一种基于远场光斑的光栅自动拼接算法技术领域
本发明涉及一种基于远场光斑的光栅自动拼接算法。
背景技术
在啁啾脉冲放大系统中，产生的超短激光脉冲能量受限于脉冲压缩器中光栅的损伤
阈值和口径，要求光栅的尺寸足够大。目前对超短脉冲损伤阈值较高的光栅是多层电介
质全息光栅，而获得这种大面积光栅非常困难。因此将几块小光栅拼接成一大面积光栅
是一个不错的方法。
对于两块光栅进行拼接，主要存在六种基本拼接误差：两种平移误差、三种旋转误
差和光栅刻线宽度误差，平移误差分别为两子光栅不共面和两子光栅间有狭缝，三种旋
转误差对应两子光栅的栅面及栅线彼此不平行；这些误差将给光束带来相位差，使得脉
冲压缩的质量下降。对这六种拼接误差可划分为三对，分别是平移误差、x和z方向上
的旋转误差、y方向上的旋转误差和光栅刻线宽度误差，每对误差参数可相互补偿。
一块性能良好的拼接光栅必须满足以下三个条件：(1)各块子光栅必须共面；(2)
子光栅的栅线必须彼此平行；(3)子光栅间的缝隙为光栅周期的整数倍。从目前的文献
报道来看，主要利用拼接光栅的远场分布、近场波面检测等手段来分析单组拼接光栅存
在的误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种基于远场光斑的光栅
自动拼接算法。
本发明的技术方案如下：
一种基于远场光斑的光栅自动拼接算法，包括以下步骤：
(1)CCD采集当前远场光斑图像F1，对图像F1进行预处理得到滤波后的图像F2；
(2)对图像F2采用激光光斑最佳阈值分割算法得到图像F3；
(3)对图像F3采用投影算法，分别计算x方向和y方向上最高峰与次最高峰之间
的距离、距离比和峰值比等特征参数；
(4)若在x方向的距离比不小于阈值D0x或y方向上的距离比不小于阈值D0y，则进入粗
调过程，转步骤(5)；若在x方向的距离比小于阈值D0x且y方向上的距离比小于阈值D0y，
则进入步骤(6)；
(5)若是前2帧图像或出现震荡现象，根据光斑间的间距变化趋势来确定电机运动
方向；若非前2帧图像，则根据已确定的电机运动方向，根据光斑间的间距给相应的光
栅拼接电机运动命令来调整光栅姿态，然后转步骤(1)；若在已确定电机运动方向条
件下出现震荡，采取电机向任意一方向运动步长N1方式进行预走位和重新确定电机运动
方向，然后转步骤(1)；
(6)在细调过程中，若为首次细调，则先固定参考光斑与运动光斑的相对位置；若
在x方向的峰值比不小于T0x或在y方向上的峰值比不小于阈值T0y，根据激光光斑间的间
距，给相应的光栅拼接电机命令(根据实验来确定电机的运动步长N4)进行光栅姿态调
整，然后转步骤(1)，若在x方向的峰值比小于T0x且在y方向上的峰值比小于阈值T0y，则
光栅拼接结束。
所述的基于远场光斑的光栅自动拼接算法，步骤(2)中所述的分割算法如下：
f ( x , y ) = 255 ( f ( x , y ) > λ ) 0 f ( x , y ) ≤ λ ]]>
其中： λ = μ 1 + μ 2 2 ]]>
μ 1 = Σ i = 1 t i * N i Σ i = 0 t N i , ]]>
μ 2 = Σ i = t + 1 255 i * N i Σ i = t + 1 255 N i ]]>
t = f max ( x , y ) + f min ( x , y ) 2 ]]>
Ni表示直方图中第i级灰度值数量，fmax(x，y)为图像中最大像素值，fmin(x，y)为图像
中最小像素值。
所述的基于远场光斑的光栅自动拼接算法，所述步骤(3)中，所述距离比计算方
法为：
D0y＝D/S
其中D为最高峰与次最高峰之间的背景距离，S为波峰距离。同理可得在x方向上
的距离比。
峰值比定义为：在y方向上的峰值比T0y＝T2/T1，其中T1为最高峰的峰值、T2为次最高
峰的峰值；同理可得在x方向的峰值比定义T0x。
通过获取的远场光斑图像，采用图像处理技术对光斑进行智能处理，提取在x和y
方向上光斑间的距离、距离比以及峰值比等特征参数，然后根据特征提取结果控制电机
运动，调整光栅姿态，最终达到光栅自动拼接良好的目的。
附图说明
图1为本发明算法流程示意图；
