專利名稱：激光模式與光闌的相對位置測量系統(tǒng)及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及對激光陀螺諧振腔內(nèi)光闌以及激光模式的測量，用于實現(xiàn)激光器的高精度自動調(diào)腔。
背景技術(shù)：
在激光陀螺的生產(chǎn)過程中，諧振腔、鏡片等光學(xué)組件的加工和安裝誤差及周圍環(huán)境溫度、壓力的擾動會使反射鏡片的位置和傾斜角產(chǎn)生偏移，造成腔鏡失調(diào)，導(dǎo)致激光陀螺諧振腔的性能降低，即諧振腔的光學(xué)損耗增大。因此，為了使諧振腔的損耗最小，需要對諧振腔進行調(diào)腔，通過調(diào)整反射鏡的位置和傾斜角來對上述誤差和擾動進行補償，消除腔鏡失調(diào)。而在調(diào)腔過程中，需要對諧振腔中光闌和光束的位置進行檢測，據(jù)此對反射鏡的位置進行調(diào)整。傳統(tǒng)的對諧振腔中光闌和光束的位置進行檢測的方法一般是用檢測儀進行檢測，這種方法數(shù)字化程度不高，對系統(tǒng)的可控性不強。目前，國內(nèi)在激光陀螺光學(xué)諧振腔中光闌和光束的位置進行檢測方面有較新的應(yīng)用，參見《基于視覺的環(huán)形激光陀螺自動調(diào)腔系統(tǒng)》(沈揚等，高技術(shù)通訊，2007) —文，該文獻中所述的系統(tǒng)，使用了 CCD相機和光電轉(zhuǎn)換器采集諧振腔輸出的信號，并提出了一種基于統(tǒng)計的圖像處理方法，然后由主控計算機分析計算光闌與光束的相對位置。該文獻中對光闌和光束的相對位置的檢測方法解決了傳統(tǒng)方法中直接用檢測儀檢測的不足，但該系統(tǒng)中由于攝像機的采集無法與鋸齒波信號同步，從攝像機觀察到的光束的強度會隨著鋸齒波信號的變化而不斷的在強弱之間交替變化，得到的光束位置會由于光束強度的不斷變化而出現(xiàn)很大的波動，識別結(jié)果很不可靠。雖然文中還提出了一種基于統(tǒng)計的圖像處理算法，對光束進行有效的識別，但當光束偏離諧振腔的中軸線較遠時，光束的強度和形狀都不穩(wěn)定， 圖像的分析結(jié)果會出現(xiàn)較大的波動，影響了測量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出一種激光模式與光闌的相對位置測量系統(tǒng)及其測量方法，以避免光束強度變化引起的光束位置波動，實現(xiàn)CCD相機采集與鋸齒波信號的同步，提高測量精度。實現(xiàn)本發(fā)明的目的的技術(shù)思路是采用單模掃頻激光器作為激勵源，由壓電陶瓷驅(qū)動器產(chǎn)生的鋸齒波高電壓信號驅(qū)動激光器中的壓電陶瓷以使激光器輸出周期性的、頻率連續(xù)變化的激光，由主控計算機控制壓電陶瓷驅(qū)動器的幅值、偏置電壓以及觸發(fā)控制CCD 相機實現(xiàn)了 CCD相機采集指定單個激光模式的圖像，并采用高精度的圖像處理方法，分別計算出光闌圖像與激光模式圖像的中心坐標。其技術(shù)方案描述如下一 .本發(fā)明的激光模式與光闌的相對位置測量系統(tǒng)包括激光器、待測諧振腔、 CCD相機、光電探測器、圖像采集卡、數(shù)據(jù)采集卡、主控計算機和壓電陶瓷驅(qū)動器，其中激光器與待測諧振腔之間設(shè)有光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包括球面反射鏡、二維平行平板、偏振片和1/2波片；
