一種高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖像記錄裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖像記錄裝置，包括前端光學(xué)耦合模塊、選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器、選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊、選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊、后端光學(xué)耦合模塊、CCD圖像記錄模塊及主控計(jì)算機(jī)；被測(cè)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)通過(guò)前端光學(xué)耦合模塊成像到選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器的光陰極上，光陰極上的圖像由選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊控制在近貼聚焦像增強(qiáng)器的熒光屏上形成高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的序列分幅圖像，該分幅圖像再經(jīng)后端光學(xué)耦合模塊耦合到CCD圖像記錄模塊輸出數(shù)字圖像，完成一次被攝目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分幅記錄；本方案能夠?yàn)闆_擊波與爆轟物理測(cè)試、常規(guī)武器彈丸的彈道分析、材料微噴和界面不穩(wěn)定性、高速飛行物體的軌跡記錄等超快過(guò)程的研究提供高質(zhì)量的數(shù)字化圖像。
【專利說(shuō)明】一種高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖像記錄裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于高速攝影裝置及【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種能夠在一幅圖像中完整呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程的高速光電分幅成像裝置，具體的說(shuō)就是利用脈沖個(gè)數(shù)、脈沖寬度和脈沖時(shí)間間隔可調(diào)的序列高壓脈沖串驅(qū)動(dòng)單個(gè)選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器光電陰極來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程的圖像記錄。
【背景技術(shù)】
[0002]高速分幅攝影技術(shù)是研究高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程的一種重要測(cè)試方法，它與一般攝影技術(shù)最根本的區(qū)別，就是它具有高的時(shí)間分辨本領(lǐng)，能夠跟蹤快速變化或運(yùn)動(dòng)過(guò)程的發(fā)生和發(fā)展，并記錄下來(lái)。高速分幅攝影技術(shù)具有時(shí)間分辨率高(曝光時(shí)間短)、攝影頻率高等優(yōu)點(diǎn)，其拍攝的圖像可直觀形象地反映高速瞬變過(guò)程發(fā)展趨勢(shì)，從而為研究高速運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理和規(guī)律提供可靠數(shù)據(jù)，具有其它測(cè)試手段不可替代的優(yōu)點(diǎn)。
[0003]高速分幅攝影技術(shù)按成像方式可分為光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)高速分幅攝影技術(shù)和高速光電分幅攝影技術(shù)。前者通常采用電動(dòng)或氣動(dòng)控制的高速旋轉(zhuǎn)反射鏡成像，由于高速旋轉(zhuǎn)反射鏡在一定轉(zhuǎn)速下工作穩(wěn)定性下降甚至?xí)l(fā)生變形，這導(dǎo)致進(jìn)一步提高攝影頻率非常困難，目前每幅圖像時(shí)間分辨在亞微秒量級(jí)，攝影頻率在IO6幅/秒左右；此外，光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)的高速攝影設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、操作繁瑣，也大大限制其應(yīng)用領(lǐng)域。為克服光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)的高速攝影技術(shù)時(shí)間分辨和攝影頻率很難進(jìn)一步提高的缺點(diǎn)，高速光電分幅攝影技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，主要包括微波傳輸型光電分幅攝影技術(shù)、交叉點(diǎn)掃描多光欄分幅成像技術(shù)、多通道光學(xué)分幅光電攝影技術(shù)。
[0004]微波傳輸型光電分幅攝影技術(shù)首先采用光學(xué)針孔成像方法將運(yùn)動(dòng)物體目標(biāo)像面分成空間上分離的多個(gè)像面，在后端的近貼聚焦像增強(qiáng)器的微通道板上制作有微波傳輸線，被光學(xué)針孔成像方法分離的多個(gè)成像像面沿微波傳輸線分布，當(dāng)一個(gè)高壓脈沖沿微波傳輸線傳輸時(shí)，沿微波傳輸線分布的多個(gè)像面就會(huì)被該脈沖依次選通成像，從而得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)像面在不同時(shí)刻的記錄圖像。由于此方法所得到的運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖像時(shí)間間隔與脈沖沿微波傳輸線的傳輸時(shí)間有關(guān)，通常在數(shù)十皮秒量級(jí)，所以該類系統(tǒng)無(wú)法得到納秒以上時(shí)間間隔的分幅記錄圖像。
