远场激光光斑中心测量方法浅析

　　摘 要：激光光束中心位置的测量精度直接决定了远场激光器的工作效能，由于远场激光器都是远距离应用，传统激光光斑中心位置测量算法对远距离激光光斑中心的检测存在一定的不足；在对传统激光光斑中心位置计算方法实际应用局限性研究的基础上，提出了圆定位算法确定激光光斑中心位置的方法，通过试验验证了该算法的有效性，并将该算法成功运用于实际的远场激光光斑测量设备中。　　关键词：圆定为算法 激光光斑 空间分布 激光散斑　　一 、引言　　远场激光器的工作效能直接取决于发射激光到达靶目标处光斑的能量密度和光斑中心位置的准确确定[1]。在激光光斑中心位置的检测中，常用的传统算法有重心法、Hough变换法、对称法等[2]。重心法要求光斑形状规则；Hough变换法需要对参数空间离散化，检测精度不高；对称法要求光斑的对称性良好，否则误差较大。本文通过对传统算法的研究，分析了重心法、Hough变换法、对称法在远场激光光斑中心位置检测中的局限性，提出了基于圆定位算法确定激光光斑中心位置的方法，并通过试验验证了该算法能够有效捡测激光光斑的中心位置。　　二、传统测量方法局限性分析　　（一）重心法　　重心算法是将激光图像处理为灰度图像，然后求出激光光斑中心，该算法简单明了，计算速度较快，但抗干扰能力差，在光斑图像分布比较均匀的情况下不失为一种好的算法。但实际的光斑分布并不均匀，尤其是远场光斑的分布更不均匀，存在一定强度的从侧面射入的干扰光线，所以该算法在激光光斑的实际测量中精度较低，远场激光光斑的测量误差会更大[3]。而且该算法只能测得光斑的中心，不能检测光斑半径。　　（二） Hough变换法　　Hough变换法建立了一种从图像空间到参数空间的映射关系，是按就近原则进行投票，根据得票多少确定激光光斑的中心。Hough变换法需对参数空间离散化，限制了检测精度，参数空间得票最多的点极有可能不唯一，选择不同的点得到的图像空间曲线差异比较大，该算法也不是理想的光斑测量算法。　　（三）对称法　　对称方法是利用激光光斑图像的对称性找出图像对称中心，以光斑图像的对称中心作为激光光斑的中心[4]。该算法要求激光光斑的对称性较好，否则误差会很大。　　传统算法除了自身不足外。在测量远场激光光斑时，由于激光在大气中传输受到各种气体和微粒的吸收和散射，使激光产生散射、衍射、随机噪声和干扰光线等现象，导致光斑信号强度分布不均匀，抗干扰性能较差。所以采用上述计算方法测量远场激光光斑中心位置均存在不足之处。　　三、基于圆定位的远场激光光斑中心算法　　圆定位算法要先对激光光斑的形状及边界轮廓进行确定，再根据光斑的边界轮廓来计算光斑的中心和半径。　　（一）激光光斑空间分布形式判定　　脉冲激光可以用高斯函数来描述，在激光光束的任意截面上，振幅的横向分布都呈高斯型，在坐标原点振幅最大，原点向外振幅逐渐减小。即激光光束的强度主要集中在轴线及其附近，光强的空间分布是关于x轴和y轴对称的。从以上理论分析可知，即使激光经过远距离传输，激光光斑还是呈圆形分布。　　（二）激光光斑边界轮廓确定　　在测量远场激光光斑时，由于激光光斑存在散斑、衍射、随即噪声和干扰光线现象，造成CCD摄像机采集到的光斑信号强度分布极不均匀，但光斑图像仍能给出圆形光斑的大部分轮廓，可以采用圆型来逼近激光光斑轮廓。该算法的关键是光斑圆形轮廓边界的准确确定。　　四、圆定位算法与传统算法比较分析　　下面以重心算法求取光斑中心为例与该算法进行比较。1m×1m的漫反射板左上角作为计算机处理用的坐标原点，在漫反射板的中心标注一个十字叉，十字叉的坐标为（50cm，50cm）。　　圆定位算法处理得到的10组光斑中心坐标值与激光器瞄准点（靶板中心）偏差在9cm以内，若去除激光器瞄准点与打击点7cm的固有偏差，光斑中心位置坐标值的计算误差在lcm左右，并且光斑半径值变化很小，趋于稳定数值，处理的精度较高。由此可见，圆定位算法更适合于激光光斑中心的计算处理。　　该算法已在某型激光光斑测量系统中得以成功运用，圆定位算法无沦是在处理图像质量方面，还是中心位置确定方面，都优于传统的重心法、Hough变换法、对称法等算法。　　五、 结束语　　在应用上，激光光束中心位置的准确确定，直接决定了远场激光器的工作效率，所以激光光斑中心位置的检测算法就成了关键。传统的激光光斑中心位置检测算法，对于野外远场激光的测量都存在着各种不足。本文通过圆定位算法实现了野外远场激光光斑中心位置的测量，在处理图像质量方面，以及中心位置确定方面，都优于传统的重心法、Hough变换法、对称法等算法。　　参考文献：　　[1]王云萍，探测器阵列法测量激光光斑参数关键技术分析，激光杂志，2007。　　[2]徐亚明、邢诚、刘冠兰，几种激光中心检测方法的比较，海洋测绘，2007。　　[3]刑晖、曲卫东、霄萍，激光远场直接探测系统探测器阵列靶板的设计，激光与红外，2006。　　[4]郑毅；基于空间矩的激光光斑中心亚像素定位，激光与红外，2005。