CN103424198A - 基于主光斑消隐技术的it-ccd测量脉冲激光重频的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法,包括标定得到IT-CCD垂直转移驱动频率和帧频、将被测量脉冲激光入射至IT-CCD光敏面、调节IT-CCD有效积分时间使得主光斑消隐、计算相邻次光斑单元的间距或次光斑单元数目,从而得到脉冲激光的重复频率;该测量方法可用于较高重复频率和较窄脉宽的激光参数测量,并有效消隐了主光斑图像,具有原理简单可靠等特点。
Description
技术领域
本发明属于一种激光脉冲参数测量方法,具体涉及一种用IT-CCD(行间转移面阵CCD)测量激光脉冲重复频率的方法。
背景技术
在激光脉冲参数测量中,激光的重复频率(即重频)通常以单元光电探测器结合示波器的方法进行测量。其原理是通过单元探测器的光电效应,将激光脉冲转化为电压脉冲,通过示波器检测电脉冲的重复频率。在该方法中,单元探测器的响应速度限制着所测重复频率的上限和激光脉宽,使得该方法难以用于窄脉冲和高重频的激光参数测量。
对于较低频率的激光脉冲可以用图像传感器来进行频率测量,其原理是利用图像传感器记录光斑数目,再根据图像传感器的帧频确定激光脉冲的重复频率。该方法所能测量的脉冲重复频率范围受限于图像传感器的帧频,使得难以用于高重频激光参数的测量。
发明内容
本发明提出了一种基于脉冲激光对IT-CCD干扰效应的激光重复频率测量方法,当一定重复频率的脉冲激光入射至对IT-CCD时,由于激光的干扰效应,会在IT-CCD的中心产生次光斑,次光斑类似于一条间隔均匀的间断直线,次光斑密集程度也就是在一定空间长度内次光斑单元的数量与脉冲激光的重复频率相关,从而提供了一种脉冲激光重复频率的测量新方法。
本发明的基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法,包括以下步骤:
[1]标定得到IT-CCD垂直转移驱动频率Fv;
[2]衰减被测量脉冲激光,并使之入射至IT-CCD光敏面;
[3]调节被测激光脉冲的强度,在确保IT-CCD器件不受损伤的前提下,使得IT-CCD收集势阱产生溢出信号,显示单元出现次光斑图像;
[4]调节IT-CCD有效积分时间Te,使得主光斑消隐;
[5]保存次光斑图像,计算相邻次光斑单元的间距N,所述的间距以像素数表示;
[6]计算得到脉冲激光的重复频率f:
f=Fv/N,所述的IT-CCD为顺序扫描方式;
f=2Fv/N,所述的IT-CCD为隔行扫描方式;
步骤[4]中的有效积分时间Te为电子快门脉冲末端与读出转移脉冲的前端之间的时长。
基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法,包括以下步骤:
[1]标定得到IT-CCD的帧频Ff;
[2]衰减被测量脉冲激光强度,并使之入射至IT-CCD光敏面;
[3]调节被测激光脉冲的强度,在确保IT-CCD器件不受损伤的前提下,使得IT-CCD收集势阱产生溢出信号,显示单元上出现次光斑图像;
[4]调节IT-CCD有效积分时间Te,使得主光斑消隐;
[5]保存次光斑图像,计算得到次光斑单元数目n;
[6]计算得到脉冲激光重复频率f:
f=nFf,所述的IT-CCD为顺序扫描方式;
f=2nFf,所述的IT-CCD为隔行扫描方式;
步骤[4]中的有效积分时间Te为电子快门脉冲末端与读出转移脉冲的前端之间的时长。
上述基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法中,相邻次光斑单元的间距N的计算方法是:读取图像中次光斑所在列的灰度分布,根据m个完整脉冲所占的像素数M,计算得到相邻次光斑单元的间距N=M/m。
上述基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法中,次光斑单元数目的计算公式为:n=h/l;其中h为次光斑图像的高度,l为相邻次光斑间距。
上述基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法中,有效积分时间Te=0。