待測諧振腔與圖像采集卡與數(shù)據(jù)采集卡之間設(shè)有分光鏡和全反鏡；激光器發(fā)出的激光依次經(jīng)過球面反射鏡、二維平行平板、偏振片、1/2波片的調(diào)節(jié)， 入射到待測諧振腔中，待測諧振腔輸出的激光經(jīng)過分光鏡分為兩路，一路通過光電探測器轉(zhuǎn)化為電壓信號，并通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)街骺赜嬎銠C上；另一路經(jīng)分光鏡改變方向后被 CXD相機采集，經(jīng)過圖像采集卡傳輸?shù)街骺赜嬎銠C上；主控計算機中設(shè)有控制模塊和圖像處理模塊，該控制模塊由USB驅(qū)動和界面程序組成，USB驅(qū)動主控計算機分別與壓電陶瓷驅(qū)動器和CXD相機通信，傳輸控制指令，界面程序?qū)⒓す饽Ｊ胶凸怅@的圖像進行實時顯示并保存，處理模塊用于對圖像進一步的分割，并通過計算得到不同模式激光光束相對光闌的位置。二 .本發(fā)明的激光模式與光闌的相對位置測量方法，包括如下步驟(1)根據(jù)環(huán)境中的光線強弱，在0 60dB范圍內(nèi)選擇CCD相機的增益值，在 l/15s 1/3100S范圍內(nèi)選擇該CCD相機的曝光時間，通過該CCD相機檢測待測諧振腔中光闌及其激光模式的圖像，通過光電探測器檢測待測諧振腔輸出激光的功率，并傳輸給主控計算機；(2)主控計算機根據(jù)光電探測器采集到的激光基模模式的信號，調(diào)整壓電陶瓷驅(qū)動器輸出鋸齒波信號的幅值與偏置電壓，調(diào)整激光基模模式的位置、幅值以及譜線寬度，使其譜線寬度與CCD相機的曝光時間一致；(3)根據(jù)系統(tǒng)標定設(shè)置CXD相機的觸發(fā)電壓為0 IV，當調(diào)整過的激光基模模式的電壓達到此觸發(fā)電壓時，主控計算機給該CCD相機發(fā)出觸發(fā)信號，該CCD相機開始采集此激光模式及光闌的圖像，并把采集的圖像信息通過圖像采集卡發(fā)送到主控計算機存儲；(4)采用高斯濾波器去除圖像噪聲，利用基于自動閾值的圖像分割方法，從去噪后的圖像中分別分割出諧振腔光闌圖像和激光基模模式圖像，并對這兩個圖像進行二值化處理，然后分別計算出光闌圖像和激光基模模式圖像的中心坐標(〒，y)
權(quán)利要求
1.一種激光模式與光闌的相對位置測量系統(tǒng)，包括激光器(1)、待測諧振腔(6)、CCD相機(9)、光電探測器(10)、圖像采集卡(11)、數(shù)據(jù)采集卡(12)、主控計算機(13)和壓電陶瓷驅(qū)動器(14)，其特征在于激光器(1)與待測諧振腔(6)之間設(shè)有光學(xué)系統(tǒng)(15)，該光學(xué)系統(tǒng)包括球面反射鏡 (2)、二維平行平板(3)、偏振片(4)和1/2波片(5)；待測諧振腔與圖像采集卡與數(shù)據(jù)采集卡之間設(shè)有分光鏡(7)和全反鏡(8)；激光器發(fā)出的激光依次經(jīng)過球面反射鏡O)、二維平行平板(3)、偏振片(4)、1/2波片 (5)的調(diào)節(jié)，入射到待測諧振腔(6)中，待測諧振腔(6)輸出的激光經(jīng)過分光鏡(7)分為兩路，一路通過光電探測器(10)轉(zhuǎn)化為電壓信號，并通過數(shù)據(jù)采集卡(1 傳輸?shù)街骺赜嬎銠C (13)上；另一路經(jīng)全反鏡⑶改變方向后被C⑶相機(9)采集，經(jīng)過圖像采集卡(11)傳輸?shù)街骺赜嬎銠C(13)上；主控計算機(1 中設(shè)有控制模塊和圖像處理模塊，該控制模塊由USB驅(qū)動和界面程序組成，USB驅(qū)動主控計算機(13)分別與壓電陶瓷驅(qū)動器(14)和CCD相機(9)通信，傳輸控制指令，界面程序?qū)⒓す饽Ｊ胶凸怅@的圖像進行實時顯示并保存，處理模塊用于對圖像進一步的分割，并通過計算得到不同模式激光光束相對光闌的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于激光器(1)采用單模掃頻激光器，它在壓電陶瓷驅(qū)動器(14)的控制下，輸出周期性的、頻率連續(xù)變化的激光，并能在一個掃頻周期內(nèi)逐次激發(fā)待測諧振腔(6)的多個本征模式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于CCD相機(9)，采用靈敏度為 0. OOllux、分辨率為1392*1040、增益調(diào)節(jié)范圍為0 60dB、象元尺寸為4. 