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通过DataRay相机成像器增益进行脉冲激光测量

作者:维尔克斯  时间:2022-5-26 9:30:48

DataRay长期以来提供的产品除了能测量连续波激光光束(CW)外,还具有测量脉冲激光的能力。脉冲激光器不同连续波激光器,因为它们不是连续输出光,而是输出具有特定脉冲重复率PRR的相关脉冲宽度的短脉冲。脉冲宽度可以很短,并且可以具有很高的脉冲能量。连续激光和脉冲激光在一段时间内都具有相同的平均功率,因为脉冲激光在脉冲之间没有输出,所以峰值功率不会相同。

在测量连续波激光光束CW时,我们通常需要关注功率的大小,也就是多少瓦特的功率,对应是每秒能量(焦耳)的测量值。因此,连续波激光成像传感器所收集的能量大小受曝光时间(以秒为单位)影响。但是,当使用脉冲激光器以捕获单脉冲为目标的脉冲激光器时,光斑分析仪测量脉冲激光时不能随意调节曝光时间来控制传感器采集的能量,所以测量单脉冲时收集的能量将等于到达传感器的激光单脉冲能量,其激光的脉冲能量大小以焦耳为单位。连续波激光器和脉冲激光通常都需要使用一个或多个ND滤光片进行衰减,以达到适合测量的功率水平。对于可能损坏ND滤光片的光束,光束采样器就可能是必需使用的。通常,测量衰减的光束,相机需要调整曝光以达到最大化动态范围以进行图像采集。由于相机以固定曝光时间捕获单个脉冲时调整曝光时间并不是很好的解决方案,因此微调曝光的另一种方法是调整成像器增益(Imager Gain)。

使用 ND-4 滤镜时相机传感器饱和的脉冲能量限制

光斑分析仪增益的设定中,成像器增益调整来自成像器的模拟信号如何转换为数字单位。DataRay光斑分析仪的相机使用CMOS或CCD 感器阵列将入射光(光子)转换为电荷(电子),最终通过模数转换器将其转换为数字单元。DataRay相机成像器增益定义了每个电子产生多少数字单位,更高的增益值会导致更灵敏的传感器,因为每个电子会产生更多的数字单元。

DataRay 软件中的 Imager Gain 滑块可以右键选择 Auto-Gain

在默认情况下,DataRay光斑分析仪的相机成像器增益设置为使传感器的全阱饱和对应于模数转换器的全范围;这是DataRay光斑分析仪的相机成像仪增益Imager Gain等于1。选择DataRay相机成像器增益1是为了充分利用DataRay光斑分析仪的相机传感器的整个范围,因为通常在测量激光时通常有充足的光线,并且可以微调曝光时间。但是在测量脉冲激光的单脉冲时,传感器可能无法收集到它能够收集的全部光量。例如,如果成像传感器的线性全阱是8000个电子,则DataRay光斑分析仪的相机成像器增益为1会将ADC全范围设置为对应于8000个电子。如果单个脉冲仅产生4000个电子,那么如果仍然选择DataRay光斑分析仪的相机成像器增益为1,则大部分ADC范围将未被使用。如果DataRay光斑分析仪的相机成像器增益增加到2,那么传感器的4000个电子将对应于整个ADC范围,因此增加了有效位深度并提高了信噪比。

表1:如果在光子匮乏的测量场景(例如较低能量的单脉冲测量)中使用增益1,基线噪声对峰值信号的贡献率更高,因此增加增益将改善此类测量


右击Imager Gain或Exposure Time框可访问下图所示的曝光控制对话框。当选择启用光斑分析仪增益选项中的自动增益调整时,自动曝光调整将会取消,测量系统将会修复曝光时间,通过在PRR中输入以kHz为单位的激光脉冲重复率,以自动计算用于捕获单个脉冲的推荐曝光时间。实现了DataRay光斑分析仪测量脉冲激光时所涉及的能量要求,以及在固定曝光时间的情况下如何控制接收到的信号。

DataRay 软件中的曝光控制对话框


如果单个脉冲不能提供足够的能量进行良好的测量,或者如果脉冲重复率太高而无法在相机的最短曝光时间内仅测量单个脉冲,则有必要增加曝光时间并捕获多个脉冲进行每次曝光。这种类型的测量将提供平均脉冲激光轮廓,这对于这类型的DataRay光斑分析仪测量脉冲激光是很有效的。由于这个曝光过程会一定程度上增加可调节的曝光时间,因此可以将DataRay相机成像仪增益设置为1,并且可以将曝光时间设置为自动。

DataRay光斑分析仪测量脉冲激光时,所随附的软件提供了脉冲激光分析所需的工具。DataRay光斑分析仪的相机提供多种衰减选项,可以根据激光规格帮助选择合适的衰减。DataRay光斑分析仪的相机可以使用各种触发模式来捕获单个脉冲,并且可以通过光斑分析仪增益,增加DataRay相机成像器增益以改善较低的脉冲能量捕获;DataRay相机式光束分析仪也可以在单次曝光中测量多个脉冲,以实现更简单的测量并提供平均脉冲轮廓。


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