激光模式与光阑的相对位置测量系统及其测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种激光模式与光阑的相对位置测量系统及其测量方法，主要解决现有系统测量精度低的不足。整个系统包括激光器(1)、光学系统(15)、待测谐振腔(6)、分光镜(7)、全反镜(8)、图像采集与数据采集系统(16)、主控计算机(13)和压电陶瓷驱动器(14)，压电陶瓷驱动器驱动激光器输出激光，调节光学系统，使激光器输出的激光耦合到待测谐振腔中，待测谐振腔输出的激光经过分光镜与全反镜分为两路，此两路激光被图像采集与数据采集系统采集并传输至主控计算机上，主控计算机采用高精度图像处理算法处理光阑与激光模式的图像，并分别计算出光阑与激光模式的中心坐标。本发明专利技术具有同步CCD相机采集与锯齿波信号、测量精度高的优点，适用于激光器的高精度自动调腔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于测量
，具体涉及对激光陀螺谐振腔内光阑以及激光模式的测量，用于实现激光器的高精度自动调腔。
技术介绍
在激光陀螺的生产过程中，谐振腔、镜片等光学组件的加工和安装误差及周围环境温度、压力的扰动会使反射镜片的位置和倾斜角产生偏移，造成腔镜失调，导致激光陀螺谐振腔的性能降低，即谐振腔的光学损耗增大。因此，为了使谐振腔的损耗最小，需要对谐振腔进行调腔，通过调整反射镜的位置和倾斜角来对上述误差和扰动进行补偿，消除腔镜失调。而在调腔过程中，需要对谐振腔中光阑和光束的位置进行检测，据此对反射镜的位置进行调整。传统的对谐振腔中光阑和光束的位置进行检测的方法一般是用检测仪进行检测，这种方法数字化程度不高，对系统的可控性不强。目前，国内在激光陀螺光学谐振腔中光阑和光束的位置进行检测方面有较新的应用，参见《基于视觉的环形激光陀螺自动调腔系统》(沈扬等，高技术通讯，2007) —文，该文献中所述的系统，使用了 CCD相机和光电转换器采集谐振腔输出的信号，并提出了一种基于统计的图像处理方法，然后由主控计算机分析计算光阑与光束的相对位置。该文献中对光阑和光束的相对位置的检测方法解决了传统方法中直接用检测仪检测的不足，但该系统中由于摄像机的采集无法与锯齿波信号同步，从摄像机观察到的光束的强度会随着锯齿波信号的变化而不断的在强弱之间交替变化，得到的光束位置会由于光束强度的不断变化而出现很大的波动，识别结果很不可靠。虽然文中还提出了一种基于统计的图像处理算法，对光束进行有效的识别，但当光束偏离谐振腔的中轴线较远时，光束的强度和形状都不稳定， 图像的分析结果会出现较大的波动，影响了测量精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种，以避免光束强度变化引起的光束位置波动，实现CCD相机采集与锯齿波信号的同步，提高测量精度。实现本专利技术的目的的技术思路是采用单模扫频激光器作为激励源，由压电陶瓷驱动器产生的锯齿波高电压信号驱动激光器中的压电陶瓷以使激光器输出周期性的、频率连续变化的激光，由主控计算机控制压电陶瓷驱动器的幅值、偏置电压以及触发控制CCD 相机实现了 CCD相机采集指定单个激光模式的图像，并采用高精度的图像处理方法，分别计算出光阑图像与激光模式图像的中心坐标。其技术方案描述如下一 .本专利技术的激光模式与光阑的相对位置测量系统包括激光器、待测谐振腔、 CCD相机、光电探测器、图像采集卡、数据采集卡、主控计算机和压电陶瓷驱动器，其中激光器与待测谐振腔之间设有光学系统，该光学系统包括球面反射镜、二维平行平板、偏振片和1/2波片；待测谐振腔与图像采集卡与数据采集卡之间设有分光镜和全反镜；激光器发出的激光依次经过球面反射镜、二维平行平板、偏振片、1/2波片的调节， 入射到待测谐振腔中，待测谐振腔输出的激光经过分光镜分为两路，一路通过光电探测器转化为电压信号，并通过数据采集卡传输到主控计算机上；另一路经分光镜改变方向后被 CXD相机采集，经过图像采集卡传输到主控计算机上；主控计算机中设有控制模块和图像处理模块，该控制模块由USB驱动和界面程序组成，USB驱动主控计算机分别与压电陶瓷驱动器和CXD相机通信，传输控制指令，界面程序将激光模式和光阑的图像进行实时显示并保存，处理模块用于对图像进一步的分割，并通过计算得到不同模式激光光束相对光阑的位置。二 .本专利技术的激光模式与光阑的相对位置测量方法，包括如下步骤(1)根据环境中的光线强弱，在0 60dB范围内选择CCD相机的增益值，在 l/15s 1/3100S范围内选择该CCD相机的曝光时间，通过该CCD相机检测待测谐振腔中光阑及其激光模式的图像，通过光电探测器检测待测谐振腔输出激光的功率，并传输给主控计算机；(2)主控计算机根据光电探测器采集到的激光基模模式的信号，调整压电陶瓷驱动器输出锯齿波信号的幅值与偏置电压，调整激光基模模式的位置、幅值以及谱线宽度，使其谱线宽度与CCD相机的曝光时间一致；(3)根据系统标定设置CXD相机的触发电压为0 IV，当调整过的激光基模模式的电压达到此触发电压时，主控计算机给该CCD相机发出触发信号，该CCD相机开始采集此激光模式及光阑的图像，并把采集的图像信息通过图像采集卡发送到主控计算机存储；(4)采用高斯滤波器去除图像噪声，利用基于自动阈值的图像分割方法，从去噪后的图像中分别分割出谐振腔光阑图像和激光基模模式图像，并对这两个图像进行二值化处理，然后分别计算出光阑图像和激光基模模式图像的中心坐标(〒，y)权利要求1.