[0005]交叉點(diǎn)掃描多光欄分幅成像技術(shù)采用掃描管電子偏轉(zhuǎn)方式實(shí)現(xiàn)高速分幅成像，其單幅時(shí)間分辨可以達(dá)到亞納秒量級(jí)，但其主要缺點(diǎn)是時(shí)間分辨與畫(huà)幅間隔相關(guān)聯(lián)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)節(jié)，而且其全程記錄時(shí)間只有數(shù)納秒，無(wú)法滿足運(yùn)動(dòng)過(guò)程在微秒或毫秒時(shí)間范圍的多幅記錄。
[0006]多通道光學(xué)分幅光電攝影技術(shù)首先采用棱鏡或平面分光方式將運(yùn)動(dòng)物體目標(biāo)像面分成多個(gè)空間上分離的像面，然后每個(gè)像面用一個(gè)選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器進(jìn)行高速選通成像，最后再由CCD記錄。此種技術(shù)的記錄畫(huà)幅數(shù)由分光后像面數(shù)量和對(duì)應(yīng)的選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器個(gè)數(shù)決定。雖然可以實(shí)現(xiàn)單幅數(shù)納秒到毫秒以上曝光時(shí)間的調(diào)節(jié)，應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣，但該技術(shù)采用了復(fù)雜的光學(xué)分光系統(tǒng)將被測(cè)物體成像在不同的像增強(qiáng)器上，設(shè)計(jì)中不可避免因每個(gè)分光系統(tǒng)的不一致性所引入的成像畸變和像差，也不能在同一幅圖像上顯示被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。此外，每個(gè)分離像面需要對(duì)應(yīng)一個(gè)選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器，勢(shì)必增加系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。
[0007]在高速分幅成像技術(shù)中還有利用自聚焦透鏡陣列分光成像、激光脈沖照明成像等方式。自聚焦透鏡陣列分光成像基本原理與多通道光學(xué)分幅光電攝影相同，也是將目標(biāo)像面分成多個(gè)空間上分離的像面然后利用后端CCD記錄成像；激光脈沖照明成像利用脈沖激光照亮目標(biāo)形成短曝光時(shí)間，然后利用CCD記錄成像，該高速成像技術(shù)只能在背景環(huán)境光較暗的場(chǎng)所應(yīng)用，而且對(duì)激光光束的光斑均勻性要求較高，否則曝光不均勻，成像質(zhì)量較差。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0008]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，本實(shí)用新型的主要目的是提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅用一個(gè)通道光學(xué)耦合模塊和一個(gè)選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行快速分幅圖像記錄的裝置。由于該裝置未使用多路分光系統(tǒng)，避免了多路成像時(shí)引入的成像畸變和像差，而且其以非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多次成像。每次成像的曝光時(shí)間在數(shù)納秒到毫秒以上可調(diào)，多次成像間隔也可在十納秒到毫秒以上可調(diào)。該裝置的上述特點(diǎn)使其特別適用于時(shí)間范圍在數(shù)十納秒到毫秒量級(jí)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的圖像記錄。
[0009]本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:一種高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖像記錄裝置，包括前端光學(xué)耦合模塊、選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器、選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊、選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊、后端光學(xué)耦合模塊、CCD圖像記錄模塊及主控計(jì)算機(jī)，所述前端光學(xué)耦合模塊的輸出端與選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器的輸入端連接，選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器輸出到后端光學(xué)耦合模塊并通過(guò)CCD圖像記錄模塊輸出到主控計(jì)算機(jī)；所述選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊完成與主控計(jì)算機(jī)通訊的同時(shí)，控制CXD圖像記錄模塊、選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊和前端光學(xué)耦合模塊中的電磁快門(mén)，所述選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊與選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器連接。
