激光光束質(zhì)量測(cè)量過(guò)程中的CCD噪聲影響分析

張汝平，景文博，王曉曼

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

激光光束質(zhì)量測(cè)量過(guò)程中的CCD噪聲影響分析

張汝平1，景文博2，王曉曼1

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

在激光光束質(zhì)量的測(cè)量過(guò)程中，由于CCD的噪聲影響以及環(huán)境背景噪聲的影響，對(duì)光斑圖像帶來(lái)一定的影響，從而影響光束質(zhì)量的測(cè)量精度。為此，主要分析了CCD的各種噪聲影響，然后提出了針對(duì)不同噪聲的圖像處理算法，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該圖像處理方法有效地減少噪聲對(duì)光束質(zhì)量測(cè)量帶來(lái)的影響，可得到更為真實(shí)可靠的激光光斑能量分布，對(duì)于后續(xù)地評(píng)價(jià)激光光束質(zhì)量具有重要的借鑒意義。

面陣CCD；噪聲；閾值；光束質(zhì)量

激光的光束質(zhì)量是衡量激光光束優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)，也是激光應(yīng)用中最為關(guān)注的一項(xiàng)性能指標(biāo)，并且激光光束質(zhì)量的測(cè)量與評(píng)價(jià)也是激光光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)研究的重要課題［1］，占據(jù)著舉足輕重的地位，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此展開(kāi)了深入的研究。隨著對(duì)激光光束質(zhì)量件CCD以其功耗小、噪聲低、實(shí)時(shí)性好、測(cè)量參數(shù)精度要求的不斷提高，電荷耦合器靈敏度高及動(dòng)態(tài)范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)已被廣泛地應(yīng)用［2］。但是對(duì)于CCD本身的一些缺點(diǎn)，例如CCD的噪聲特性以及非線性特性等，對(duì)激光光束參數(shù)的測(cè)量帶來(lái)一定的影響，影響激光束的相關(guān)性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)。

1 CCD的噪聲特性分析

基于焦散測(cè)量法的CCD面陣探測(cè)器在測(cè)量的過(guò)程中不可避免的受到噪聲的影響，從激光光束傳輸理論分析可以得知，激光光束質(zhì)量的測(cè)量精度與光斑束寬息息相關(guān)，光斑束寬的測(cè)量又依賴于激光光斑質(zhì)心探測(cè)的精度［3］，但是光斑束寬的測(cè)量過(guò)程又會(huì)受到CCD噪聲特性的影響，主要來(lái)自于以下幾個(gè)方面：CCD的離散和不完全采樣誤差、光子噪聲誤差和讀出噪聲誤差與CCD的背景噪聲誤差等［4］。

（1）由于CCD的離散和不完全采樣方式所獲得的激光束的光斑質(zhì)心坐標(biāo)測(cè)量值和對(duì)應(yīng)的理論值存在一定的誤差，并且由于換用不同結(jié)構(gòu)的CCD相機(jī)或者不同類型的激光束，其誤差的大小和分布規(guī)律也會(huì)有所不同。但是，如果激光束的光斑的高斯寬度變大時(shí)，這種不完全采樣誤差就會(huì)減小，當(dāng)所測(cè)得的光斑大小和CCD像素大小的比例值比0.5大時(shí)，光斑質(zhì)心探測(cè)的均方根誤差便會(huì)小于0.02，所以這時(shí)便可忽略CCD的離散不完全采樣誤差對(duì)質(zhì)心探測(cè)精度的影響。

（2）如果CCD在極其微弱的外界光的前提下，正是因?yàn)镃CD內(nèi)在的光子噪聲所造成的光信號(hào)本身在空間和時(shí)間上分布的不確定性，導(dǎo)致光斑質(zhì)心的坐標(biāo)跟隨發(fā)生變化，這種引起的噪聲就是光子噪聲［5］。光子噪聲一般服從泊松分布。

