CN102162974A - 多火花式极高速数字成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型多火花式极高速数字成像系统。该系统由照明单元、光学系统单元、同步控制单元和图像记录单元组成。照明单元通过电光偏转产生时序阵列点光源，多通道高分辨时间延迟同步控制单元实现光源、目标、图像传感器和图像采集卡之间的精确触发，图像记录单元采用普通商用CCD摄像头通过帧延迟读出方式获取目标的CCD电荷图像，本系统能够以百亿幅/秒的极高帧频获取8～16幅数字图像(根据点光源数目配置设计)，可广泛应用于ns和亚ns级瞬态过程的流场显示和摄影测量，如高压放电、激光支持等离子体爆轰波演变过程和Z箍缩惯性约束聚变技术的实验研究等。

Description

多火花式极高速数字成像系统及方法

技术领域

本发明涉及摄影技术，更具体地说，涉及一种新型多火花式极高速数字成像系统。

背景技术

多火花高速摄影是一种利用时序点光源阵列获得瞬态过程多幅图像的高速摄影技术，其中点光源发出的短暂闪光实现照明和曝光控制作用，而阵列点光源闪光的时序触发对瞬态过程进行时间分割，并通过合适的光学系统实现图像分幅功能。与通常的分幅高速摄影系统比较，多火花高速摄影系统无需快门，也不需要运动部件进行分幅扫描，故其结构简单，成本相对低廉，且成像质量较好，这种系统在爆轰、燃烧、撞击以及激波物理等超快现象的研究中有着广泛的应用(SPIE，Vol.4183，2001：145-152)。

多火花高速摄影技术发展至今，闪光光源已从最早的球隙火花源发展到目前普遍采用的高功率LED脉冲光源，胶片记录也已逐渐被CCD或CMOS图像传感器记录所代替(Opt.Eng.，36(7)，1997：1935-1941；半导体光电，26(2)，2005：146-150)。LED脉冲光源阵列的时序驱动和图像传感器阵列的时序记录决定了多火花高速摄影的摄影频率，由于LED器件本身及其驱动电路响应时间的限制，LED时序点光源阵列的闪光持续时间和闪光出现间隔目前均在100ns以上，因此，现有多火花高速摄影系统的最高摄影频率只能达到1千万幅/秒的水平(Rev.Sci.Instrum.，78(3)，2007：035111.1-035111.4)。

现有技术的摄影频率无法满足某些场合的应用需要，例如ns和亚ns级瞬态过程的流场显示和摄影测量。为此，需要开发一种能记录ns和亚ns级瞬态过程的极高速摄影系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中火花型高速摄影系统的摄影频率无法满足某些瞬态过程的摄影需求的问题，提供一种新型多火花式极高速数字成像系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多火花式极高速数字成像系统，包括：

照明单元，用于将脉冲激光束在单个脉冲持续时间内分解为依次通过多个光输出口输出朝向目标的多个时序闪光；

光学系统单元，用于在每个闪光持续期间将实时目标状态成像；

图像记录单元，用于记录并读取所述每个闪光持续期间的目标状态的图像；及

同步控制单元，用于提供多通道的可编程的延迟输出脉冲，以对所述照明单元、所述图像记录单元及目标之间的精密触发进行同步控制。

在本发明所述的多火花式极高速数字成像系统中，所述照明单元包括：激光器、分束镜、光学延迟线、准直系统、电光偏转器、PIN快速光电管、光导装置及高压电脉冲发生器；其中：

所述分束镜设置在所述激光器输出端，用于将来自所述激光器的脉冲激光束分成两路：第一路脉冲激光束经由所述光学延迟线和准直系统到达所述电光偏转器，第二路脉冲激光束经由所述PIN快速光电管转换为电脉冲传送至高压电脉冲发生器，所述高压电脉冲发生器与所述电光偏转器相连；

所述电光偏转器受控于所述高压电脉冲发生器产生的高压电脉冲，用于将从所述准直系统接收到的第一路脉冲激光束在单个脉冲持续时间内转换成直线轨迹的时序扫描光束；

所述光导装置用于将所述直线轨迹的时序扫描光束转换为环状轨迹的时序扫描光束，并通过所述多个光输出口输出，从而产生所述多个时序闪光。

在本发明所述的多火花式极高速数字成像系统中，所述脉冲激光束为调Q脉冲激光束，所述光输出口的数量为4至20个，所述多个时序闪光之间的间隔为ns级或亚ns级。

在本发明所述的多火花式极高速数字成像系统中，所述电光偏转器包括LiNbO₃电光晶体。

在本发明所述的多火花式极高速数字成像系统中，所述图像记录单元包括与所述多个光输出口的数量相对应的多个CCD摄像头及与所述多个CCD摄像头相连的图像采集卡；所述多个CCD摄像头呈环状分布，其镜头对准环心。