一种激光模式与光阑的相对位置测量系统，包括激光器(1)、待测谐振腔(6)、CCD相机(9)、光电探测器(10)、图像采集卡(11)、数据采集卡(12)、主控计算机(13)和压电陶瓷驱动器(14)，其特征在于激光器(1)与待测谐振腔(6)之间设有光学系统(15)，该光学系统包括球面反射镜 (2)、二维平行平板(3)、偏振片(4)和1/2波片(5)；待测谐振腔与图像采集卡与数据采集卡之间设有分光镜(7)和全反镜(8)；激光器发出的激光依次经过球面反射镜O)、二维平行平板(3)、偏振片(4)、1/2波片 (5)的调节，入射到待测谐振腔(6)中，待测谐振腔(6)输出的激光经过分光镜(7)分为两路，一路通过光电探测器(10)转化为电压信号，并通过数据采集卡(1 传输到主控计算机 (13)上；另一路经全反镜⑶改变方向后被C⑶相机(9)采集，经过图像采集卡(11)传输到主控计算机(13)上；主控计算机(1 中设有控制模块和图像处理模块，该控制模块由USB驱动和界面程序组成，USB驱动主控计算机(13)分别与压电陶瓷驱动器(14)和CCD相机(9)通信，传输控制指令，界面程序将激光模式和光阑的图像进行实时显示并保存，处理模块用于对图像进一步的分割，并通过计算得到不同模式激光光束相对光阑的位置。2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于激光器(1)采用单模扫频激光器，它在压电陶瓷驱动器(14)的控制下，输出周期性的、频率连续变化的激光，并能在一个扫频周期内逐次激发待测谐振腔(6)的多个本征模式。3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于CCD相机(9)，采用灵敏度为 0. OOllux、分辨率为1392*1040、增益调节范围为0 60dB、象元尺寸为4. 65um*4. 65um的 CCD相机。4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于图像采集卡(11)和数据采集卡(12) 为并行设置，以同时完成对待测谐振腔(6)输出两路激光的检测。5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于压电陶瓷驱动器(14)，由DDS信号发生器和高压放大模块组成，DDS信号发生器在主控计算机(1 的控制下，产生0 5V的锯齿波电压信号，该电压信号通过高压放大模块放大为0 MOV的电压锯齿波信号，输出给激光器(1)。6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于球面反射镜(2)置放于激光器(1)输出激光的束腰位置，以保证该激光器输出激光的模式与待测谐振腔(6)中的固有模式相匹配。7.一种激光模式与光阑的相对位置测量方法，包括如下步骤(1)根据环境中的光线强弱，在0 60dB范围内选择CXD相机的增益值，在l/15s 1/3100S范围内选择该本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种激光模式与光阑的相对位置测量系统，包括激光器（１）、待测谐振腔（６）、ＣＣＤ相机（９）、光电探测器（１０）、图像采集卡（１１）、数据采集卡（１２）、主控计算机（１３）和压电陶瓷驱动器（１４），其特征在于：激光器（１）与待测谐振腔（６）之间设有光学系统（１５），该光学系统包括：球面反射镜（２）、二维平行平板（３）、偏振片（４）和１／２波片（５）；待测谐振腔与图像采集卡与数据采集卡之间设有分光镜（７）和全反镜（８）；激光器发出的激光依次经过球面反射镜（２）、二维平行平板（３）、偏振片（４）、１／２波片（５）的调节，入射到待测谐振腔（６）中，待测谐振腔（６）输出的激光经过分光镜（７）分为两路，一路通过光电探测器（１０）转化为电压信号，并通过数据采集卡（１２）传输到主控计算机（１３）上；另一路经全反镜（８）改变方向后被ＣＣＤ相机（９）采集，经过图像采集卡（１１）传输到主控计算机（１３）上；主控计算机（１３）中设有控制模块和图像处理模块，该控制模块由ＵＳＢ驱动和界面程序组成，ＵＳＢ驱动主控计算机（１３）分别与压电陶瓷驱动器（１４）和ＣＣＤ相机（９）通信，传输控制指令，界面程序将激光模式和光阑的图像进行实时显示并保存，处理模块用于对图像进一步的分割，并通过计算得到不同模式激光光束相对光阑的位置。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邵晓鹏，徐大雍，龚昌妹，王锐，许宏涛，范华，梁凤明，卢光旭，董文晓，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87