探测器共轭的物象关系。此时的定位精度达到了10μm。为了进一步提高定位精度，在该位置的前后10μm处，以1μm的间隔进一步移动靶丸。对每一个位置根据tenengrad梯度算法计算锐度。同样将靶丸移到锐度最大处。此时可达到1μm的定位精度。总的定位算法流程图如图4。
根据背光投影图像定位完成后，进行背光投影实验。随后关闭led光源，打开激光光源，切换到干涉光路。理论中，背光投影光路的待测靶丸纵向切面需要与ccd形成物像共轭；而在干涉光路中，靶丸的后表面需要与ccd形成物像共轭。由于实验中成像镜和ccd的位置始终保持不变，为了能在背光投影和干涉检测中都能保证理论所要求的成像位置，在背光投影定位完成后，切换到干涉实验时，还需要将靶丸朝向ccd移动一个半径的距离，使得干涉路中，靶丸的后表面与ccd形成物像共轭。移动距离的误差来自于机械误差。
对该定位方法的重复性和可行性进行了实验验证。根据前述步骤，将靶丸朝着一定方向移动，观察此时ccd传感器接收到的背光投影图上的亮环从模糊变化到清晰，再从清晰变化到模糊。采集每次移动后的背光投影图像，并应用上述图像预处理、锐度计算等。重复测量五组，将五组图像锐度与位置的关系整理，得到图5。可见各组实验的亮环锐度分布均可较好地重合，验证了本算法的重复性和可靠性。