激光誘導激光光強醫(yī)學測量技術

激光誘導激光光強醫(yī)學測量技術

0自適應光學系統(tǒng)的波前探測原理光在流暢溫帶中傳播時，受到空氣折射起伏變化的影響，波長相位和振幅同時隨機起伏，導致波前變形，導致光強裂紋、質(zhì)心位移和光斑破裂等直流效應，嚴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)展成熟的自適應光學技術可以實時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現(xiàn)了畸變相位的校正補償。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)點成為自適應光學系統(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算每個子波的質(zhì)心坐標,與標準定標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,提出了將S-H傳感器用于湍流大氣中光閃爍效應測量的方法,該方法充分利用CCD探測器輸出的灰度值信息,無需使用標準平行光束對傳感器進行定標,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)接收的光強發(fā)生隨機變化,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,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)的子波的光強值。這樣每個入射子波、微透鏡子孔徑以及相應的CCD的子區(qū)域就構(gòu)成了一個有有限接收孔徑的強度探測系統(tǒng)。統(tǒng)計每個子孔徑內(nèi)對應的像素的灰度值之和的起伏,并進行長時間的實驗測量便可得到經(jīng)湍流大氣擾動的光束的時間、空間光強起伏,進行歸一化方差統(tǒng)計便得到光束在湍流大氣中傳輸?shù)墓鈴娖鸱畔ⅰ嶋H測量中可以根據(jù)不同的天氣狀況在不同的時間段內(nèi)設置面陣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;另一方面可以檢驗入射光強是否超出了CCD的動態(tài)測量范圍,假設CCD的分辨率為M×N,設置的閾值的大小為a,實測像素灰度值的大小為bij,只有滿足:才能保證CCD工作在線性響應區(qū)間。在此基礎上,統(tǒng)計若干個子孔徑內(nèi)的灰度值之和便可得到任意形狀和尺寸口徑內(nèi)的光強起伏方差,據(jù)此也可以研究孔徑平滑效應的問題。2光強起伏方差實際實驗裝置如圖2所示,半導體激光器發(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、空間序列的信號數(shù)據(jù)存儲于計算機的硬盤中。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。對于湍流效應的分析,通常需要大量的統(tǒng)計樣本,即需要進行大量的長時間的實驗,致使以二進制形式存儲的實驗結(jié)果占用大量的計算機硬盤空間,并且影響后續(xù)數(shù)據(jù)處理的速度。假如可以將時間和空間采集的數(shù)據(jù)進行合并,便能大大增加統(tǒng)計樣本數(shù),既可以提高數(shù)據(jù)處理速度,又使得實驗結(jié)果更加精確可靠。對光強起伏方差可以按以下兩種方法進行統(tǒng)計:方法一:首先計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)的光強灰度值,Ij為第j幀圖像的有效網(wǎng)格內(nèi)的平均光強值。然后對連續(xù)采集的Nframe幅圖像求平均值,得到光強歸一化起伏方差σI2。方法二:首先分別對每一個子孔徑內(nèi)的數(shù)據(jù)進行Nframe幀圖像的歸一化起伏方差統(tǒng)計,得到18×18個有效網(wǎng)格的歸一化光強起伏方差σ2Ii:然后對18×18有效網(wǎng)格Neff數(shù)據(jù)進行平均,也得到光強歸一化起伏方差σI2。圖3為利用上述分析的兩種方法對實驗數(shù)據(jù)處理得到的光強閃爍方差的相關性分析(圖中R表示兩者的相關系數(shù),SD表示線性擬合的標準偏差),從圖中可以看出,擬合的相關系數(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)計方法具有很好的自洽性,由此可以將S-H傳感器得到的時空間序列的數(shù)據(jù)進行合并,以大大增加統(tǒng)計樣本數(shù)。3實驗數(shù)據(jù)的采集結(jié)合上面的分析,對激光的1km水平大氣傳輸進行了初步的實驗測量,選取每3000幀即3.1s采集的數(shù)據(jù)作為一個統(tǒng)計樣本,這樣每個統(tǒng)計樣本包含的樣本點接近18×18×3000,兩次數(shù)據(jù)采集的時間間隔設為5min。3.1測量結(jié)果比較實驗過程中,利用大口徑閃爍儀進行了同時測量,將兩者得到的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)進行了對比(如圖4(a)所示),這里在求得Cn2值時用到了有限接收孔徑面積上光強起伏方差的公式。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進行了相關性分析,如圖4(b)所示,結(jié)果表明兩者的相關系數(shù)高達0.838。3.2段8:4010:2016:16實際得到的光強閃爍方差隨時間的起伏變化如圖5所示。本次實驗選擇在2007年4月12日,天氣狀況晴朗,對應的時間段分別為: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,起伏強度從早上起逐漸變大,至中午前后達到最大,傍晚和晚上逐漸減小,并且在實驗時間范圍內(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度區(qū)間的五段線性擬合方法,對不同子孔徑內(nèi)光強起伏的頻譜進行了分析。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實驗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驗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,中間高頻段對應湍流無標度區(qū)間。對比圖6(a)、(b)看出湍流較強的中午頻譜的無標度區(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。另外大量的統(tǒng)計結(jié)果表明,傳感器求得的無標度區(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之外,還與探測器的尺寸以及光源特性有關,有關這方面的研究有待于進一步長時間大量的實驗統(tǒng)計。4光學測試結(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的方法。利用S-H波前傳感器進行了水平大氣1km光傳輸實驗,結(jié)果表明:(1)可以將S-H波前傳感器時間和空間的輸出數(shù)據(jù)合并處理,增大了統(tǒng)計樣本數(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)傳感器子孔徑對應灰度值的變化得到了光強閃爍方差隨時間的變化,基本滿足近地面弱湍流起伏的統(tǒng)計特性。(4)對實驗結(jié)果進行了