[0010]在上述技術(shù)方案中，所述前端光學(xué)耦合模塊包括主物鏡、分劃板、電磁快門(mén)和前中繼物鏡，所述選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊與電磁快門(mén)連接。
[0011]在上述技術(shù)方案中，所述選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊采用互補(bǔ)MOSFET輸出及其驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)，所述電路包括低壓脈沖高低電平檢測(cè)及振蕩電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)脈沖整形和驅(qū)動(dòng)加速電路、一對(duì)P溝道場(chǎng)效應(yīng)管和N溝道場(chǎng)效應(yīng)管。
[0012]在上述技術(shù)方案中，所述選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊的電路結(jié)構(gòu)包括通訊接口模塊、延時(shí)計(jì)數(shù)器、高頻時(shí)鐘模塊、時(shí)鐘計(jì)數(shù)器、CCD積分時(shí)間計(jì)數(shù)及判別模塊、多個(gè)比較器以及脈沖合成模塊。
[0013]在上述技術(shù)方案中，所述方法包括以下步驟:
[0014]步驟一:初始化數(shù)據(jù)，通過(guò)主控計(jì)算機(jī)設(shè)定CXD圖像記錄模塊，選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊的各項(xiàng)指標(biāo)，并等待外觸發(fā)輸入信號(hào)；
[0015]步驟二:被測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)經(jīng)前端光學(xué)耦合模塊成像到選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器的光陰極上，該光陰極與選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊相連接；
[0016]步驟三:在外觸發(fā)輸入信號(hào)到來(lái)時(shí)，選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊控制選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊輸出序列高壓脈沖，使目標(biāo)物體成像到光陰極上的圖像被依次序列選通，轉(zhuǎn)換成電子圖像；
[0017]步驟四:電子圖像經(jīng)施加在選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器的微通道板上的高壓加速后轟擊在選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器的熒光屏上形成與運(yùn)動(dòng)物體位置相關(guān)聯(lián)的物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖像；
[0018]步驟五:圖像經(jīng)過(guò)后端光學(xué)耦合模塊耦合到CXD圖像記錄模塊并按設(shè)定時(shí)間進(jìn)行積分后輸出，通過(guò)以太網(wǎng)通訊接口將圖像信息傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)顯示或處理。
[0019]在上述技術(shù)方案中，所述選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊控制選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊輸出幅值在+ 60V到-180V之間交替變化的高速序列脈沖串。
[0020]在上述技術(shù)方案中，輸出常態(tài)電壓為+ 60V，開(kāi)通電壓為-180V。
[0021]在上述技術(shù)方案中，所述交替變化的受控高速序列脈沖串實(shí)現(xiàn)選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器的多次打開(kāi)和關(guān)閉，將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像在選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器熒光屏的不同位置。
[0022]所述選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器由可高速重復(fù)選通的光陰極、微通道板和熒光屏組成，在序列高壓脈沖控制下將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像高速選通成像在其熒光屏上，該選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器單次最窄選通時(shí)間可達(dá)到十納秒，最長(zhǎng)選通時(shí)間可達(dá)到十毫秒以上。