在本发明所述的多火花式极高速数字成像系统中，

所述光学系统单元包括

第一场镜，其前焦面与所述多个光输出口共面；

第二场镜，其前焦面与所述第一场镜的后焦面共面，所述目标位于所述第一场镜和第二场镜的共焦面上，

多面锥镜，其位于呈环状分布的多个CCD摄像头的环心处，用于对所述环状布置的多个点光源发出的所述多个时序闪光进行成像光线路由，以成像在对应摄像头的CCD靶面上。

在本发明所述的多火花式极高速数字成像系统中，所述同步控制单元包括：

模拟延迟模块，用于对延迟输出脉冲的延迟量低位部分进行控制；及

数字延迟模块，用于对延迟输出脉冲的延迟量高位部分进行控制。

在本发明所述的多火花式极高速数字成像系统中，所述图像采集卡包括E个采集通道，通过F-1个扩展接口与所述多个CCD摄像头相连，从而将所述多个CCD摄像头分为F个组，并依次对每一组CCD摄像头的图像进行并行采集，其中，2≤E≤4、F≥2，所述CCD摄像头的数量最多为E×F个。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种多火花式极高速数字成像方法，包括：

提供多通道的可编程延迟输出脉冲，以同步控制如下步骤：

产生脉冲激光束，并在单个脉冲持续时间内依次通过多个光输出口输出朝向目标的多个时序闪光；

在每个闪光持续期间将此时的目标状态成像；及

记录并读取所述每个闪光持续期间的目标状态的图像。

在本发明所述的多火花式极高速数字成像方法中，所述脉冲激光束为调Q脉冲激光束，所述多个时序闪光之间的间隔为ns级或亚ns级。

实施本发明的多火花式极高速数字成像系统，能够使摄影频率高达百亿幅/秒，比现有多火花高速摄影系统的摄影频率提高三个量级。这种系统用于ns和亚ns级瞬态物理现象的实验研究，如用于显示流场、冲击波阵面在透明介质中的传播，观察高压力下自由表面的微物质喷射、界面上的波系状况、界面不稳定性、高压下火花放电等弱冲击波的发展，以及激光飞片、Z爆磁箍缩过程中等离子体聚爆、滞止和飞散演变过程的可视化。

附图说明

图1是本发明多火花式极高速数字成像系统的组成框图；

图2是根据本发明一实施例的多火花式极高速数字成像系统的示意图；

图3是根据本发明一实施例的多火花式极高速数字成像系统的同步控制时序图；

图4A是根据本发明一实施例的多火花式极高速数字成像系统中照明单元的原理结构示意图；

图4B是根据本发明一实施例的多火花式极高速数字成像系统的照明单元中导光组件的立体结构示意图；

图4C是图4B所示导光组件中输入端的结构示意图；

图4D是图4B所示导光组件中输出端的结构示意图；

图5是根据本发明一实施例的多火花式极高速数字成像系统中的光学系统的示意图；

图6是根据本发明一实施例的多火花式极高速数字成像系统中的同步控制单元的示意图；

图7是根据本发明一实施例的多火花式极高速数字成像系统中帧延迟读出方式的示意图；

图8是根据本发明一实施例的多火花式极高速数字成像系统中的图像记录单元的示意图。

具体实施方式

图1为本新型多火花式极高速数字成像系统的组成框图，包括照明单元100、光学系统单元300、同步控制单元500和图像记录单元400四个部分。其中，图像记录单元400连接于计算机600，目标200放置在照明单元与光学系统之间。系统的工作原理如下：照明单元100产生ns或亚ns级间隔(取决于其中电光偏转器的驱动脉冲前沿时间)时序闪光，依次对目标200进行照明，光学系统300在每个闪光持续期间将此时的目标状态成像到图像记录单元400的对应CCD图像传感器光敏面上，每个CCD摄像头记录一幅不同时刻的瞬间图像，然后再通过图像采集卡以帧延迟读出方式输出到计算机600中保存，系统中照明光源、目标、各CCD摄像头和图像采集卡之间的精密触发同步通过专门设计的同步控制单元500实现。

本发明作为一种多火花极高速数字成像系统，能够以百亿幅/秒的摄影频率获取亚ns级瞬态过程的多幅数字图像，适用于高压放电、激光飞片以及Z爆磁箍缩等极快过程的实验研究。与通常的分幅超高速摄影相机比较，本系统结构简单，成本相对较低；与其他多火花式超高速摄影相机比较，本系统的时间分辨率可达亚ns，摄影频率提高了三个量级；与采用门控像增强管的ns分幅数字相机比较，本系统为光-电转换成像，比像增强管相机的光-电-光-电转换成像具有更高空间分辨率的图像质量。