上述基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法中,有效积分时间Te<(1-α)/Fv,其中α为脉冲激光的占空比。
上述基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法中,有效积分时间Te<0.25/Fv。
本发明具有以下的有益效果:
1、本发明提供了一种脉冲激光重频的新的测量方法,利用重复频率的的脉冲激光对IT-CCD的干扰效应,实现脉冲激光重复频率的测量,与其他方法相比,该测量方法可用于较高重复频率和较窄脉宽的激光参数测量。
2、本发明通过测量激光对IT-CCD的干扰效应产生的次光斑进行测量,通过计算次光斑密集程度,计算得到激光的重复频率,具有原理简单可靠的特点。
3、本发明通过计算次光斑单元的间距或单位长度内次光斑单元的数目来得到算次光斑密集程度,进而对激光的重复频率进行表征,为其激光参数测量提供了一种新的方案。
4、本发明通过设置IT-CCD的有效积分时间,实现了激光主光斑的消隐,使得显示单元上仅保留了次光斑信息,为次光斑参数计算提供了方便。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为IT-CCD在低重频激光辐照下的输出图像示意图;
图2为IT-CCD在高重频激光辐照下的输出图像示意图;
图3为IT-CCD的结构布局;
图4为IT-CCD信号转移动作的时序关系;
图5为次光斑产生机理示意图;
图6为消除了主光斑和杂光斑的输出图像示意图。
其中:1-次光斑,2-主光斑,3-感光单元,4-垂直沟道,5-水平沟道,6-电荷检测电路,7-感光单元内的积分势阱,8-垂直沟道内的传输势阱,10-显示器屏幕,21-读出转移脉冲,22-垂直转移脉冲,23-水平转移脉冲,24-电子快门脉冲。
具体实施方式
如图1、图2所示,当入射至IT-CCD的脉冲激光功率足够强且不至于将IT-CCD光敏元破坏时,由于干扰效应,在与IT-CCD相联的显示器屏幕10上会出现主光斑2和次光斑1,主光斑2为激光光斑的强度分布的成像,通常情况下,由于IT-CCD的干扰饱和,表现为连成一片的白花花的饱和光斑图像,图1和图2中仅仅给出了激光光斑的轮廓示意图。次光斑1为表现为一条间断的直线,该直线通过光斑的质心,而且对比实验表明,次光斑1中线段的密集程度也就是在一定空间长度内次光斑单元的数量与脉冲激光的重复频率相关,当入射激光的重复频率越高时,次光斑中的线段越密集。
IT-CCD包含感光单元3、垂直沟道4、水平沟道5和电荷检测电路6四部分,其结构布局如图3所示。感光单元3暴露于光照之下进行信号的积分,其余部分被遮光。通过读出转移动作,感光单元积分信号进入垂直沟道而复位,然后开始进行下一场的信号积分;与此同时,垂直沟道4开始将电荷包逐行输送到水平沟道;水平沟道5负责将每行电荷包逐个输送至检测电路;电荷检测电路6负责将电荷包逐个转化电压脉冲信号并输出。至下一个读出转移动作,一场信号的传输检测完毕,下一场信号积分完成而进入垂直沟道4而开始被传输检测,感光单元3被复位而开始再下一场的信号积分,如此循环。
IT-CCD读出转移脉冲21、垂直转移脉冲22及水平转移脉冲23的动作时序关系如图4所示。两次读出转移的时间间隔为一场信号积分时间的上限;两次读出转移动作之间,IT-CCD通常还设有电子快门脉冲24,使感光单元信号从衬底释放而复位,它与后续的读出转移的时间间隔为IT-CCD的有效积分时间Te,其位置可调而使有效积分时间Te可调。
如图5所示,在正常工作过程中,IT-CCD感光单元的信号只有通过读出转移动作才能进入垂直沟道;但在激光辐照下,信号产生速率很高,感光单元的积分势阱7被很快填满,后续积分信号就会在读出转移之前溢出到垂直沟道的传输势阱8中,而此时垂直转移动作正在进行,溢出信号与途经溢出点的其它像素信号叠加,就造成了对其它像素信号的干扰。在重复脉冲激光辐照下,在脉冲辐照期间,信号溢出发生,而在脉冲间隔期间,信号溢出停止。每次溢出期间,因垂直转移动作经过溢出点的像素受到干扰,而构成一个次光斑;每次溢出停止期间,垂直转移经过原溢出点的像素未受影响,而造成次光斑之间的间隔。综上,每个激光脉冲对应一次溢出,每次溢出对应一个次光斑。根据次光斑推算出上述溢出发生的频率,也就是激光脉冲的重复频率。