[0023]所述選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊由低壓脈沖整形部分、低壓驅(qū)動(dòng)和對(duì)稱高頻場(chǎng)效應(yīng)管組成。其主要作用是產(chǎn)生控制選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器的脈沖，具體為由5V脈沖信號(hào)控制的+60V到-180V峰峰值的高壓序列脈沖。該高壓序列脈沖常態(tài)輸出電平為+60V，脈沖輸出低電平-180V，輸出最短低電平脈沖寬度10ns，最長(zhǎng)低電平脈沖寬度IOms以上，輸出序列脈沖個(gè)數(shù)、每個(gè)脈沖寬度及脈沖之間的間隔均可以由選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊設(shè)定。
[0024]所述選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊由通訊接口、延時(shí)計(jì)數(shù)器、高頻時(shí)鐘、時(shí)鐘計(jì)數(shù)器、多路比較器、CXD積分時(shí)間計(jì)數(shù)及判別、脈沖合成幾個(gè)部分組成。通訊接口完成該選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊與主控計(jì)算機(jī)的通訊，延時(shí)計(jì)數(shù)器決定序列脈沖產(chǎn)生的時(shí)間，高頻時(shí)鐘作為系統(tǒng)控制工作的時(shí)鐘基準(zhǔn)，時(shí)鐘計(jì)數(shù)器和多路比較器決定產(chǎn)生序列脈沖的寬度和個(gè)數(shù)，CCD積分時(shí)間計(jì)數(shù)及判別決定后端CCD圖像記錄模塊的積分計(jì)數(shù)時(shí)間，脈沖合成主要用來(lái)將多個(gè)比較器輸出的脈沖合成一路輸出。其中，高頻時(shí)鐘可以通過(guò)FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)提高至200MHz甚至更高，其余延時(shí)計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘計(jì)數(shù)器和多路比較器等部分也均可以在一片F(xiàn)PGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
[0025]所述CXD圖像記錄模塊具有外觸發(fā)控制功能，確保CXD在選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊輸出序列脈沖前開(kāi)始對(duì)選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器的熒光屏圖像進(jìn)行積分記錄，積分記錄時(shí)間長(zhǎng)度由選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊根據(jù)生成最后一個(gè)序列脈沖的上升沿時(shí)間決定。
[0026]實(shí)施本實(shí)用新型的有益效果是:第一，采用單路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的光學(xué)耦合模塊，克服了多通道光學(xué)分幅系統(tǒng)采用多路光學(xué)耦合模塊引入的成像畸變和像差，而且使整個(gè)記錄裝置體積大大縮小，方便攜帶和使用；第二，采用高速選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器進(jìn)行分幅成像，單幅曝光時(shí)間非常短，最短可達(dá)10ns，有效抑制拍攝過(guò)程中的圖像動(dòng)態(tài)模糊；第三，曝光時(shí)間根據(jù)需要大范圍可調(diào)，單幅最短門(mén)控時(shí)間10ns，最長(zhǎng)門(mén)控時(shí)間IOms以上，滿足不同記錄時(shí)間高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程的拍攝需求；第四，只用一個(gè)選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器和一個(gè)CCD實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多次分幅成像，每次成像曝光時(shí)間由對(duì)應(yīng)脈沖寬度控制，曝光時(shí)間間隔由脈沖間隔控制，分幅成像次數(shù)由序列脈沖個(gè)數(shù)決定，控制方便；第五，只用一個(gè)選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器，避免使用多個(gè)選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器時(shí)輸出圖像亮度不均勻；第六，采用CCD圖像采集輸出方式，將運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程完整的記錄在一幅圖像上，使操作者能夠直觀、方便的分析運(yùn)動(dòng)特性并直接進(jìn)行后續(xù)數(shù)字圖像處理，提高實(shí)驗(yàn)效率；第七，系統(tǒng)選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊采用一片F(xiàn)PGA邏輯器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，時(shí)序控制精度可達(dá)到5ns，而且可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)選通高壓脈沖、CXD圖像記錄模塊的啟動(dòng)和停止時(shí)間等同步控制。