图2为本发明距离比示意图；
图3为本发明峰值比示意图；
图4为本发明光栅自动拼接过程效果图，a，初始状态；b，第20帧；c，第30帧；
d，第50帧；e，粗调结果；f细调结果；
图5为本发明激光光斑分割效果示意图，a，原图；b，分割结果。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图1，本发明的基于远场光斑的光栅自动拼接算法包括以下步骤：
(1)CCD采集当前远场光斑图像F1，对图像F1进行预处理得到滤波后的图像F2；
(2)对图像F2采用激光光斑最佳阈值分割算法得到图像F3，分割算法如下：
f ( x , y ) = 255 ( f ( x , y ) > λ ) 0 f ( x , y ) ≤ λ ]]>
其中： λ = μ 1 + μ 2 2 ]]>
μ 1 = Σ i = 1 t i * N i Σ i = 0 t N i , ]]>
μ 2 = Σ i = t + 1 255 i * N i Σ i = t + 1 255 N i ]]>
t = f max ( x , y ) + f min ( x , y ) 2 ]]>
Ni表示直方图中第i级灰度值数量，fmax(x，y)为图像中最大像素值，fmin(x，y)为图
像中最小像素值。
(3)对图像F3采用投影算法(参考陆宗骐，《C/C++图像处理编程》，清华大学出
版社，5.2.1小节)，分别计算x方向和y方向上最高峰与次最高峰之间的距离、距离比
和峰值比等特征参数。
距离比计算方法为：
如图2所示为最强两个激光光斑在y(垂直)方向上的投影，其距离比定位为：
D0y＝D/S
其中D为最高峰与次最高峰之间的背景距离，S为波峰距离。同理可得在x方向上
的距离比。
峰值比定义为：
如图3所示，在y(垂直)方向上的峰值比T0y＝T2/T1，其中T1为最高峰的峰值、T2
为次最高峰的峰值；同理可得在x方向的峰值比定义T0x。
(4)若在x方向的距离比不小于阈值D0x或y方向上的距离比不小于阈值D0y，则进入粗
调过程，转步骤(5)。若在在x方向的距离比小于阈值D0x且y方向上的距离比小于阈值
D0y，则进入步骤(6)。
(5)若是前2帧图像或出现震荡现象，根据光斑间的间距变化趋势来确定电机运动
方向(第一次调整让电机向任意一方向运动，若第2帧图像中光斑间的间距缩小，则确
定上一次电机运动方向为随后光栅姿态调整时的电机运动方向，若第2帧图像中光斑间
的间距增大，则确定上一次电机运动方向的相反方向为随后光栅姿态调整时的电机运动
运动方向，电机运动步长N1根据实验来确定)。若非前2帧图像，则根据已确定的电机运
动方向，根据光斑间的间距给相应的光栅拼接电机运动命令(根据实验来确定电机的运
动步长N2)来调整光栅姿态，然后转步骤1；若在已确定电机运动方向条件下出现震荡(光
斑间的间距变化趋势发生变化)，采取电机向任意一方向运动步长N1方式进行预走位和
重新确定电机运动方向，然后转步骤(1)。
(6)在细调中，若为首次细调，则先固定参考光斑与运动光斑的相对位置(运动电
机向某一固定方向移动一定的步数N3，N3根据实验来确定)。若在x方向的峰值比不小于
T0x或在y方向上的峰值比不小于阈值T0y，则根据激光光斑间的间距，给相应的光栅拼接电
机命令(根据实验来确定电机的运动步长N4)进行光栅姿态调整，然后转步骤(1)。若
在x方向的峰值比小于T0x且在y方向上的峰值比小于阈值T0y，则光栅拼接结束。
参考图4和图5，为本发明方法的一个具体应用实例。
由于光学成像系统的误差存在，在CCD上会有多个光斑图像，如图4所示；在自
动调整光栅姿态过程中其距离比阈值为：D0x＝0.1，D0y＝0.15；峰值比阈值为：T0x＝0.5，
T0y＝0.3。实验中运动步长取N1＝100，N2＝30；N3＝50，N4＝1。
如图5所示，采用激光光斑最佳阈值分割，能有效去除光晕，保留激光光斑。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，
而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。