从IT-CCD输出的每幅图像中,可获取次光斑1单元的间距和数目,因主光斑2或杂光斑覆盖一部分次光斑,还需获得次光斑1图像的高度等参数。根据次光斑1产生过程可知,次光斑间距由两次信号溢出时间间隔和垂直驱动频率共同决定。
本发明利用IT-CCD测量脉冲激光重频的方法,可以通过测量次光斑单元的间距和次光斑单元的数目来获得激光重频。
其中通过测量次光斑单元的间距获得激光重频的方法为:
[1]标定得到IT-CCD垂直转移驱动频率Fv,也就是获得单位时间向前传输的像素数;
[2]衰减被测量脉冲激光强度,并使之入射至IT-CCD光敏面;
[3]调节被测激光脉冲的强度,在确保IT-CCD器件不受损伤的前提下,使得IT-CCD收集势阱产生溢出信号,这时与IT-CCD器件相联的显示单元就会出现次光斑图像;
[4]保存次光斑图像,计算相邻次光斑单元之间的间距N,其中间距以IT-CCD的像素数表示;通常通过图像处理的方法,比如,读取图像中次光斑所在列的灰度分布,取纵轴为灰度,横轴为像素序数,次光斑表现为周期分布的灰度脉冲,从横轴中取m个完整脉冲所占的像素数M,以式N=M/m来计算得到间距N。
[5]计算得到脉冲激光重复频率f,对于顺序扫描方式的IT-CCD,f=Fv/N;对于隔行扫描方式的IT-CCD,为f=2Fv/N,所得的结果就是次光斑出现时刻的激光重复频率。
通过测量次光斑单元的数目来获得激光重频的方法为:
[1]标定得到IT-CCD的帧频Ff;
[2]衰减被测量脉冲激光强度,并使之入射至IT-CCD光敏面;
[3]调节被测激光脉冲的强度,在确保IT-CCD器件不受损伤的前提下,使得IT-CCD收集势阱产生溢出信号,显示单元出现次光斑图像;
[4]保存次光斑图像,计算得到次光斑数目n;
次光斑数目计算公式为:n=h/l;其中h为次光斑图像的高度,l为相邻次光斑间距。
[5]计算得到脉冲激光重复频率f:
对于顺序扫描方式的IT-CCD,f=nFf;对于隔行扫描方式的IT-CCD,f=2nFf,所得的结果就是次光斑出现时刻的激光重复频率。
由图1、图2可知,主光斑2、杂光斑等掩盖了很大一部分的次光斑1,在实际中,由于主光斑2为连成一片的白花花的饱和光斑图像,次光斑1有一部分淹没在主光斑2中,给次光斑1密集度的计算带来困难。而在上述测量激光脉冲重复频率的方法中,只有次光斑1是有用信息,去除主光斑2和其它杂光斑等而仅保留次光斑将更便于测量的实施。与次光斑1形成于积分期间信号的溢出不同,图像中的主光斑2、其它杂光斑和景物信息均形成于有效积分时间内,有效积分时间Te表示为电子快门脉冲末端与读出转移脉冲的前端之间的时长,如果控制Te=0,也就是令电子快门脉冲的末端与读出转移脉冲的前端存在交叠,则主光斑2、其它杂光斑和景物无法形成,而次光斑1的产生不依赖于有效积分时间而得到保留,消隐主光斑2后的实验效果如图6所示,这样可以更方便地进行次光斑1的参数计算。
作为一种优选方式,当Te足够小但不为0的情况下,也可以实现主光斑3的消隐,具体方式如下:设相邻脉冲之间的时间为τ=(1-α)Tp,其中α为脉冲激光的占空比,Tp为激光脉冲周期。调节电子快门脉冲,使相机有效积分时间Te<τ,则在有效积分时间内无激光脉冲入射的情况有一定的出现概率。在满足Te<τ的前提下,Te越小,上述概率越大。
在上述测量方法中,相机理论上所能分辨的最小次光斑间距为一个像素,所以在上述方法中,相机理论上所能测量的激光重频上限等于IT-CCD的垂直转移频率Fv,其脉冲周期下限为Tpm=1/Fv,故只需满足
Te<(1-α)Tpm
则对于所有在可测范围内的重频脉冲激光来说,有效积分时间内无激光脉冲入射的情况总会出现。通常激光脉冲的占空比α<0.5,为了使上述概率足够大,实验中常取
Te<0.25Tpm=0.25/Fv
