DATARAY卷帘快门光斑分析仪脉冲激光测量方案：完美时序同步法和脉冲平均法

要测量脉冲激光，最理想的方法是使用全局快门相机，比如DataRay的WinCamD-LCM。你只需要用一个外部触发信号让相机和激光脉冲同步，就能准确地捕获到整个光束。DataRay提供多款这样的相机，这是测量脉冲激光的最佳选择。然而，现实中我们可能手头只有卷帘快门（Rolling Shutter） CMOS相机（如DataRay的BladeCam2-XHR, 或 WinCamD-IR-BB）。这种相机的工作原理不同：它的曝光不是同时进行的，而是逐行扫描。帧中的每一行都在不同的时间开始曝光，持续一段曝光时间，然后关闭。

图1：卷帘门 Rolling shutter diagram

对于稳定的连续光（CW）光束，这种逐行曝光不是问题，因为每一行看到的都是相同的稳定光强。但对于瞬态的脉冲光或移动的光束，情况就复杂了。脉冲可能只出现在几行曝光的时候，导致最终图像出现扭曲、部分缺失或呈现带状，这些都被称为“卷帘快门 artifacts（伪影）”。

尽管如此，在许多情况下，我们仍然可以使用卷帘快门光斑分析仪相机成功捕获脉冲激光。成功的关键在于以下两种方法：

-完美时序同步： 将所有时序参数精确匹配，使脉冲恰好落在快门的“缝隙”中。

-脉冲平均法： 利用较长的曝光时间对多个脉冲进行平均，从而消除滚动伪影。

以下主要介绍这两种方法：

一、 完美时序同步

这种方法的目标是捕捉到一个完整且未失真的单个脉冲图像。要实现这一点，必须满足两个苛刻的条件：1. 激光脉冲必须在相机的曝光时间窗口内发生。2. 整个脉冲持续时间必须完全包含在帧的开放时间内。

由于是卷帘快门，这个“开放时间”是逐行进行的，因此脉冲必须足够短，或者时机抓得足够准，以至于在快门滚动过传感器整个区域的时间内，脉冲都存在。这需要精确控制激光的脉冲重复频率（PRR）、脉冲宽度（pw）、脉冲触发 timing 以及相机的曝光时间。即使如此，这也更像是一种“捕捉”而非“稳定采集”，成功率不会百分之百，还可能捕获到部分脉冲。

以低重复频率（2 Hz）脉冲激光为例：

首先，如果使用相机的自动曝光功能，得不到正确的图像，如图2所示，在捕获的64帧图像序列中，只有21帧捕捉到了脉冲，而且它们全部过曝光（饱和）。

图2

原因：自动曝光算法发现大多数帧中没有光（因为脉冲频率低），于是为了获得足够的光强，它自动将曝光时间调整到最大值（100 ms）。当脉冲恰好在这100 ms内出现时，漫长的曝光时间就会接收远远超过传感器承受能力的光能量，导致信号饱和，图像中心变成一片白色，无法进行任何有效测量。

-调整方法1：缩短曝光时间以避免饱和（捕获部分脉冲）

为了解决过曝问题，最直接的方法是关闭自动曝光，并手动设置一个较短的曝光时间。如图3所示，将曝光时间设置为1.3 ms（远小于脉冲宽度100 ms），传感器确实不再饱和了。然而，因为曝光时间（1.3 ms）远小于脉冲持续时间（100 ms），相机只能捕获到脉冲的一个小切片。在64帧中，只捕获了12个这样的部分脉冲和一些被“ chopped”的图像。如果客户的目标是卷帘式光斑分析仪分析脉冲的完整空间形态，这并不适用。

图3

-调整方法2：设置曝光时间为1/PRR并降低脉冲能量（捕获完整脉冲）

为了捕获完整的脉冲，光斑分析软件曝光时间应至少覆盖一个脉冲周期。对于2 Hz的激光，周期是500 ms（1/2 Hz）。因此，应将曝光时间设置为500 ms。但这立即回到了最初的问题：500 ms的曝光会使整个脉冲能量累积，极易导致饱和。

如图4a所示，光斑分析软件首次尝试时图像完全过曝。此时的解决方案不是调整相机，而是调整光路：你必须降低到达相机传感器的脉冲能量。 这可以通过直接调低激光器的输出能量，或在光路中插入衰减片（ND Filter）来实现。如图4b所示，降低能量后，使用500 ms曝光时间成功捕获到了一个完整且未饱和的脉冲图像。这是低重复频率下光斑分析仪获取单脉冲图像的理想方法。

图4

完美时序同步原理：PRR越高，单位时间内的脉冲越多，脉冲与相机曝光窗口在时间上“相遇”的概率就越大。对于高PRR激光，你可以将曝光时间设置为1/PRR来捕获单个完整脉冲，或者设置更长的曝光时间来对多个脉冲进行平均。

图5：较高的PRR值可以产生更完整的图像，即使在短曝光时间下也是如此。

一、 脉冲平均法

如果客户的激光器具有高脉冲重复频率，并且卷帘快门光斑分析仪分析不需要观察单个脉冲的瞬时形态，而是希望得到其稳定的平均能量分布，那么脉冲平均法是消除卷帘快门伪影、获得完美图像的最佳方法。

    其核心思想是：使用一个较长的曝光时间，使其覆盖几十甚至上百个脉冲。这样，即使单个脉冲可能会因为滚动快门效应而产生畸变，但大量脉冲的平均效果会抵消这些随机畸变，最终得到的是一个平滑、稳定、代表脉冲平均能量分布的光斑图像。

以500 Hz脉冲激光为例：

卷帘快门光斑分析仪光斑分析软件设置曝光时间为39.7 ms。在这段时间内，相机大约会捕捉到 500 Hz * 0.0397 s ≈ 20个脉冲。

更进一步，DataRay软件提供了帧平均（Frame Averaging） 功能。如果将平均帧数设置为10，那么软件会连续采集10帧（每帧本身已是20个脉冲的平均），然后再对这10帧结果进行平均，最终得到的是 200个脉冲（20脉冲/帧 × 10帧） 的平均效果。

图6

    如图6a所示，这种方法得到的图像非常干净、有效，与之前在500 Hz下使用短曝光（1.3 ms）得到的图像（图5b）相比，明显更佳。

总之，无论采用哪种方法，确保入射到传感器上的光强处于线性响应区间内，避免饱和（过曝）或信号太弱，是光斑分析软件获得准确测量结果的大前提。