劉 沖，劉 鵬，王曉曼，周大勇，王 雪，孫風雷

(長春理工大學(xué)a.電子信息工程學(xué)院;b.空地激光通信技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，長春130022)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，激光應(yīng)用己經(jīng)深入到社會的各行各業(yè)中［1］。如何快速、客觀、準確地測量，評價激光光束質(zhì)量已成為學(xué)術(shù)界探討的熱點問題。該系統(tǒng)采用國際標準化組織(ISO:International Organization for Standardization)提出的激光質(zhì)量評價標準M2因子作為評價激光光束質(zhì)量的標準［2-4］。在激光光束質(zhì)量測量系統(tǒng)中，關(guān)鍵問題是如何快速、準確地獲得高精度灰度值激光光斑圖像。激光入射到CCD(Charge Coupled Device)相機后，需要使CCD不飽和且工作在線性區(qū)范圍內(nèi)，這就需要對激光光強進行衰減［5］。在激光光強衰減系統(tǒng)中，筆者提出一種以單片機作為主控芯片、步進電機作為執(zhí)行裝置的自適應(yīng)控制方案，在激光質(zhì)量測量系統(tǒng)中使CCD相機獲得高精度的光斑圖像，從而快速、準確地計算激光光束質(zhì)量。

1 系統(tǒng)硬件工作原理

主要功能模塊包括單片機控制單元、通信接口單元、衰減輪電機驅(qū)動單元、絲杠電機驅(qū)動單元、受控光強衰減單元和CCD相機平臺。系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件原理圖Fig.1 Schematic diagram of the system hardware

首先激光源發(fā)射的激光經(jīng)過外部光學(xué)衰減單元的衰減，進入激光質(zhì)量測量儀。單片機控制單元控制絲杠電機驅(qū)動單元［6-9］驅(qū)動CCD相機平臺做一維平移運動，改變激光光程，對激光光束進行多定點采樣，使CCD相機獲得激光光束不同光程位置的光斑圖像。當在某一位置采集光斑圖像時，PC機采集CCD相機的光斑數(shù)據(jù)，以判斷光斑圖像灰度值是否合適，如不合適，將灰度差值通過由嵌入式以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊組成的通信接口單元返回給單片機控制單元。然后單片機控制衰減，得到特定強度的激光光斑。采集到該位置的光斑圖像后，調(diào)節(jié)CCD相機平臺進行激光其他位置的光斑圖像采集。最后PC機對采集到的激光光束不同位置的光斑數(shù)據(jù)進行擬合、計算M2等參數(shù)從而得到激光光束質(zhì)量，并在顯示單元顯示。

1.1 單片機控制單元

單片機控制單元選用ATMEL公司的ATmega128L單片機，完成對激光質(zhì)量測量儀的控制。單片機通過通信接口及通信協(xié)議與PC機交互，控制激光質(zhì)量測量儀。通過控制絲杠電機帶動CCD相機平臺，隨著平臺前后移動，改變激光的光程，得到不同位置的激光光斑圖像，計算M2因子。通過控制衰減輪電機自適應(yīng)調(diào)節(jié)光斑的灰度值，筆者對此將著重說明。

1.2 衰減輪電機驅(qū)動單元

衰減輪電機驅(qū)動單元的電路采用THB6016H芯片。由于ATmega128L輸出的電流功率低，不能直接驅(qū)動電機，故采用兩個電機驅(qū)動單元，將信號功率放大，驅(qū)動步進電機［10-12］。衰減輪電機驅(qū)動單元驅(qū)動受控光強調(diào)節(jié)單元的步進電機，對激光光強進行調(diào)節(jié)。