65um*4. 65um的 CCD相機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于圖像采集卡(11)和數(shù)據(jù)采集卡(12) 為并行設(shè)置，以同時完成對待測諧振腔(6)輸出兩路激光的檢測。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于壓電陶瓷驅(qū)動器(14)，由DDS信號發(fā)生器和高壓放大模塊組成，DDS信號發(fā)生器在主控計算機(1 的控制下，產(chǎn)生0 5V的鋸齒波電壓信號，該電壓信號通過高壓放大模塊放大為0 MOV的電壓鋸齒波信號，輸出給激光器(1)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于球面反射鏡(2)置放于激光器(1)輸出激光的束腰位置，以保證該激光器輸出激光的模式與待測諧振腔(6)中的固有模式相匹配。
7.一種激光模式與光闌的相對位置測量方法，包括如下步驟(1)根據(jù)環(huán)境中的光線強弱，在0 60dB范圍內(nèi)選擇CXD相機的增益值，在l/15s 1/3100S范圍內(nèi)選擇該CCD相機的曝光時間，通過該CCD相機檢測待測諧振腔中光闌及其激光模式的圖像，通過光電探測器檢測待測諧振腔輸出激光的功率，并傳輸給主控計算機；(2)主控計算機根據(jù)光電探測器采集到的激光基模模式的信號，調(diào)整壓電陶瓷驅(qū)動器輸出鋸齒波信號的幅值與偏置電壓，調(diào)整激光基模模式的位置、幅值以及譜線寬度，使其譜線寬度與CCD相機的曝光時間一致；(3)根據(jù)系統(tǒng)標定設(shè)置CCD相機的觸發(fā)電壓為0 IV，當調(diào)整過的激光基模模式的電壓達到此觸發(fā)電壓時，主控計算機給該CCD相機發(fā)出觸發(fā)信號，該CCD相機開始采集此激光模式及光闌的圖像，并把采集的圖像信息通過圖像采集卡發(fā)送到主控計算機存儲；(4)采用高斯濾波器去除圖像噪聲，利用基于自動閾值的圖像分割方法，從去噪后的圖像中分別分割出諧振腔光闌圖像和激光基模模式圖像，并對這兩個圖像進行二值化處理， 然后分別計算出光闌圖像和激光基模模式圖像的中心坐標(f，y)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光模式與光闌的相對位置測量系統(tǒng)及其測量方法，主要解決現(xiàn)有系統(tǒng)測量精度低的不足。整個系統(tǒng)包括激光器(1)、光學(xué)系統(tǒng)(15)、待測諧振腔(6)、分光鏡(7)、全反鏡(8)、圖像采集與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(16)、主控計算機(13)和壓電陶瓷驅(qū)動器(14)，壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動激光器輸出激光，調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)，使激光器輸出的激光耦合到待測諧振腔中，待測諧振腔輸出的激光經(jīng)過分光鏡與全反鏡分為兩路，此兩路激光被圖像采集與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并傳輸至主控計算機上，主控計算機采用高精度圖像處理算法處理光闌與激光模式的圖像，并分別計算出光闌與激光模式的中心坐標。本發(fā)明具有同步CCD相機采集與鋸齒波信號、測量精度高的優(yōu)點，適用于激光器的高精度自動調(diào)腔。
文檔編號G01C25/00GK102252690SQ201110092728
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月14日
發(fā)明者盧光旭, 徐大雍, 梁鳳明, 王銳, 范華, 董文曉, 許宏濤, 邵曉鵬, 龔昌妹 申請人:西安電子科技大學(xué)