激光誘導(dǎo)激光光強(qiáng)醫(yī)學(xué)測量技術(shù)

0自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前探測原理光在流暢溫帶中傳播時(shí)，受到空氣折射起伏變化的影響，波長相位和振幅同時(shí)隨機(jī)起伏，導(dǎo)致波前變形，導(dǎo)致光強(qiáng)裂紋、質(zhì)心位移和光斑破裂等直流效應(yīng)，嚴(yán)重限制了各種激光工程系統(tǒng)的使用性。因此,湍流大氣中光波的傳播規(guī)律是光傳播理論及工程應(yīng)用中需要長期研究的一個十分重要的課題。近年來逐漸發(fā)展成熟的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以實(shí)時(shí)測量傳輸通道上湍流擾動引起的動態(tài)波前像差,并在一定程度上較好的實(shí)現(xiàn)了畸變相位的校正補(bǔ)償。Shack-Hartmann波前傳感器(以下簡稱S-H傳感器)因其高光能利用率、高采樣頻率、高量子效率以及低噪聲等優(yōu)點(diǎn)成為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的首選傳感器。其波前探測的原理為:入射到入射瞳內(nèi)的波面被傳感器的微透鏡陣列分割為若干子波,會聚后分別成像到傳感器的電荷耦合器(面陣CCD探測器)上,根據(jù)像素灰度值的大小和位置計(jì)算每個子波的質(zhì)心坐標(biāo),與標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)光束相比可求得入射的波前斜率,然后根據(jù)一定的波前復(fù)原算法來重構(gòu)畸變波前相位。文中在上述波前測量原理的基礎(chǔ)上,結(jié)合其電荷藕合器件在動態(tài)測量范圍內(nèi)輸出信號和曝光量成線性的特點(diǎn),提出了將S-H傳感器用于湍流大氣中光閃爍效應(yīng)測量的方法,該方法充分利用CCD探測器輸出的灰度值信息,無需使用標(biāo)準(zhǔn)平行光束對傳感器進(jìn)行定標(biāo),拓展了S-H波前傳感器的使用功能。1具有有限接收孔徑的測試S-H傳感器用于光閃爍測量的原理如圖1所示,將CCD面陣探測器對應(yīng)微透鏡陣列劃分為若干區(qū)域,入射畸變波前的起伏使得每個子孔徑內(nèi)接收的光強(qiáng)發(fā)生隨機(jī)變化,根據(jù)在動態(tài)測量范圍內(nèi)CCD的輸出信號與曝光量成線性的特點(diǎn),各個區(qū)域內(nèi)像素的灰度值之和就正比于入射到該子孔徑內(nèi)的子波的光強(qiáng)值。這樣每個入射子波、微透鏡子孔徑以及相應(yīng)的CCD的子區(qū)域就構(gòu)成了一個有有限接收孔徑的強(qiáng)度探測系統(tǒng)。統(tǒng)計(jì)每個子孔徑內(nèi)對應(yīng)的像素的灰度值之和的起伏,并進(jìn)行長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)測量便可得到經(jīng)湍流大氣擾動的光束的時(shí)間、空間光強(qiáng)起伏,進(jìn)行歸一化方差統(tǒng)計(jì)便得到光束在湍流大氣中傳輸?shù)墓鈴?qiáng)起伏信息。實(shí)際測量中可以根據(jù)不同的天氣狀況在不同的時(shí)間段內(nèi)設(shè)置面陣CCD的閾值,這一方面可以在一定程度上有效去除背景噪聲對信號的干擾;另一方面可以檢驗(yàn)入射光強(qiáng)是否超出了CCD的動態(tài)測量范圍,假設(shè)CCD的分辨率為M×N,設(shè)置的閾值的大小為a,實(shí)測像素灰度值的大小為bij,只有滿足:才能保證CCD工作在線性響應(yīng)區(qū)間。在此基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)若干個子孔徑內(nèi)的灰度值之和便可得到任意形狀和尺寸口徑內(nèi)的光強(qiáng)起伏方差,據(jù)此也可以研究孔徑平滑效應(yīng)的問題。2光強(qiáng)起伏方差實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,半導(dǎo)體激光器發(fā)出的中心波長為0.660μm、發(fā)散角約2mrad、功率為50mW的基模激光束,經(jīng)過1km的水平路徑傳輸?shù)浇邮斩?。接收裝置為入射瞳直徑為120mm的S-H波前傳感器,其每個子孔徑的等效直徑為6.667mm。最后經(jīng)圖像采集卡將得到的時(shí)、空間序列的信號數(shù)據(jù)存儲于計(jì)算機(jī)的硬盤中。傳感器的面陣CCD采用加拿大DALSA公司生產(chǎn)的CA-D6型,其基本性能指標(biāo)為:分辨率256×256像素,每個像素的感光面積為10μm×10μm,最大拍攝速度為955幀/秒。對于湍流效應(yīng)的分析,通常需要大量的統(tǒng)計(jì)樣本,即需要進(jìn)行大量的長時(shí)間的實(shí)驗(yàn),致使以二進(jìn)制形式存儲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果占用大量的計(jì)算機(jī)硬盤空間,并且影響后續(xù)數(shù)據(jù)處理的速度。假如可以將時(shí)間和空間采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并,便能大大增加統(tǒng)計(jì)樣本數(shù),既可以提高數(shù)據(jù)處理速度,又使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精確可靠。對光強(qiáng)起伏方差可以按以下兩種方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì):方法一:首先計(jì)算每一幀圖像得到的18×18有效網(wǎng)格數(shù)Neff的歸一化起伏方差σ2Ij:其中Iij為第j幀圖像的第i個子孔徑內(nèi)的光強(qiáng)灰度值,Ij為第j幀圖像的有效網(wǎng)格內(nèi)的平均光強(qiáng)值。