[0027]本實(shí)用新型所涉及的裝置在超高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程測(cè)試領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，完全能夠?yàn)闆_擊波與爆轟物理測(cè)試、常規(guī)武器彈丸的彈道分析、材料微噴和界面不穩(wěn)定性、高速飛行物體的軌跡記錄等超快過(guò)程的研究提供高質(zhì)量的數(shù)字化圖像。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]本實(shí)用新型將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中:
[0029]圖1是本實(shí)用新型的裝置結(jié)構(gòu)組成框圖；
[0030]圖2是本實(shí)用新型分幅成像原理示意圖；
[0031]圖3是本實(shí)用新型中選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊組成框圖；
[0032]圖4是本實(shí)用新型中高壓脈沖產(chǎn)生模塊工作時(shí)序圖；
[0033]圖5是本實(shí)用新型中選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊組成框圖；
[0034]圖6是本實(shí)用新型中選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊工作時(shí)序圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的所有特征，或公開(kāi)的所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0036]本實(shí)用新型一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖像記錄裝置的總體組成框圖如圖1所示，包括前端光學(xué)耦合模塊、選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器、高壓供電電源、選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊、選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊、后端光學(xué)耦合模塊、CCD圖像記錄模塊及主控計(jì)算機(jī)共八個(gè)部分。其工作過(guò)程如下:被攝運(yùn)動(dòng)目標(biāo)所在視場(chǎng)經(jīng)前端光學(xué)耦合模塊成像到選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器的光陰極上，該光陰極與選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊相連接，當(dāng)選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊輸出電壓為十60V時(shí)，目標(biāo)物體成像到光陰極上的圖像未為被選通，只有少量雜散光轟擊在選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器的熒光屏形成本底噪聲；當(dāng)選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊電壓為-180V時(shí)，目標(biāo)物體成像到光陰極上的圖像被選通，該圖像被光陰極轉(zhuǎn)換成電子圖像，經(jīng)施加在選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器的微通道板上的高壓加速后轟擊在選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器的熒光屏上形成與運(yùn)動(dòng)物體位置相關(guān)聯(lián)的圖像。在上述成像過(guò)程中，通過(guò)預(yù)先設(shè)定選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊，從而控制選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊輸出幅值在+ 60V到-180V之間交替變化的高速序列脈沖串，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器的多次打開(kāi)和關(guān)閉，每次打開(kāi)均會(huì)將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像在選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器熒光屏的不同位置，該記錄運(yùn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)位置的圖像經(jīng)后端光學(xué)耦合模塊耦合到CCD圖像記錄模塊進(jìn)行積分輸出，通過(guò)以太網(wǎng)接口將圖像信息傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)，可在計(jì)算機(jī)顯示屏上顯示一幅表征運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程的高速分幅攝影圖像。