在實(shí)際情況下，CCD的系統(tǒng)誤差不僅包括由于光信號(hào)很弱時(shí)引起的光子噪聲，還包括由于組成CCD傳感器的光電器件以及模擬電子線路的噪聲，這些都會(huì)引起光斑質(zhì)心探測(cè)的精度。第二種噪聲通常表現(xiàn)為，當(dāng)無(wú)外界光信號(hào)輸入的條件下，CCD本身仍會(huì)有一定的光電響應(yīng)輸出，這種噪聲就是讀出噪聲。讀出噪聲是一種隨機(jī)噪聲［6］，一般服從Gauss分布。

（3）除此之外，CCD相機(jī)的光電輸出響應(yīng)信號(hào)中還包含一些背景暗電平噪聲［7］。雖然暗電平比較小，但是在M×L采樣窗口區(qū)域內(nèi)的暗電平信號(hào)的疊加卻不容忽視，它所帶來(lái)的光斑質(zhì)心探測(cè)影響同樣不可忽略，CCD相機(jī)的暗電平噪聲在一定程度上會(huì)影響光斑質(zhì)心探測(cè)的系統(tǒng)和隨機(jī)誤差。

2 圖像去噪算法研究

通過(guò)上述理論的探討與研究，CCD本身所存在的非線性響應(yīng)特性以及噪聲特性等會(huì)對(duì)激光光束質(zhì)量的測(cè)量帶來(lái)一定的影響。所以在測(cè)量前，需要對(duì)CCD采集的光斑圖像進(jìn)行圖像算法操作，盡可能地降低CCD本身的噪聲特性的影響。為此，本論文提出了三種圖像處理方法：偽彩色處理法、減背景以及自適應(yīng)閾值法。

2.1 偽彩色處理法

由于人眼的特殊構(gòu)造，人眼對(duì)于灰度圖像的辨識(shí)度遠(yuǎn)小于對(duì)彩色的辨識(shí)度，所以在一定程度上，需要對(duì)灰度圖像作一定的偽彩色處理，提高人們對(duì)彩色圖像細(xì)節(jié)的分辨能力［8］，所以對(duì)于呈高斯分布的光斑來(lái)說(shuō)，為了梯度顯示光斑圖像的細(xì)節(jié)，需要對(duì)灰度圖像進(jìn)行一定的偽彩色圖像處理過(guò)程，從而在一定程度上達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。

在推進(jìn)文明養(yǎng)犬這個(gè)問(wèn)題上，我們既不能用惡犬傷人事件否認(rèn)犬是人類的朋友，也不能以“犬是人類的朋友”為由和稀泥，搗糨糊，為不文明養(yǎng)犬行為脫責(zé)。只有立好規(guī)矩、管好人，你的愛(ài)犬才可能成為別人眼里的朋友。

為此，需要對(duì)CCD采集的灰度級(jí)光斑圖像進(jìn)行偽彩色轉(zhuǎn)換：將源圖像的每個(gè)灰度級(jí)按照線性或非線性函數(shù)關(guān)系進(jìn)行一一映射，不同的灰度級(jí)對(duì)應(yīng)不同的偽彩色。偽彩色變換原理圖如圖1所示。

圖1 偽彩色變換原理圖

如圖1所示，對(duì)于灰度圖像 f(x,y)，灰度圖像是由紅，綠，藍(lán)顏色按照相同比例來(lái)組合的。而對(duì)于偽彩色圖像G(x,y)的每一個(gè)像素按照紅，綠和藍(lán)三個(gè)不同的通道進(jìn)行獨(dú)立的變換：

式中，B(l)，G(l)和R(l)分別為三基色的變換函數(shù)，對(duì)變換函數(shù)進(jìn)行組合便可得到偽彩色圖像。

2.2 減背景

因?yàn)镃CD信號(hào)會(huì)摻雜很多隨機(jī)噪聲成分，通過(guò)多幀圖像求平均的方法可以有效的抑制噪聲的影響。設(shè)CCD有效信號(hào)為 f(x,y)，背景噪聲信號(hào)為加性噪聲n(x,y)，則會(huì)有：

