[发明专利]旁瓣光束衍射反演的远场焦斑测量旁瓣波峰参数检测方法

说明书

本发明为解决目前基于旁瓣光束衍射反演的纹影法强激光远场焦斑测量时，经过衍射反演获得了旁瓣光束的分布图像，但不能实现对旁瓣光束任意方向上各个旁瓣波峰参数的有效检测的问题，而提供了一种旁瓣光束衍射反演的远场焦斑测量旁瓣波峰参数检测方法。本发明采用逆向推演间接测量，沿光路传播逆方向推导，以旁瓣光束衍射光强图像和相位图像作为输入，通过计算获得未遮挡前旁瓣光束远场焦斑分布，对旁瓣光束图像按照选定的角度采样间隔进行量化，使用角度变换将二维旁瓣光束图像转化为全方向的一维旁瓣光束曲线集合，检测每个角度一维旁瓣光束曲线的各个旁瓣波峰参数，从而获得旁瓣光束任意方向各个旁瓣的参数。

技术领域

本发明涉及激光图像处理领域，具体涉及一种旁瓣光束衍射反演的远场焦斑测量旁瓣波峰参数检测方法。

背景技术

激光参数测量综合诊断系统是我国开展惯性约束聚变(ICF)研究的激光装置的分系统之一，是一个高精度、多功能的激光参数诊断平台，用来精密诊断大型激光装置输出光束的特性参数，包括光束质量、靶面光强、远场分布、时间波形、波前分布等。该激光装置的终极目标是基于纹影法的原理实现高功率激光强度时空分布的测量，为未来大型激光装置的频率转换组件和强激光远场焦斑光强分布的测量提供理论指导和精确实验参数。

随着大型激光装置的建成和物理实验的逐步深入开展，发现该激光装置主要存在远场焦斑强信号、弱信号同时探测这一矛盾和旁瓣光束弱信号区域无法精确测量的问题。针对以上矛盾和问题，2022年王拯洲等人(王拯洲，王力，魏际同等.基于旁瓣光束衍射反演的强激光远场焦斑测量方法[J].光学精密工程,2022,30(2):380-402)提出了基于旁瓣光束衍射反演的纹影法强激光远场焦斑测量方法，以旁瓣光束衍射光强图像和相位图像作为输入，通过计算获得未遮挡前旁瓣光束远场焦斑分布。该方法虽然经过衍射反演获得了旁瓣光束的分布图像，但是未能实现对旁瓣光束任意方向上各个旁瓣波峰参数的有效检测，缺少对于旁瓣弱信号区域每个旁瓣波峰参数的量化，不仅影响对任意方向、任意位置旁瓣光束分布参数的度量，而且影响从整体上对于旁瓣光束分布特征的评价。因此，对于旁瓣光束弱信号区域旁瓣波峰的检测主要存在以下几个需要解决的问题：1)如何检测旁瓣光束图像任意方向、任意一个像素点的旁瓣波峰参数；2)任意方向的一维旁瓣曲线需要检测哪些波峰参数；3)如何从整体上评价一个旁瓣光束的旁瓣波峰参数。

对于一幅旁瓣光束衍射反演图像来说，旁瓣弱信号区域是从图像中心向外半径逐渐增大的圆环，圆环的灰度值从高到低依次减小；观察旁瓣光束衍射反演三维图像，旁瓣弱信号区域是从中心向外波峰和波谷相间的、波峰灰度值依次降低的、波峰间隔大致相等的多个立体的圆形环；而一维旁瓣分布曲线的旁瓣弱信号区域是从中心向外灰度值从大到小的多个波峰，且极小值大致相当的多个波谷。因此，对于旁瓣波峰参数的检测，就需要以角度作为自变量，在角度采样间隔预先选定的条件下，通过检测每一个角度一维旁瓣分布曲线的波峰参数，当完成对所有方向上的一维旁瓣分布曲线的波峰参数检测后，就实现了对整个旁瓣图像旁瓣波峰参数的检测。

根据旁瓣波峰分布特征，需要检测旁瓣光束弱信号区域中的任何一个像素点的旁瓣波峰参数，主要检测和量化以下特征：(1)任何一个像素点相对旁瓣图像中心的XY坐标、角度方向信息；(2)任何一个像素点所在旁瓣波峰编号对应的区间，即第一波峰还是第二波峰；(3)任何一个像素点所在旁瓣波峰的具体位置，即位于上升沿、下降沿、峰值位置，还是波谷位置；(4)任何一个像素点所在位置的Y方向参数，即灰度值；(5)任意一个像素点所在旁瓣波峰的X方向参数，包括上升沿和下降沿、脉冲宽度等。

对于旁瓣光束图像来说，不仅需要检测任意一个像素所对应的旁瓣波峰的参数，更重要的是需要检测整个旁瓣图像的最小可测波峰信号值，因为最小可测信号值是计算远场焦斑动态范围比值的重要依据，是衡量旁瓣光束分布特征的一个重要综合性参数。然而，由于旁瓣光束图像存在噪声，为了降低噪声信号对于最小可测波峰信号值的影响，采用概率统计的思想，选择360度方向上某一个可识别的旁瓣波峰极大值环的平均值作为整个旁瓣光束的最小可测信号，这将整个远场焦斑动态范围比值的计算提供重要依据。