[0037]為使系統(tǒng)工作過(guò)程更加清晰，結(jié)合圖2所示，以兩次曝光分幅成像為例對(duì)其工作原理作進(jìn)一步闡述。假設(shè)物體以垂直于記錄系統(tǒng)中心光軸向上的方向運(yùn)動(dòng)，在ti時(shí)刻，物體在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)像面上的位置為X1，其經(jīng)前端光學(xué)耦合模塊成像到選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器光陰極像面上對(duì)應(yīng)為X i，這時(shí)選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊按設(shè)定好的工作時(shí)序控制選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊輸出電壓為-180V的低電平短脈沖，選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器光陰極在此脈沖驅(qū)動(dòng)下開(kāi)關(guān)一次，物體在光陰極X ,處像面經(jīng)近貼聚焦像增強(qiáng)器光陰極光電轉(zhuǎn)換為電子，通過(guò)近貼聚焦像增強(qiáng)器微通道板倍增并在其熒光屏上形成X/像，該像面再經(jīng)后端光學(xué)耦合模塊成像到CCD像面形成與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)物體位置相關(guān)聯(lián)的像面X/ ；同樣，在t2時(shí)刻，物體在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)像面上的位置為X2，選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器同樣在選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊控制下再打開(kāi)一次，則在后端CCD像面同樣形成與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)物體位置相關(guān)聯(lián)的像面X2’。由于在上述過(guò)程中，后端CXD —直處于積分成像狀態(tài)，所以運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在CXD像面處所成的像X/和V被在一個(gè)畫(huà)面中記錄下來(lái)，只要根據(jù)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)速度合理設(shè)置時(shí)間間隔，使兩次記錄的圖像不重疊，就實(shí)現(xiàn)了在同一畫(huà)面上對(duì)物體的兩次拍攝，相當(dāng)于對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行了兩次分幅成像。同理，按照上述原理也可以實(shí)現(xiàn)多次分幅成像。
[0038]在上述成像過(guò)程中，施加在選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器光陰極的序列高速高壓脈沖對(duì)成像曝光時(shí)間(即時(shí)間分辨)以及時(shí)間間隔具有決定意義。該序列高速高壓脈沖需要解決三個(gè)難點(diǎn):一是要求此高速脈沖從正電壓到負(fù)電壓以及負(fù)電壓到正電壓的轉(zhuǎn)換過(guò)程非?？?，常態(tài)電壓在+60V左右，開(kāi)通后電壓在-180V左右；二是要形成的負(fù)脈沖寬度可根據(jù)每次曝光時(shí)間從十納秒到十毫秒寬范圍調(diào)節(jié)；三是要形成的序列負(fù)脈沖間隔也可根據(jù)需要從數(shù)十納秒到數(shù)十毫秒寬范圍調(diào)節(jié)。國(guó)內(nèi)關(guān)于高速亞納秒脈沖形成的研究很多，但大部分都是利用雪崩管形成，脈沖電壓通常在上千伏左右，而且脈沖寬度無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)節(jié)，脈沖間隔時(shí)間在微秒量級(jí)。
[0039]為解決上述序列高速高壓脈沖產(chǎn)生的問(wèn)題，本實(shí)用新型在具體設(shè)計(jì)中采用圖3所示的互補(bǔ)MOSFET (絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)輸出及其驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)，由低壓脈沖高低電平檢測(cè)及振蕩電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)脈沖整形和驅(qū)動(dòng)加速電路、一對(duì)P溝道場(chǎng)效應(yīng)管和N溝道場(chǎng)效應(yīng)管組成。低壓脈沖高低電平檢測(cè)及振蕩電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入低壓控制脈沖高低電平檢測(cè)，其功能如圖4所示，當(dāng)?shù)蛪好}沖控制輸入為低電平(OV)時(shí)，低壓控制脈沖輸出I輸出振蕩脈沖，低壓控制脈沖輸出2停止振蕩并保持高電平；反之，低壓脈沖控制輸入為高電平(5V)時(shí)，低壓控制脈沖輸出I停止振蕩并保持高電平，低壓控制脈沖輸出2輸出振蕩脈沖。兩路互補(bǔ)振蕩脈沖分別經(jīng)過(guò)MOSFET驅(qū)動(dòng)器電流放大、高壓電容耦合、驅(qū)動(dòng)脈沖整形和加速電路后驅(qū)動(dòng)一對(duì)P溝道場(chǎng)效應(yīng)管和N溝道場(chǎng)效應(yīng)管交替開(kāi)通、關(guān)斷。具體工作時(shí)序如圖4所示，低壓脈沖控制輸入為低電平時(shí)，P溝道MOSFET開(kāi)通，N溝道MOSFET關(guān)斷，最終高壓脈沖輸出+60V高電平；低壓脈沖控制輸入為高電平時(shí)，P溝道MOSFET關(guān)斷，N溝道MOSFET開(kāi)通，最終高壓脈沖輸出-180V低電平，形成由前端門(mén)控脈沖控制的高壓雙極性脈沖輸出。同時(shí)，該高壓脈沖的寬度和脈沖間隔由前端低壓控制脈沖的寬度和脈沖間隔決定。
