本發(fā)明涉及一種分類方法，特別涉及一種光學(xué)元件損傷所屬表面的分類方法。

背景技術(shù)：

大型固體激光裝置規(guī)模宏大，光學(xué)元件數(shù)量眾多，輸出能量和功率高，是慣性約束核聚變(icf,inertialconfinementfusion)研究的主力裝置。在高功率條件下，光學(xué)元件損傷成為了人們必須解決的棘手問題。慣性約束核聚變大型固體激光裝置的終端光學(xué)組件集成了大口徑的晶體光學(xué)元件，在高能量激光的輻照下極易產(chǎn)生損傷，為了確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)與跟蹤損傷的增長(zhǎng)過程，終端光學(xué)元件損傷在線檢測(cè)系統(tǒng)(finalopticsdamageonline-inspection,fodi)在每次打靶實(shí)驗(yàn)后，對(duì)終端光學(xué)元件采集圖像，使用數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)圖像中的損傷進(jìn)行識(shí)別與分類，標(biāo)記出所有可能的損傷，但并不能對(duì)損傷所屬表面進(jìn)行分類，這不滿足fodi系統(tǒng)的技術(shù)需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述不足，本發(fā)明提供一種自動(dòng)區(qū)分入光面損傷或出光面損傷的光學(xué)元件損傷所屬表面的分類方法。

本發(fā)明的光學(xué)元件損傷所屬表面的分類方法，所述方法包括如下步驟：

步驟一：選取光學(xué)元件；

步驟二：利用fodi系統(tǒng)采集光學(xué)元件真空隔離片的損傷在線圖像，并在該光學(xué)元件真空隔離片通光口徑范圍內(nèi)標(biāo)記出所有的損傷點(diǎn)，每一個(gè)損傷點(diǎn)用特征向量表示；

步驟三：對(duì)光學(xué)元件真空隔離片通光口徑范圍內(nèi)的入光面與出光面逐一掃描，記錄下?lián)p傷點(diǎn)位置與形態(tài)，作為離線數(shù)據(jù)；

步驟四：使用幾何變換把步驟三的離線數(shù)據(jù)匹配到步驟二采集的在線圖像上，獲得入光面與出光面損傷的訓(xùn)練樣本集；

步驟五：建立分類模型，采用訓(xùn)練樣本集訓(xùn)練分類模型，獲取分類模型的最優(yōu)參數(shù)；

步驟六：利用具有最優(yōu)參數(shù)的分類模型對(duì)光學(xué)元件的損傷進(jìn)行分類，確定為入光面損傷或出光面損傷。

優(yōu)選的是，所述步驟四還包括：

利用具有最優(yōu)參數(shù)的分類模型對(duì)測(cè)試樣本集進(jìn)行分類，判斷分類準(zhǔn)確率，若分類準(zhǔn)確率滿足要求，則轉(zhuǎn)入步驟六；否則，增加設(shè)定的樣本采集數(shù)量，轉(zhuǎn)入步驟一；

所述步驟一為：根據(jù)設(shè)定的樣本采集數(shù)量，選取光學(xué)元件。

優(yōu)選的是，所述特征向量包括損傷點(diǎn)的像素面積、信號(hào)灰度和、噪聲灰度和、信號(hào)均值、信號(hào)方差、噪聲均值、信號(hào)最大灰度值、噪聲最大灰度值、局部信噪比的和、信號(hào)與噪聲能量比、飽和面積比、飽和灰度比、匹配橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)和匹配橢圓短軸長(zhǎng)、損傷點(diǎn)所在的圖像的橫坐標(biāo)、損傷點(diǎn)所在的圖像的縱坐標(biāo)。

優(yōu)選的是，所述分類模型采用機(jī)器學(xué)習(xí)中的核形式的超限學(xué)習(xí)機(jī)實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)選的是，所述步驟四為：

使用幾何變換把步驟三的離線數(shù)據(jù)匹配到步驟二采集的在線圖像上，獲得入光面與出光面損傷的樣本集，將入光面與出光面損傷的樣本集分成兩部分，一部分作為訓(xùn)練樣本集，另一部分作為測(cè)試樣本集。

上述技術(shù)特征可以各種適合的方式組合或由等效的技術(shù)特征來替代，只要能夠達(dá)到本發(fā)明的目的。

本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明基于有限時(shí)域差分法以及傅里葉光學(xué)角譜理論分析了入光面、出光面損傷的發(fā)光特性，然后利用特征向量表征fodi在線圖像中的入光面、出光面損傷，最后使用超限學(xué)習(xí)機(jī)實(shí)現(xiàn)損傷所屬表面的分類，自動(dòng)區(qū)分損傷是在入光面還是出光面。