然后對連續(xù)采集的Nframe幅圖像求平均值,得到光強(qiáng)歸一化起伏方差σI2。方法二:首先分別對每一個子孔徑內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行Nframe幀圖像的歸一化起伏方差統(tǒng)計(jì),得到18×18個有效網(wǎng)格的歸一化光強(qiáng)起伏方差σ2Ii:然后對18×18有效網(wǎng)格Neff數(shù)據(jù)進(jìn)行平均,也得到光強(qiáng)歸一化起伏方差σI2。圖3為利用上述分析的兩種方法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得到的光強(qiáng)閃爍方差的相關(guān)性分析(圖中R表示兩者的相關(guān)系數(shù),SD表示線性擬合的標(biāo)準(zhǔn)偏差),從圖中可以看出,擬合的相關(guān)系數(shù)為0.99501,斜率為1.08445,皆接近于數(shù)值1,這說明這兩種方差統(tǒng)計(jì)方法具有很好的自洽性,由此可以將S-H傳感器得到的時(shí)空間序列的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并,以大大增加統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)。3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集結(jié)合上面的分析,對激光的1km水平大氣傳輸進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)測量,選取每3000幀即3.1s采集的數(shù)據(jù)作為一個統(tǒng)計(jì)樣本,這樣每個統(tǒng)計(jì)樣本包含的樣本點(diǎn)接近18×18×3000,兩次數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔設(shè)為5min。3.1測量結(jié)果比較實(shí)驗(yàn)過程中,利用大口徑閃爍儀進(jìn)行了同時(shí)測量,將兩者得到的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)進(jìn)行了對比(如圖4(a)所示),這里在求得Cn2值時(shí)用到了有限接收孔徑面積上光強(qiáng)起伏方差的公式。從圖4(a)比較的結(jié)果來看,S-H波前傳感器測量得到的Cn2與大口徑閃爍儀測量的Cn2在變化趨勢上具有較好的一致性,還可以看出傳感器測量的Cn2略小于閃爍儀測量的結(jié)果,這主要由于兩儀器的系統(tǒng)偏差造成的。對傳感器和閃爍儀測量的Cn2進(jìn)行了相關(guān)性分析,如圖4(b)所示,結(jié)果表明兩者的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.838。3.2段8:4010:2016:16實(shí)際得到的光強(qiáng)閃爍方差隨時(shí)間的起伏變化如圖5所示。本次實(shí)驗(yàn)選擇在2007年4月12日,天氣狀況晴朗,對應(yīng)的時(shí)間段分別為:8:40~10:20;12:20~14:15;16:15~17:45;19:30~20:50。從圖中可以看出,全天的閃爍方差跨越了近兩個量級,起伏強(qiáng)度從早上起逐漸變大,至中午前后達(dá)到最大,傍晚和晚上逐漸減小,并且在實(shí)驗(yàn)時(shí)間范圍內(nèi)除中午起伏方差較大以外,全天基本處于弱起伏狀態(tài)(σI2<1),這基本符合近地面湍流起伏的統(tǒng)計(jì)特征。3.3未開洞子孔徑內(nèi)最大噪聲區(qū)譜分析借助于確定湍流大氣中光閃爍起伏頻譜無標(biāo)度區(qū)間的五段線性擬合方法,對不同子孔徑內(nèi)光強(qiáng)起伏的頻譜進(jìn)行了分析。圖6為功率譜分析的結(jié)果,其中圖6(a)為07年3月29日20:30實(shí)驗(yàn)的兩個不同的子孔徑信號的譜,圖6(b)為6月12日14:10中心子孔徑信號的譜。前者可以看出同一次實(shí)驗(yàn)不同子孔徑的譜具有較好的一致性,輸出信號的頻譜低頻段對數(shù)頻譜基本為常數(shù),頻率大于150Hz的高頻段為噪聲頻譜,中間高頻段對應(yīng)湍流無標(biāo)度區(qū)間。對比圖6(a)、(b)看出湍流較強(qiáng)的中午頻譜的無標(biāo)度區(qū)間向高頻段移動,甚至沒有出現(xiàn)高頻的噪聲區(qū),這與系統(tǒng)采樣頻率低有關(guān)。另外大量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,傳感器求得的無標(biāo)度區(qū)間的斜率的絕對值要比Kolmogorov理論的-8/3冪率的絕對值要大一些,差別的原因除了與湍流狀況密切相關(guān)之外,還與探測器的尺寸以及光源特性有關(guān),有關(guān)這方面的研究有待于進(jìn)一步長時(shí)間大量的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)。4光學(xué)測試結(jié)果提出了利用S-H波前傳感器測量湍流大氣中光閃爍效應(yīng)的方法。利用S-H波前傳感器進(jìn)行了水平大氣1km光傳輸實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:(1)可以將S-H波前傳感器時(shí)間和空間的輸出數(shù)據(jù)合并處理,增大了統(tǒng)計(jì)樣本數(shù);(2)與大口徑閃爍儀測量的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)在變化趨勢上具有較好的一致性;(3)根據(jù)傳感器子孔徑對應(yīng)灰度值的變化得到了光強(qiáng)閃爍方差隨時(shí)間的變化,基本滿足近地面弱湍流起伏的統(tǒng)計(jì)特性。(4)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了