摘 要

激光具有良好的方向性和单向性以及能量集中的特性，在生活、医疗及军事等各个方面都具有广泛的应用。激光的光斑大小，能量分布等参数又决定了激光的光束质量。在测量领域，激光光斑的中心定位是激光测量的关键技术之一。本文介绍了激光光斑测量算法的基本流程和原理，并对原理进行了仿真验证，最后根据仿真结果得出了一种可以高精度测量激光中心坐标和半径的算法。

激光光斑的中心定位算法主要分为预处理和中心定位两个部分，本文对着两个部分都进行了分析和研究。其中预处理包括滤波和边缘提取。为了研究光斑图像的抑噪方法，分别采用了中值滤波，小波域的中值滤波以及软阈值对光斑进行了预处理，实验表明小波域的中值滤波效果更好。边缘提取部分则研究了各边缘提取算子，如Sobel算子、Prewitt算子、及Log算子等对于激光光斑这种特殊图像的边缘提取效果，结果显示Log算子对激光的边缘提取效果最佳。对于激光光斑的中心定位，则主要研究了常用的几种方法，包括质心法，Hough变换法，最小二乘法以及基于高斯拟合的中心定位等方法，分析并验证了它们的优缺点，同时对Hough变换法进行了改进，提高了测量精度和实时性。最后介绍了该算法存在的问题以及改进方向，为后续研究提供借鉴。

关键词：激光光斑；中心定位；中值滤波；边缘提取算子，Hough变换

Abstract

Laser has wide application in life, medical treatment, military affairs and so on because of the characteristics of good directivity, one direction and energy concentration. And the laser beam quality is determined by the laser spot size, energy distribution and other parameters. In the field of measurement, the central location of laser spot is one of the key technologies of laser measurement. This paper introduces the basic process and the principle of the laser facula measurement algorithm, and the simulation is made to validate the principle. Finally, a high precision measurement algorithm of the laser facula is given according to the simulation results.

The central location algorithm of laser spot is divided into two parts, preprocessing and positioning. In this paper, the two parts are analyzed and studied. And Preprocessing includes filtering and edge extraction. In order to study the noise suppression method of spot image, median filter, wavelet domain median filter and soft threshold are used to deal with the spot. The experiment shows that the median filter in wavelet domain is better. Edge extraction is studied the edge detection operator, such as Sobel operator, Prewitt operator, and LOG operator in order to find the laser spot the image edge extraction effect. The results showed that the log of laser edge extraction is the best. For laser spot center location, the study mainly focuses on the several commonly used methods, including the centroid method, Hough transform, least square method and fitting center positioning based on Gaussian. And their advantages and disadvantages are analyzed and verified. At the same time, the Hough transform method is improved to improve the accuracy and timeliness. At last, the existing problems and the improvement direction of the algorithm are introduced to provide reference for the follow-up study.

Key Words: laser spot; central location; median filter; edge extraction operator; Hough transform

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 课题研究的目的 2

1.4 课题研究内容 2

第2章 光斑分析算法的理论分析 4

2.1 光斑图像预处理 4

2.1.1 图像滤波 4

2.1.2 光斑图像二值化 7

2.1.3 边缘检测 7

2.2 光斑定位算法 9

2.2.1 质心法 9

2.2.2 基于最小二乘法的光斑中心定位 10

2.2.3 Hough变换法 11

2.2.4 高斯拟合法 14

2.3 本章小结 16

第3章 光斑分析算法 17

第4章 光斑分析算法仿真实验 18

4.1 理想及混入噪声的光斑图像仿真 18

4.2 图像滤波仿真 19

4.3 图像二值化及边缘检测 21

4.4 光斑中心定位 22

4.4.1 光斑中心定位算法仿真 22

4.4.2 几种光斑中心定位算法精度及效率比较 24

4.5本章小结 26

第5章 总结与展望 27

5.1工作总结 27

5.2 激光光斑分析研究展望 27

参考文献 28

致谢 29

第1章 绪论

1.1 研究背景

1916年爱因斯坦在波尔工作的基础上发表了《关于辐射的量子理论》，文中指出在物质与辐射场的共振相互作用下，物质中的原子和分子会在光子的激励下会发生受激辐射而发出光子，利用这个原理可以对光进行放大。虽然该理论最初是用于解释黑体辐射，但是几十年以后，它却成为了激光理论的核心基础，打开了激光的宝库，从此激光迅速的发展起来。

激光具有很好的方向性，同时激光线谱宽度很小，几乎是单一频率，因此具有极好的单色性，这使得它在通信和精密测量领域有巨大的应用前景。在军事上，激光技术应用于军事的各种方面。激光光纤通信保证军事通信的安全性和通信质量；激光制导技术保证精确打击目标；各种激光武器直接造成设备致盲甚至毁坏等。同时，军队受到激光武器的威胁越来越大，反激光武器也与激光分析密切相关。在工业领域，激光焊接可实现精密焊接，很多性能优于传统焊接方式；激光打孔已成为现代制造领域的关键技术之一；激光存储技术甚至是已成为信息化时代支撑技术。在医学方面，激光可以与生物组织相互作用，相应的应用有激光切割、激光气化，光敏化治疗等。

总而言之，激光已经应用于生活的方方面面，而衡量激光系统综合性能的重要指标主要受激光光束质量影响。激光的光束质量又由激光的各种参数决定，其中较重要的有光斑尺寸，能量分布等。对于基于激光的精密测量及定位系统，其测量精度主要由光斑中心位置测量精度决定。因此对激光的光斑进行分析具有重要的意义。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

国外激光分析理论已经十分成熟，并且也有相应的仪器。许多家厂商都有自己商业化的激光分析仪器的产品。这些仪器大致可以分为两类，一种是狭缝式扫描光束分析仪，如美国THORLABS的BP209，第二类是CCD相机式光束分析仪，如美国THORLABS的BC106N。