附圖說明

圖1為入光面損傷成像原理示意圖；

圖2為出光面損傷成像原理示意圖；

圖3為光滑圓弧型凹坑與帶毛刺弧型凹坑的二維形貌示意圖；

圖4為平滑圓弧形凹坑的光強(qiáng)分布示意圖，其中圖41表示只有照明光時(shí)鏡頭處的光強(qiáng)分布示意圖，圖42表示只有照明光時(shí)ccd處的光強(qiáng)分布示意圖，圖43表示照明光加雜散光時(shí)鏡頭處的光強(qiáng)分布示意圖，圖44表示照明光加雜散光時(shí)ccd處的光強(qiáng)分布示意圖；

圖5為帶毛刺弧形凹坑的光強(qiáng)分布示意圖，其中圖51表示只有照明光時(shí)鏡頭處的光強(qiáng)分布示意圖，圖52表示只有照明光時(shí)ccd處的光強(qiáng)分布示意圖，圖53表示照明光加雜散光時(shí)鏡頭處的光強(qiáng)分布示意圖，圖54表示照明光加雜散光時(shí)ccd處的光強(qiáng)分布示意圖；

圖6為入光面損傷的fodi在線圖像；

圖7為出光面損傷的fodi在線圖像；

圖8為本發(fā)明具體實(shí)施方式中光學(xué)元件損傷所屬表面的分類方法的原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為本發(fā)明的限定。

如圖1和圖2所示，假設(shè)有兩個(gè)損傷點(diǎn)形貌大小相同，分別位于光學(xué)元件真空隔離片的入光面與出光面，在光學(xué)元件側(cè)照明打開后，光學(xué)元件內(nèi)部的全內(nèi)反射光在損傷點(diǎn)處被打破。假設(shè)輻射到損傷點(diǎn)的光能量是相同的，在損傷點(diǎn)處發(fā)生漫反射與漫透射。對(duì)于入光面的損傷，漫反射的光有一部分輻射到成像系統(tǒng)上，在ccd上形成入光面的損傷像；對(duì)于出光面的損傷，漫透射的光有一部分輻射到成像系統(tǒng)上，在ccd上形成出光面的損傷像。由于損傷表面的散射特性與透射特性大多數(shù)情況下是不一樣的，由此造成表面散射能量與表面透射能量也會(huì)不一樣，從而形成的像在灰度形態(tài)等特性也會(huì)有所區(qū)別。對(duì)于神光-iii高功率激光裝置中的大多數(shù)炸裂坑型損傷，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)深度h一般約為橫向直徑d的五分之一。以深度20μm、橫向100μm的損傷為例，假設(shè)損傷表面如圖3所示分光滑與帶毛刺的圓弧型兩種。

假設(shè)照射到損傷點(diǎn)處的內(nèi)反射照明光振幅為1，雜散光振幅為0.5。使用有限時(shí)域差分法方法求解出成像鏡頭位置處的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布，然后使用角譜法計(jì)算出ccd表面處的光強(qiáng)分布。

由圖4和圖5可知，入光面、出光面損傷點(diǎn)在成像鏡頭處與ccd像面處的光強(qiáng)分布都是不一樣的，尤其是在ccd像面上的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布，二者的波形差異表現(xiàn)在表1左側(cè)所列的12個(gè)特征屬性上。

選擇光學(xué)元件真空隔離片入光面上尺度約為300μm的一損傷點(diǎn)，使用fodi相機(jī)拍攝一幅在線圖像。旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件180^°，使損傷點(diǎn)位于出光面并使用fodi相機(jī)拍攝一幅在線圖像。這樣同一個(gè)損傷位于光學(xué)元件入光面和出光面時(shí)的像如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知，當(dāng)同一個(gè)損傷位于入光面與出光面時(shí)，在fodi圖像中形成的亮斑是不一樣的。對(duì)比理論仿真的波形差異性，類比表1中左側(cè)的12個(gè)特征，本實(shí)施方式對(duì)應(yīng)地提出表1右側(cè)的第1-12個(gè)fodi在線圖像特征。此外，為了表征光斑形態(tài)上的差異，又加上了匹配橢圓的長(zhǎng)軸長(zhǎng)、短軸長(zhǎng)，因此入光面、出光面的損傷差異如表1所示。