當(dāng)噪聲信號(hào)表現(xiàn)為均值為0且互不相關(guān)的加性噪聲時(shí)，則 f(x,y)和g(x,y)的期望值相同，為此，本文采用m幅光斑相同但含有不同噪聲的光斑圖像，疊加作和并同時(shí)做平均處理后可得：

如圖2所示，在測(cè)量前（即沒(méi)有激光入射的前提下）通過(guò)多幀平均法，即幾幅背景圖像進(jìn)行疊加平均，作為面陣CCD相機(jī)的基底偏置讀出信號(hào)（平均背景噪聲圖像），在測(cè)量時(shí)，將CCD相機(jī)采集的激光光斑圖像與平均背景噪聲圖像進(jìn)行相減，剔除背景的雜散光導(dǎo)致的背景噪聲，通過(guò)光斑圖像背景扣除，消除環(huán)境背景噪聲的影響，從而將噪聲降到最低。

CCD相機(jī)自身噪聲對(duì)激光光斑的圖像影響較大，所以要對(duì)CCD做抑制處理。為此，可以通過(guò)多幅光斑圖像的幀疊加并求平均的方法來(lái)盡可能地減少隨機(jī)噪聲的影響，可有效提高光電子的信噪比，提高光束質(zhì)量測(cè)量的精度。圖2為通過(guò)多幀圖像疊加求平均的方法示意圖。

圖2 多幀圖像疊加求平均示意圖

2.3 自適應(yīng)閾值法

因?yàn)镃CD的光子噪聲、讀出噪聲和CCD的背景暗電平噪聲是服從獨(dú)立分布的隨機(jī)噪聲，與光斑圖像信號(hào)沒(méi)有關(guān)聯(lián)，因此可以通過(guò)設(shè)定一個(gè)閾值來(lái)抑制噪聲，從而減少后續(xù)的采用光強(qiáng)二階距法計(jì)算光斑束寬的誤差影響。采用一種自適應(yīng)閾值法圖像處理算法，可以使激光光束的測(cè)量過(guò)程中，不受外界環(huán)境的變化干擾，能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地對(duì)光斑圖像所產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲進(jìn)行抑制，從而提高算法的穩(wěn)健性。

其自適應(yīng)閾值法算法流程圖見(jiàn)圖3所示。

圖3 自適應(yīng)閾值法算法流程圖

原始的閾值處理法根據(jù)光束有效截面區(qū)域內(nèi)按照高斯基模強(qiáng)度的1作為激光光斑圖像的閾值，即將CCD所探測(cè)的光斑圖像的最大光強(qiáng)灰度值的1作為提取閾值。但是當(dāng)光斑圖像的最大灰度值所對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)較少，比較孤立時(shí)，大部分像素點(diǎn)值都比提取閾值小，就會(huì)造成光斑圖像內(nèi)部區(qū)域出現(xiàn)漏洞區(qū)域，造成一部分光斑能量分布不能被正確表示，從而干擾光束質(zhì)量的測(cè)量精度。

為此，本算法根據(jù)CCD的隨機(jī)噪聲特性，提供了一個(gè)最佳的提取閾值，使得在光斑圖像既能有效地濾除CCD的隨機(jī)噪聲，又能盡可能地保留激光的真實(shí)光斑信息。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