在上述有效积分时间参数设置下,用相机对所测重频脉冲激光拍摄一段视频,选取其中消隐了主光斑2的图像,从而计算得到该段时刻的激光重频参数,而且在实际测量中,只需要在前述测量步骤的第[3]步和第[4]步之间增加IT-CCD有效积分时间Te的设置,即可以将主光斑2进行消隐,只保留次光斑1的信息,从而实现脉冲激光重复频率f的测量。
Claims (10)
1.基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法,其特征在于,包括以下步骤:
[1]标定得到IT-CCD垂直转移驱动频率Fv;
[2]衰减被测量脉冲激光,并使之入射至IT-CCD光敏面;
[3]调节被测激光脉冲的强度,在确保IT-CCD器件不受损伤的前提下,使得IT-CCD收集势阱产生溢出信号,此时IT-CCD的显示单元出现次光斑图像;
[4]调节IT-CCD有效积分时间Te,使得主光斑消隐;
[5]保存次光斑图像,计算相邻次光斑单元的间距N,所述的间距以像素数表示;
[6]计算得到脉冲激光的重复频率f:
f=Fv/N,所述的IT-CCD为顺序扫描方式;
f=2Fv/N,所述的IT-CCD为隔行扫描方式;
所述步骤[4]中的有效积分时间Te为电子快门脉冲末端与读出转移脉冲的前端之间的时长。
2.基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法,其特征在于,包括以下步骤:
[1]标定得到IT-CCD的帧频Ff;
[2]衰减被测量脉冲激光强度,并使之入射至IT-CCD光敏面;
[3]调节被测激光脉冲的强度,在确保IT-CCD器件不受损伤的前提下,使得IT-CCD收集势阱产生溢出信号,此时IT-CCD的显示单元上出现次光斑图像;
[4]调节IT-CCD有效积分时间Te,使得主光斑消隐;
[5]保存次光斑图像,计算得到次光斑单元数目n;
[6]计算得到脉冲激光重复频率f:
f=nFf,所述的IT-CCD为顺序扫描方式;
f=2nFf,所述的IT-CCD为隔行扫描方式;
所述步骤[4]中的有效积分时间Te为电子快门脉冲末端与读出转移脉冲的前端之间的时长。
3.根据权利要求1所述的基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法,其特征在于:所述步骤[5]中相邻次光斑单元的间距N的计算方法是:读取图像中次光斑所在列的灰度分布,根据m个完整脉冲所占的像素数M,计算得到相邻次光斑单元的间距N=M/m。
4.根据权利要求1所述的基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法,其特征在于:所述步骤[4]中的有效积分时间Te=0。
5.根据权利要求1所述的基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法,其特征在于:所述步骤[4]中的有效积分时间Te<(1-α)/Fv,其中α为脉冲激光的占空比。
6.根据权利要求5所述的基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法,其特征在于:所述步骤[4]中的有效积分时间Te<0.25/Fv。
7.根据权利要求2所述的基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法,其特征在于:所述步骤[5]中次光斑单元数目的计算公式为:n=h/l;其中h为次光斑图像的高度,l为相邻次光斑间距。
8.根据权利要求2所述的基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法,其特征在于:所述步骤[4]中的有效积分时间Te=0。
9.根据权利要求2所述的基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法,其特征在于:所述步骤[4]中的有效积分时间Te<(1-α)/Fv,其中α为脉冲激光的占空比。
10.根据权利要求9所述的基于主光斑消隐技术的IT-CCD测量脉冲激光重频的方法,其特征在于:所述步骤[4]中的有效积分时间Te<0.25/Fv。
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