一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种激光的光束质量测量系统及方法，具体涉及一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统及方法，解决现有的激光光束质量测量系统为接触式测量，且现有的三维光学层析成像系统通过增加相机数量增加成像角度，使得实验成本较高的技术问题。该激光光强三维空间分布的非接触测量系统，包括三维测量机构；三维测量机构包括依次连接的像增强器件、第一成像器件、传像光纤组件、多个第二成像器件以及环形角度调节架；传像光纤束汇聚段的一端与第一成像器件连接；每个传像光纤束分叉段的一端分别连接对应的第二成像器件；多个第二成像器件沿环形角度调节架设置。实现入射激光光强三维空间分布的非接触式测量。三维空间分布的非接触式测量。三维空间分布的非接触式测量。

【技术实现步骤摘要】
一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种激光的光束质量测量系统及方法，具体涉及一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统及方法。

技术介绍

[0002]激光的光强分布关系到激光系统的光束质量、到靶能力、瞄准精度等重要参数，也是分析激光大气传输效应和评价激光系统出光性能的技术依据。在实际应用中，由于受到激光器件和大气传输等因素的影响，使得输出的激光光强分布往往不规则，甚至会出现多个光强峰值。因此，在工业加工、光谱诊断、损伤效应等激光应用领域中均需要对激光光强分布等参数进行在线测量。
[0003]目前，常用的激光强度分布测量方法主要有CCD成像法、扫描取样法和光电阵列探测法等，这些方法具有各自的应用特点，已在激光性能评估中发挥着重要作用。但上述方法主要不足有两点：第一、在测量中需要对激光束进行分束取样，而分束取样过程中或多或少会对激光的光强分布产生影响，难以做到非接触式测量；第二、这些方法均为激光光束传播方向某横截面的二维光强分布测量，无法在单次测量中获得光束传输方向纵向截面的光强分布，需要在激光传播方向上的多个位置进行测量以实现激光光束质量的评价。
[0004]近几年来，随着光谱分析和计算成像技术的发展，基于气体分子瑞利散射或颗粒物的米散射进行激光光束非接触测量愈来愈受到重视。例如，2003年K.C.Jorge等人，首次利用水的瑞利散射图像实现了入射激光纵向二维光强分布的测量。2016年美国弗吉尼亚理工学院Q.C.Lei等人利用7台高速相机实现了湍流火焰三维结构的重建。通常认为，在三维光学层析成像测量过程中，通过增加相机数量，成像角度也随之增加，重建的结果也更接近于真实值，因此传统的光学层析成像系统普遍采用4至8台相机，导致该技术实验成本较高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决现有激光光束质量测量系统为接触式测量，且现有的三维光学层析成像系统通过增加相机数量增加成像角度，使得实验成本较高的技术问题，而提供一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统及方法，实现入射激光光强三维空间分布的非接触测量。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：
[0007]一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，其特殊之处在于：包括三维测量机构；
[0008]三维测量机构包括依次连接的像增强器件、第一成像器件、传像光纤组件、多个第二成像器件以及用于设置多个第二成像器件的环形角度调节架；
[0009]传像光纤组件包括依次连接的传像光纤束汇聚段和多根传像光纤束分叉段；
[0010]传像光纤束汇聚段的一端与第一成像器件连接；
[0011]每个传像光纤束分叉段的一端分别连接对应的第二成像器件；
[0012]环形角度调节架的中心用于设置待测激光，多个第二成像器件沿环形角度调节架在180
°
半圆内径向设置，且每个第二成像器件均垂直于待测激光的入射光方向。
[0013]进一步地，传像光纤束分叉段数量为9个，第二成像器件为9个，相邻的所述第二成像器件沿环形角度调节架在180
°
半圆内径向均匀设置。
[0014]进一步地，所述传像光纤束汇聚段和传像光纤束分叉段的传输波长均为460nm至800nm；
[0015]传像光纤束汇聚段的单模光纤呈正方形排布，其数量为90万根单模光纤；
[0016]每个传像光纤束分叉段均由10万根单模光纤组成，且每根单模光纤其长度为1500mm。
[0017]进一步地，还包括带通滤波片；
[0018]带通滤波片设置在传像光纤束汇聚段与第一成像器件(2)之间；
[0019]第一成像器件的焦距f1为55mm；
[0020]第二成像器件的焦距f2为50mm；
[0021]像增强器件为PI
‑
MAX4型像增强相机。
[0022]进一步地，所述传像光纤束汇聚段两端的端面尺寸为17.4mm
×
17.4mm；
[0023]传像光纤束分叉段两端的端面尺寸均为5.8mm
×
5.8mm。
[0024]同时，本专利技术还提供了一种激光光强三维空间分布的非接触测量方法，基于权利要求1所述的一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0025]步骤1：搭建激光光强三维空间分布的非接触测量系统；
[0026]步骤2：将待测激光设置于环形角度调节架的几何中心；