表1入光面、出光面的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)光特性與fodi圖像中的特性

fodi系統(tǒng)采用側(cè)照明技術(shù)，這種技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是照明的不均勻性。微型半導(dǎo)體激光器ld(laserdiode)照明發(fā)光功率設(shè)置1.58w，光波長(zhǎng)808nm，發(fā)散角70°，光偏振度為0.9。808nm波長(zhǎng)照明下對(duì)應(yīng)的熔石英折射率為1.45319。光學(xué)元件真空隔離片尺寸為430mm×430mm×10mm。元件表面粗糙度引起的光散射問題采用雙向散射分布函數(shù)(bsdf,bidirectionalscatterdistributionfunction)模型處理。使用光線追跡法時(shí)，光傳播截止閾值設(shè)置為1％(即光線從光源開始，在追跡過程中分裂，直到子光線攜帶的通量占比小于起始通量的1％時(shí)，這條子光線終止傳播)。金屬邊框以及l(fā)d發(fā)光面的尺寸均按照實(shí)際情況設(shè)置參數(shù)。獲取真空隔離片的內(nèi)反射照明光場(chǎng)分布仿真結(jié)果。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，光學(xué)元件內(nèi)部光場(chǎng)分布隨著位置的變化而變化，為了表示這種照明不均勻性帶給成像的影響，在表征fodi圖像中的損傷時(shí)加入坐標(biāo)(x,y)這兩個(gè)特征，表示損傷所在位置。由此可得特征向量x＝[x⁽¹⁾,...,x⁽¹⁶⁾]，其中x⁽¹⁾為像素面積，x⁽²⁾為信號(hào)灰度和，x⁽³⁾為噪聲灰度和，x⁽⁴⁾為信號(hào)均值，x⁽⁵⁾為信號(hào)方差，x⁽⁶⁾為噪聲均值，x⁽⁷⁾為信號(hào)最大灰度值，x⁽⁸⁾為噪聲最大灰度值，x⁽⁹⁾為局部信噪比的和，x⁽¹⁰⁾為信號(hào)與噪聲能量比，x⁽¹¹⁾為飽和面積比，x⁽¹²⁾為飽和灰度比，x⁽¹³⁾為匹配橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)，x⁽¹⁴⁾為匹配橢圓短軸長(zhǎng)，x⁽¹⁵⁾為損傷所在的圖像的橫坐標(biāo)x，x⁽¹⁶⁾為損傷所在的圖像的縱坐標(biāo)y。即總共16個(gè)特征構(gòu)成的特征向量來表征第i個(gè)損傷。

本實(shí)施方式采用機(jī)器學(xué)習(xí)中的核形式的超限學(xué)習(xí)機(jī)(kernel-elm，kernelbasedextremelearningmachine)，kernel-elm的分類模型為：

其中k(x,xi)為核函數(shù)，x＝[x⁽¹⁾,...,x⁽¹⁶⁾]為輸入的待分類樣本，為訓(xùn)練樣本，m為訓(xùn)練樣本的個(gè)數(shù)，i為單位矩陣，c為常數(shù)，ωtrain為訓(xùn)練樣本構(gòu)成的核矩陣，ωtraini,j＝k(xi,xj)，(i,j＝1,…,m),t＝[y1,…,ym]^t為訓(xùn)練樣本的類標(biāo)號(hào)矩陣。

n個(gè)測(cè)試樣本對(duì)應(yīng)的向量輸出形式為：

上式中f(x)＝[f(x1),…,f(xn)]^t，ωtest為測(cè)試樣本與訓(xùn)練樣本構(gòu)成的核矩陣，ωtesti,j＝k(xi,xj)，(i＝1,…,n；j＝1,…,m)。核函數(shù)選取k(x,xi)＝exp(-γ||x-xi||²)。

根據(jù)上述論述，如圖8所示，本實(shí)施方式的光學(xué)元件損傷所屬表面的分類方法，包括如下步驟：

步驟一：根據(jù)設(shè)定的樣本采集數(shù)量，選取光學(xué)元件；

步驟二：利用fodi系統(tǒng)采集光學(xué)元件真空隔離片的損傷在線圖像，并在該光學(xué)元件真空隔離片通光口徑范圍內(nèi)標(biāo)記出所有的損傷點(diǎn)，每一個(gè)損傷點(diǎn)用特征向量表示；

步驟三：使用顯微鏡對(duì)光學(xué)元件真空隔離片通光口徑范圍內(nèi)的入光面與出光面逐一掃描，記錄下?lián)p傷點(diǎn)位置與形態(tài)，作為離線數(shù)據(jù)；

步驟四：使用幾何變換把步驟三的離線數(shù)據(jù)匹配到步驟二采集的在線圖像上，獲得入光面與出光面損傷的訓(xùn)練樣本集；

步驟五：建立分類模型，采用訓(xùn)練樣本集訓(xùn)練分類模型，獲取分類模型的最優(yōu)參數(shù)；利用具有最優(yōu)參數(shù)的分類模型對(duì)測(cè)試樣本集進(jìn)行分類，判斷分類準(zhǔn)確率，若分類準(zhǔn)確率滿足要求，則轉(zhuǎn)入步驟六；否則，增加設(shè)定的樣本采集數(shù)量，轉(zhuǎn)入步驟一；

步驟六：利用具有最優(yōu)參數(shù)的分類模型對(duì)光學(xué)元件的損傷進(jìn)行分類，確定為入光面損傷或出光面損傷。

雖然在本文中參照了特定的實(shí)施方式來描述本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是，這些實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的原理和應(yīng)用的示例。因此應(yīng)該理解的是，可以對(duì)示例性的實(shí)施例進(jìn)行許多修改，并且可以設(shè)計(jì)出其他的布置，只要不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)該理解的是，可以通過不同于原始權(quán)利要求所描述的方式來結(jié)合不同的從屬權(quán)利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結(jié)合單獨(dú)實(shí)施例所描述的特征可以使用在其他所述實(shí)施例中。