[0040]對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)而言，要獲得其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中感興趣的中間某段區(qū)域，需要對(duì)多次分幅成像曝光的起始時(shí)間、次數(shù)、曝光時(shí)間間隔等按需要進(jìn)行控制；同時(shí)，還要針對(duì)不同運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)每次成像曝光時(shí)間寬度進(jìn)行設(shè)定。本實(shí)用新型采用選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊完成上述功能。
[0041]選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括通訊接口模塊、延時(shí)計(jì)數(shù)器、高頻時(shí)鐘模塊、時(shí)鐘計(jì)數(shù)器、CCD積分時(shí)間計(jì)數(shù)及判別模塊、多個(gè)比較器以及脈沖合成模塊七個(gè)功能部件。各功能部件均在一片XLINX公司SPANT系列型號(hào)為XC3SD1800A-4CSG484I的FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，大大提高圖像記錄裝置的集成度和可靠性，而且該芯片內(nèi)嵌時(shí)鐘倍頻和管理模塊，工作時(shí)鐘可以達(dá)到200MHz以上，使每次成像曝光時(shí)間和成像間隔調(diào)節(jié)精度可以達(dá)至Ij 5ns o
[0042]選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊工作過(guò)程為:首先主控計(jì)算機(jī)根據(jù)用戶的參數(shù)設(shè)定將系統(tǒng)首次曝光延時(shí)值、各次曝光的時(shí)間、多次曝光的時(shí)間間隔和次數(shù)等信息發(fā)送至通訊接口模塊；通訊接口模塊根據(jù)參數(shù)設(shè)定值計(jì)算出曝光延時(shí)值對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)發(fā)送到延時(shí)計(jì)數(shù)器，根據(jù)各次曝光的時(shí)間和多次曝光的時(shí)間間隔(即序列脈沖寬度、間隔)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)發(fā)送到相應(yīng)的比較器I到比較器N，根據(jù)多次總曝光時(shí)間長(zhǎng)度計(jì)算出CCD積分時(shí)間對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)脈沖值并發(fā)送到CCD積分時(shí)間計(jì)數(shù)及判別模塊，根據(jù)總的曝光次數(shù)轉(zhuǎn)換成序列脈沖個(gè)數(shù)設(shè)定脈沖合成模塊的工作狀態(tài)；在通訊接口模塊完成對(duì)其它各模塊的設(shè)定后對(duì)延時(shí)計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘計(jì)數(shù)器、CCD積分時(shí)間計(jì)數(shù)及判別模塊、脈沖合成模塊進(jìn)行一次清零復(fù)位，并等待外觸發(fā)輸入信號(hào)的到來(lái)。
[0043]為使選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊的工作過(guò)程更加明了，結(jié)合圖6所示，以4次曝光分幅成像為例，對(duì)其工作過(guò)程作進(jìn)一步闡述。圖6中高頻時(shí)鐘工作頻率為200MHz，為模塊內(nèi)各計(jì)數(shù)器的基準(zhǔn)工作時(shí)鐘。如前所述，通訊接口模塊完成對(duì)其它各模塊的設(shè)定和清零后，CCD控制信號(hào)和低壓序列脈沖輸出均為低電平(0V)。在外觸發(fā)輸入信號(hào)上升沿到來(lái)后，延時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作，當(dāng)計(jì)數(shù)到設(shè)定值T1時(shí)，延時(shí)計(jì)數(shù)器輸出使能信號(hào)啟動(dòng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器、脈沖合成模塊和CCD積分時(shí)間計(jì)數(shù)及判別模塊，此時(shí)CCD積分時(shí)間計(jì)數(shù)及判別模塊輸出高電平，控制CXD圖像記錄模塊開(kāi)始積分記錄。當(dāng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為T(mén)2時(shí)，與比較器I設(shè)定值一致，比較器I輸出一窄脈沖，脈沖合成模塊捕獲該窄脈沖時(shí)將低壓序列脈沖的電平進(jìn)行一次OV到5V的翻轉(zhuǎn)；時(shí)鐘計(jì)數(shù)器繼續(xù)累加計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)T3個(gè)時(shí)鐘計(jì)數(shù)后，其值與比較器2設(shè)定值一致，比較器2輸出一窄脈沖，脈沖合成模塊捕獲該窄脈沖時(shí)將低壓序列脈沖的電平再進(jìn)行一次5V到OV的翻轉(zhuǎn)，形成一個(gè)寬度為T(mén)3個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘的脈沖。依次類推，當(dāng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值分別為t4、t4+t5、t6、t6+t7、T8、T8+T9時(shí)，對(duì)應(yīng)的比較器均輸出一窄脈沖，脈沖合成模塊在每個(gè)窄脈沖處均對(duì)低壓序列脈沖輸出進(jìn)行一次電平翻轉(zhuǎn)，從而形成一個(gè)脈沖間隔分別為T(mén)4- (T3+T2)、T6- (T5+T4)、T8- (!',+!