如圖4所示，通過(guò)搭建基于CCD的激光光束質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，系統(tǒng)的總體構(gòu)成是由激光器產(chǎn)生激光，考慮本系統(tǒng)中激光光束的能量可能遠(yuǎn)超過(guò)CCD探測(cè)器的飽和能量值，甚至超過(guò)CCD像元的損傷閾值可能損壞CCD器件［9］，因此，必須對(duì)入射到CCD相機(jī)光敏面上的激光光束能量進(jìn)行衰減，使CCD接收能量不至于過(guò)飽和，以保護(hù)CCD相機(jī)，經(jīng)過(guò)衰減后的激光光束進(jìn)入到無(wú)像差透鏡中，無(wú)像差透鏡用于保證激光的束腰處于可測(cè)量的范圍內(nèi)［10］，最后光束傳入到CCD相機(jī)中，由相機(jī)完成激光光斑圖像的采集。計(jì)算機(jī)獲得圖像數(shù)據(jù)后，由分析軟件進(jìn)行分析，最終得到光斑大小和光束質(zhì)量M2因子［11］。CCD相機(jī)的光束質(zhì)量測(cè)量裝置實(shí)驗(yàn)圖如圖4所示。

圖4 CCD相機(jī)的光束質(zhì)量測(cè)量裝置示意圖

通過(guò)CCD采集激光光斑圖像，并對(duì)光斑圖像進(jìn)行圖像去噪處理操作，經(jīng)偽彩色處理以及后續(xù)的算法處理后的激光光斑圖像對(duì)比圖如圖5所示。

圖5 去噪前后光斑圖像對(duì)比圖

同時(shí)，通過(guò)對(duì)比使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)激光光束質(zhì)量分析儀測(cè)得的M2因子值，保證其他條件不變的條件下，同時(shí)對(duì)比圖像去噪前后分別對(duì)激光器的光束質(zhì)量M2因子值進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 校正前和校正后光束質(zhì)量因子結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

對(duì)于CCD所采集的原始光斑圖像，并同時(shí)對(duì)比國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)激光光束質(zhì)量分析儀測(cè)得的M2因子值，通過(guò)對(duì)原始的光斑圖像進(jìn)行一定的圖像去噪操作后，光束質(zhì)量M2因子值更接近于其標(biāo)準(zhǔn)值。

偽彩色圖像處理能更好地顯示出光斑圖像的細(xì)節(jié)信息，在一定程度上達(dá)到圖像增強(qiáng)的效果；通過(guò)多幀圖像求平均的方法進(jìn)行背景扣除操作，消除了環(huán)境暗背景噪聲的影響，進(jìn)一步降低了噪聲的影響；而自適應(yīng)閾值法可以實(shí)時(shí)地抑制隨機(jī)噪聲的影響，提高了信號(hào)的信噪比。這些圖像算法從而在一定程度上抑制了CCD的隨機(jī)噪聲以及環(huán)境背景噪聲的影響，更加準(zhǔn)確地反映了激光光斑的能量分布，得到更為準(zhǔn)確和精細(xì)的光斑分布，為激光光束質(zhì)量的準(zhǔn)確測(cè)量奠定了基礎(chǔ)，對(duì)于正確評(píng)價(jià)激光的光束質(zhì)量具有十分重要的借鑒意義。

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Impact Analysis of CCD’s Noise on Measurement of the Laser Beam Quality

ZHANG Ruping1，JING Wenbo2，WANG Xiaoman1
（1.School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In the process of measuring laser beam quality by using the CCD，as a result of the CCD noise influence as well as the environment background noise influence，brings certain influence to the facula image，and thus influence measuring accuracy of laser beam quality.Therefore，each kind of CCD noise is analyzed，and on the basis the image processing algorithms is put for?ward in the paper according to different kind of noises.The result of experiment shows that the method mentioned in the paper can effectively decrease the influence of noise on measurement of laser beam quality，and can obtain more real reliable energy distribu?tion of laser beam，at the same time it has great application values on evaluating the laser beam quality.

CCD；noise；threshold；laser beam quality

TN386.5

A

1672-9870（2017）02-0111-04

2016-12-19

吉林省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（20160204009GX）

張汝平（1990-），男，碩士研究生，E-mail：1033159137@qq.com

景文博（1980-），男，博士，副教授，E-mail：wenbojing@sina.com