1.3 受控光強調(diào)節(jié)單元

受控光強調(diào)節(jié)單元由一個步進電機帶動兩個圓面形衰減輪(1號和2號)，完成對激光光強度的調(diào)節(jié)(見圖2)。每個衰減輪上有8個衰減倍數(shù)依次增加的衰減片，每兩個之間相隔45°，均勻分布在整個圓面上，兩個圓面前后安裝在衰減輪電機上，一共有64種組合衰減模式，由步進電機及機械裝置進行控制。1號衰減輪上的衰減片相差衰減倍數(shù)較大，2號衰減輪上的衰減片相差衰減倍數(shù)較小，這樣在1號衰減輪上的兩個衰減片之間通過2號衰減輪8個衰減片的組合，把1號衰減輪上的兩個相鄰衰減片間的衰減強度進行8個等級細分。在進行調(diào)光時，2號衰減輪首先進行調(diào)節(jié)，如果超過其調(diào)節(jié)范圍，則使用機械裝置打開控制1號衰減輪進行較大倍數(shù)的衰減調(diào)節(jié)。系統(tǒng)最大的衰減度在100 dB左右，測量的激光器功率通常在1 W以下，如果只通過儀器內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)對激光光強進行調(diào)節(jié)，仍然有使CCD成像發(fā)生飽和的可能。因此加入了外部光學(xué)衰減單元，以防止這些現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖2 受控光強調(diào)節(jié)單元示意圖Fig.2 Schematic diagram of controlled light intensity adjusting unit

2 自適應(yīng)調(diào)節(jié)光強算法設(shè)計

2.1 調(diào)節(jié)光強原理

由于不同激光器具有不同的波長和強度，為使激光光束測量儀具有廣泛的應(yīng)用價值，筆者設(shè)計了自適應(yīng)的調(diào)光系統(tǒng)，從而避免了不同激光器對特定衰減強度衰減片的依賴［13］。

當在激光某一光程位置處采集光斑圖像時，PC機采集CCD相機的光斑數(shù)據(jù)，計算圖像灰度值并將灰度值量化為0～255的范圍。為保證CCD相機探測的光斑數(shù)據(jù)能反映出激光特性，要求其成像不飽和且工作在線性區(qū)范圍內(nèi)，則灰度值范圍應(yīng)選擇在相機最大量化灰度值255的50%～90%之間，通常取灰度值200作為比較值，而本系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度在195～205之間。如果光斑灰度值合適，則PC機計算、記錄本次的光斑數(shù)據(jù)，否則，將灰度差值(光斑灰度值與200的差值)返回給單片機控制單元。單片機根據(jù)此灰度差值計算衰減步數(shù)，調(diào)節(jié)受控光強衰減單元改變衰減倍數(shù)后，PC機再次判斷灰度值，直到灰度滿足合適范圍。如果激光器的功率很大，內(nèi)部衰減單元無法達到要求，則需發(fā)送在外部改變衰減倍數(shù)的提示。

2.2 自適應(yīng)調(diào)節(jié)光強算法

根據(jù)上位機反饋的灰度差值，單片機控制單元通過計算衰減輪運動步數(shù)控制衰減輪的運動，得到最佳光斑灰度值。步驟如下:

1)PC機計算激光光強，反饋灰度差值v1，判斷衰減輪控制方向，利用初定衰減率k，估算第1次衰減輪要衰減的步數(shù)通過機械裝置打開相應(yīng)衰減輪進行相應(yīng)調(diào)節(jié);

2)經(jīng)過第1次調(diào)節(jié)后，PC機再計算激光光強，第2次反饋灰度差值v2，根據(jù)這兩次灰度差值的差計算本次運動的每步衰減率

3)通過衰減率k和第2次接收的灰度差值v2計算本次衰減輪應(yīng)走步數(shù)，打開機械裝置通過衰減輪根據(jù)控制方向進行調(diào)節(jié);

4)以此類推不斷循環(huán)，形成閉環(huán)控制，自適應(yīng)控制調(diào)光，從而得到高精度灰度值的激光光斑圖像，為測量系統(tǒng)節(jié)省了寶貴時間;