^，脈沖寬度分別為了^了^了^^的序列脈沖串’通過(guò)調(diào)整比較器的值就可以對(duì)該序列脈沖串的脈沖寬度和脈沖間隔進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整。當(dāng)序列脈沖串中的脈沖個(gè)數(shù)與脈沖合成模塊的設(shè)定脈沖個(gè)數(shù)相等時(shí)，脈沖合成模塊停止對(duì)后續(xù)比較器輸出窄脈沖的判別，保持輸出低電平到下一次拍攝開(kāi)始。此外，當(dāng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為T(mén)ltl時(shí)，CCD積分時(shí)間計(jì)數(shù)及判別模塊輸出低電平，控制CCD圖像記錄模塊停止積分記錄，并復(fù)位脈沖合成模塊，完成一次分幅圖像記錄過(guò)程。
[0044]本實(shí)用新型中，為使CXD圖像記錄模塊有效記錄選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器熒光屏圖像，需要通過(guò)時(shí)序控制使熒光屏輸出圖像時(shí)間落在CCD有效積分時(shí)間內(nèi)，因此，需要選擇具有外觸發(fā)控制的CCD采集模塊，而且要求CCD積分時(shí)間可以隨上述選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊輸出的CCD控制信號(hào)的高電平脈沖寬度調(diào)節(jié)。
[0045]此外，本實(shí)用新型在實(shí)際應(yīng)用中，為保證多次曝光分幅成像質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)物體與背景顏色最好能夠具有較高的對(duì)比度，或者配合高重頻的脈沖光照射物體可大大提高圖像清晰度和對(duì)比度。
[0046] 本實(shí)用新型并不局限于前述的【具體實(shí)施方式】。本實(shí)用新型擴(kuò)展到任何在本說(shuō)明書(shū)中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過(guò)程的步驟或任何新的組
入
口 o
【權(quán)利要求】
1.一種高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖像記錄裝置，其特征為包括前端光學(xué)耦合模塊、選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器、選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊、選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊、后端光學(xué)耦合模塊、CXD圖像記錄模塊及主控計(jì)算機(jī)，所述前端光學(xué)耦合模塊的輸出端與選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器的輸入端連接，選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器輸出到后端光學(xué)耦合模塊并通過(guò)CCD圖像記錄模塊輸出到主控計(jì)算機(jī)；所述選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊完成與主控計(jì)算機(jī)通訊的同時(shí)，控制CCD圖像記錄模塊、選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊和前端光學(xué)耦合模塊中的電磁快門(mén)，所述選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊與選通式近貼聚焦像增強(qiáng)器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖像記錄裝置，其特征為所述前端光學(xué)耦合模塊包括主物鏡、分劃板、電磁快門(mén)和前中繼物鏡，所述選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊與電磁快門(mén)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖像記錄裝置，其特征為所述選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊采用互補(bǔ)MOSFET輸出及其驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)，所述電路包括低壓脈沖高低電平檢測(cè)及振蕩電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)脈沖整形和驅(qū)動(dòng)加速電路、一對(duì)P溝道場(chǎng)效應(yīng)管和N溝道場(chǎng)效應(yīng)管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖像記錄裝置，其特征為所述選通時(shí)序觸發(fā)和控制模塊的電路結(jié)構(gòu)包括通訊接口模塊、延時(shí)計(jì)數(shù)器、高頻時(shí)鐘模塊、時(shí)鐘計(jì)數(shù)器、CCD積分時(shí)間計(jì)數(shù)及判別模塊、多個(gè)比較器以及脈沖合成模塊。
【文檔編號(hào)】H04N5/232GK203492110SQ201320590480
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】溫偉峰, 熊學(xué)仕, 何徽, 陶世興, 李澤仁, 彭其先, 田建華, 吳廷烈, 趙新才, 劉寧文 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所