[0027]步骤3：调节三维测量机构中的第一成像器件和每个第二成像器件的焦距；
[0028]步骤4：计算激光光强
[0029]4.1)将待测激光入射的探测区域划分为N
x
×
N
y
×
N
z
个网格，并将每个网格对应入射的激光光强标记为探测区域其中x
i
表示x方向的网格坐标标记，1≤i≤N
x
；y
j
表示y方向的网格坐标，1≤j≤N
y
；z
k
表示z方向的网格坐标，1≤k≤N
z
；
[0030]4.2)记录像增强器件通过第一成像器件和第二成像器件测量的散射光图像其中x
i
表示像增强器件x方向的像素点坐标标记，1≤i≤N，y
j
表示像增强器件y方向的像素点坐标标记，1≤j≤M；
[0031]4.3)步骤4.1)中激光光强与步骤4.2)中散射光图像满足下式关系
[0032][0033]式中：表示像增强器件测量的散射光图像，具体为由像素点组成的向量，A为探测区域经第二成像器件、传像光纤组件、第一成像器件成像至像增强相器件的点扩散矩阵；
[0034]步骤5：采用Tiknonov正则化计算待测激光入射探测区域的激光光强
[0035]进一步地，步骤1具体为：
[0036]1.1)将每个传像光纤束分叉段的一端分别连接对应的第二成像器件；
[0037]1.2)沿环形角度调节架在180
°
半圆内径向设置第二成像器件；
[0038]1.3)将传像光纤束汇聚段的一端与第一成像器件连接，并将第一成像器件安装于像增强器件上；
[0039]1.4)将每个传像光纤束分叉段的另一端连接在传像光纤束汇聚段的另一端上。
[0040]进一步地，步骤1.3)中，将传像光纤束汇聚段的一端与第一成像器件连接具体为：在传像光纤束汇聚段的一端与第一成像器件之间设置带通滤光片，并将传像光纤束汇聚段的一端与第一成像器件连接；
[0041]步骤2具体为：将第二成像器件沿待测激光(6)的入射光方向垂直设置，且待测激光位于环形角度调节架的几何中心；
[0042]步骤4中，所述点扩散矩阵A根据机器视觉标定板成像获得；机器视觉标定板为在陶瓷材料上刻画的10
×
10黑白本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，其特征在于：包括三维测量机构；所述三维测量机构包括依次连接的像增强器件(1)、第一成像器件(2)、传像光纤组件、多个第二成像器件(5)以及用于设置多个第二成像器件(5)的环形角度调节架(7)；所述传像光纤组件包括依次连接的传像光纤束汇聚段(3)和多根传像光纤束分叉段(4)；所述传像光纤束汇聚段(3)的一端与第一成像器件(2)连接；每个所述传像光纤束分叉段(4)的一端分别连接对应的第二成像器件(5)；所述环形角度调节架(7)的中心用于设置待测激光(6)，多个所述第二成像器件(5)沿环形角度调节架(7)在180
°
半圆内径向设置，且每个第二成像器件(5)均垂直于待测激光(6)的入射光方向。2.根据权利要求1所述的一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，其特征在于：所述传像光纤束分叉段(4)数量为9个，所述第二成像器件(5)为9个，相邻的所述第二成像器件(5)沿环形角度调节架(7)在180
°
半圆内径向均匀设置。3.根据权利要求2所述的一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，其特征在于：所述传像光纤束汇聚段(3)和传像光纤束分叉段(4)的传输波长均为460nm至800nm；所述传像光纤束汇聚段(3)的单模光纤呈正方形排布，其数量为90万根单模光纤；每个所述传像光纤束分叉段(4)均由10万根单模光纤组成，且每根单模光纤其长度为1500mm。4.根据权利要求3所述的一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，其特征在于：还包括带通滤波片；所述带通滤波片设置在传像光纤束汇聚段(3)与第一成像器件(2)之间；所述第一成像器件(2)的焦距f1为55mm；所述第二成像器件(5)的焦距f2为50mm；所述像增强器件(1)为PI
‑
MAX4型像增强相机。5.根据权利要求1至4任一所述的一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，其特征在于：所述传像光纤束汇聚段(3)两端的端面尺寸为17.4mm
×
17.4mm；所述传像光纤束分叉段(4)两端的端面尺寸均为5.8mm
×
5.8mm。6.一种激光光强三维空间分布的非接触测量方法，基于权利要求1所述的一种激光光强三维空间分布的非接触测量系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：搭建激光光强三维空间分布的非接触测量系统；步骤2：将待测激光(6)设置于环形角度调节架(7)的几何中心；步骤3：调节三维测量机构中的第一成像器件(2)和每个第二成像器件(5)的焦距；步骤4：计算激光光强4.1)将待测激光(6)入射的探测区域划分为N
x
×
N
y
×
N
z
个网格，并将每个网格对应入射的激光光强标记为探测区域其中x
i
表示x方向的网格坐标标记，1≤i≤N
x
；y
j
表示y方向的网格坐标标记，1≤j≤N
y
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶波，陈绍武，叶景峰，杨鹏翎，王大辉，王振宝，冯国斌，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：