5)調(diào)節(jié)過程中兩個衰減輪的交替使用通過衰減輪限位進行判斷，通過機械裝置進行控制。

2.3 自適應(yīng)調(diào)節(jié)光強程序設(shè)計

根據(jù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)光強原理和算法，并結(jié)合系統(tǒng)中的通信協(xié)議和系統(tǒng)特點，筆者設(shè)計了自適應(yīng)調(diào)節(jié)光強程序。程序流程圖如圖3所示。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 自適應(yīng)調(diào)光實驗結(jié)果

利用2.2節(jié)提出的光強自適應(yīng)控制算法進行了實驗驗證，獲得了良好的效果。在一次測量573 nm激光質(zhì)量中，列出了其中5次的激光光斑調(diào)節(jié)光強度的過程值(見表1)。從表1可以看到，列出的5個光斑中，最多用了3次調(diào)節(jié)，達到高精度的灰度值，最快的只用一次調(diào)節(jié)即可，并且得到的值與理想值非常接近?？梢姽P者設(shè)計的自適應(yīng)調(diào)節(jié)光強系統(tǒng)能快速、精確地調(diào)節(jié)光強度。

圖3 程序流程圖Fig.3 Flow chart of the program

表1 5次光斑灰度值調(diào)節(jié)過程Tab.1 The five spot gray value adjustment process

其中光斑3的調(diào)節(jié)過程圖像如圖4所示。首先初始圖像的灰度值為234，進行第1次調(diào)節(jié)后得到的灰度值為218。然后由單片機控制單元計算k值，即可準確計算得到再次需要調(diào)節(jié)的衰減輪步數(shù)，第2次調(diào)節(jié)后的圖像灰度值為199，經(jīng)過第2次的調(diào)節(jié)后CCD相機得到了灰度值合適的光斑。

測量573 nm激光的光斑5強度調(diào)節(jié)過程圖像如圖5所示。

圖4 光斑3自適應(yīng)調(diào)光示意圖Fig.4 Schematic diagram of spot 3adaptive dimming

圖5 光斑5自適應(yīng)調(diào)光示意圖Fig.5 Schematic diagram of spot 5 adaptive dimming

PC機通過對每次自適應(yīng)測得的多點激光光斑進行擬合、計算，得到擬合曲線，計算得出能體現(xiàn)激光質(zhì)量的M2因子［14，15］為ISO_M2x:1.158 84，ISO_M2y:1.085 8。該數(shù)值越接近1，表明激光質(zhì)量越好。

3.2 測量時間比較

普通控制中，沒有反饋灰度差值、不需計算每次調(diào)節(jié)后的衰減率，而是根據(jù)PC機給出的灰度差值，憑借經(jīng)驗手動調(diào)節(jié)衰減輪改變衰減強度，其隨機性大，容易耗時。同普通控制光強度比較，筆者設(shè)計的自適應(yīng)控制方法在平均測量時間上表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢(見表2)。

表2 不同算法測量時間比較Tab.2 Comparison of different algorithms to measure time

4 結(jié)語

筆者給出了激光光束質(zhì)量測量系統(tǒng)中光強衰減系統(tǒng)的硬件組成，利用PC機反饋的光斑灰度差值，提出自適應(yīng)調(diào)節(jié)光強衰減倍數(shù)算法，實現(xiàn)了對衰減輪步進電機的閉環(huán)控制，提高了衰減系統(tǒng)的精度。通過大量的實驗數(shù)據(jù)表明，自適應(yīng)調(diào)節(jié)光強算法能快速、精確地調(diào)節(jié)光強度值，為系統(tǒng)測量激光質(zhì)量節(jié)省了大量時間，能更準確地計算出激光光束的質(zhì)量。該算法及閉環(huán)控制技術(shù)在目標跟蹤、激光探測、電機控制等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］王忠生，王興媛，孫繼鳳.激光的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.光機電信息，2007，24(8):27-33.WANG Zhongsheng，WANG Xingyuan，SUN Jifeng.Current Status of Laser Applications and Its Developing Trend［J］.OME Information，2007，24(8):27-33.

［2］王彩霞.嵌入式激光光束質(zhì)量分析系統(tǒng)的研究［D］.長春:長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，2009.WANG Caixia.Research on Embedded Laser Beam Quality Analyzing System［D］.Changchun:School of Electro-Optical Engineering，Changchun University of Science and Technology，2009.

［3］SUN Quan，JIANG Hongbing，LIU Yi，et al.Diagnose Parameters of Plasma Induced by Femtosecond Laser Pulse in Quartz and Glasses［J］.Frontiers of Physics in China，2006，1(1):67-71.

［4］BULYGIN F V，KOVALEV A A，MARAMZIN K D.Measurement of the Quality of Laser Beams by Methods of Fourier Optics［J］.Measurement Techniques，2006，49(10):1015-1020.

［5］陳新宇.基于M2的激光光束質(zhì)量測量系統(tǒng)的研究［D］.長春:長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，2009.CHEN Xinyu.Research on Laser Beam Quality Measurement System Based on M2［D］.Changchun:College of Electrical and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，2009.

［6］HASANIEN H M.FPGA Implementation of Adaptive ANN Controller for Speed Regulation of Permanent Magnet Stepper Motor Drives［J］.Energy Conversion and Management，2011，52(2):1252-1257.

［7］董磊，王春民，尹晶，等.基于MSP430F169的步進電機控制系統(tǒng)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版，2011，29(6):549-553.DONG Lei，WANG Chunmin，YIN Jing，et al.Design for Control System of Stepmotor Based on MSP430F169［J］.Journal of Jilin University:Information Science Edition，2011，29(6):549-553.

［8］MELIN P，CASTILLO O.Intelligent Control of a Stepping Motor Drive Using a Hybrid Neuro-Fuzzy Approach［J］.Soft Computing，2004，8(8):546-555.

［9］汪姝.基于單片機的步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.南昌:南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，2012.WANG Shu.Stepping Motor Control System of Single-Chip Based on Proteus［D］.Nanchang:College of Information Engineering，Nanchang University，2012.

［10］HAHN M，GEHRKING R，PONICK B，et al.Design Improvements for a Linear Hybrid Step Micro-Actuator［J］.Microsystem Technologies，2006，12(7):646-649.

［11］YU Jinpeng，CHEN Bing，YU Haisheng，et al.Adaptive Fuzzy Tracking Control for the Chaotic Permanent Magnet Synchronous Motor Drive System via Backstepping ［J］.Nonlinear Analysis:Real World Applications，2011，12(1):671-681.

［12］HASANIEN H M.FPGA Implementation of Adaptive ANN Controller for Speed Regulation of Permanent Magnet Stepper Motor Drives［J］.Energy Conversion and Management，2011，52(2):1252-1257.

［13］王彩霞，李小丹，于金淼.光束質(zhì)量分析儀中電機驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.微計算機信息，2010，26(2):21-22，82.WANG Caixia，LI Xiaodan，YU Jinmiao.Design on Driving and Control System of Motor in the Laser Quality Analyzer［J］.Microcomputer Information，2010，26(2):21-22，82.

［14］段錦，吳君，端木繁一，等.激光能量密度分布的測量方法［J］.吉林大學(xué)學(xué)報:理學(xué)版，2009，47(2):311-316.DUAN Jin，WU Jun，DUANMU Fanyi，et al.Method for Measuring Laser Energy Density Distribution ［J］.Journal of Jilin University:Science Edition，2009，47(2):311-316.

［15］景文博，姜會林，王曉曼，等.正規(guī)方程組求解激光束質(zhì)量M2因子方法的研究［J］.吉林大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版，2009，27(5):476-480.JING Wenbo，JIANG Huilin，WANG Xiaoman，et al.Research on Solving Laser Beam Quality Factor M2 with Normal Equations［J］.Journal of Jilin University:Information Science Edition，2009，27(5):476-480.