以获取8幅图像为例，本系统技术方案的实施方式如图2所示，其中激光器10产生的脉冲激光由分束镜101分为两路：一路经过光学延迟线103(用于光信号传输和电信号传输的速度匹配)及准直系统105输入电光偏转器21，另一路由PIN快速光电管107转换为电脉冲，用来触发高压电脉冲发生器22产生ns级前沿高压脉冲，使通过电光偏转器21的脉冲激光偏转，得到直线轨迹的时序扫描光束，再利用光导装置30(在本例子中，其包含8根光纤传光束)将扫描光束由直线轨迹变为圆形轨迹，从而形成时序环状阵列点光源对目标依时照明；二个场镜301、302和一个8面锥镜305构成的光学系统将被时序环状点光源照明的不同时刻目标成像光束分别投射到成圆形排列的8个CCD摄像头401上，使各CCD摄像头的光敏面依次曝光，最后通过图像采集卡405将CCD曝光积分图像读入计算机600中存储。

在上述过程中，时序点光源、目标、图像传感器和图像采集卡之间协同动作，同步控制时序如图3所示：由计算机600控制软件发出启动命令使图像采集卡的数字I/O线产生一个同步控制单元触发脉冲P0，触发同步控制单元工作(该单元具有4路可编程延时输出，延迟分辨率为250ps)，同步控制单元500的一路延迟输出P3触发图像采集卡，采集卡接收到此信号后向8个CCD摄像头同时发出外触发曝光信号Pe，各CCD的光敏面同时处于曝光等待状态；同步控制单元的另一路延迟输出P1触发激光器出光，发出的脉冲激光通过电光偏转和光导装置形成亚ns时序点光源照明目标；同步控制单元还有一路延迟输出P2用于触发目标，同步控制单元的各路输出脉冲延迟参数可根据现场情况调节；在各CCD摄像头同时结束曝光后，图像采集卡向CCD摄像头二次分时发出读出脉冲(外触发采集信号Pc)，每次并行读出4个CCD电荷图像到计算机中保存。虽然图6中示出了4路可编程延时输出，但在本方案中只用了同步控制单元的3路输出，其中P3输出为参考输出，所用的另2路输出(P1，P2)可以P3为基准实现0到t＝(20×m+0.25×n)纳秒的任意延时输出(m，n为可编程设置参数，详见同步控制单元说明)；未用的一路输出备用。

以下为系统各组成单元的实施方案：

(1)照明单元

根据电光效应，在施加于某些晶体上的电压梯度变化将导致沿规定方向的材料折射率发生相应的梯度变化，从而使通过晶体的光线偏转扫描。多数电光晶体材料(如LiNbO₃，AlGaAs等)的电光响应时间在ns、亚ns甚至ps级，因此，只要将加于晶体上的电压脉冲前沿做的足够短，就可以使电光晶体实现偏转的时间在ns量级，在这个时间里对偏转光束取样，可使两个相邻样点发光间隔达到亚ns量级。

如图4A所示，照明单元包括脉冲激光器10、电光偏转器20和光导装置30。其中，脉冲激光器10用于提供高强、超短脉冲。为了获得超短脉宽(如数十纳秒)的激光输出，目前最常用的成熟技术是调Q技术。调Q脉冲激光束的典型脉宽为数十ns范围。电光偏转器包括LiNbO₃电光晶体21，光导装置30包括石英光纤束34，光纤数目根据所需点光源数目确定。照明单元配置有高压脉冲发生器22，激光脉冲经过准直系统(图4A中未画出)后形成一束非常细的光束，通过电光晶体偏转入射到光纤束34的输入端32，输入端由多根直径为1mm的光纤直线排列，光纤束的输出端33按环状排列。在光束偏转过程中，偏转光束会依次耦合进每根光纤，因此，在照明单元输出端即可获得按照相应顺序形成的时序频闪点光源。

以下结合图4A和4B对照明单元的工作原理进行详细说明。脉冲激光器10主要用来产生脉冲激光束L，优选脉冲激光器10为调Q的脉冲激光器，如红宝石激光器或者YAG激光器等，可以采用适当的方式(如准直系统)获得超细的脉冲光束。优选电光偏转器20包括电光偏转晶体21和能产生施加在电光偏转晶体21相应部位的高压脉冲电场的高压电脉冲发生器22，这使得脉冲光束L通过电光偏转晶体21时能够产生偏转。电光偏转晶体21优选为铌酸锂晶体。通过调整高压电脉冲发生器22可使得脉冲激光束L在纳秒量级(2～10ns)的脉冲前沿进行偏转，被偏转的脉冲激光束L′在整个偏转时间内扫描光导装置30的输入端。

如图4B-4D所示，设置光导装置30包括导光组件31和固定导光组件两端的前固定盘32和后固定盘33，导光组件31由多根导光元件34组成。在本优选实施例中，导光元件34优选为光纤，光纤的直径最好设置为等于或者小于1mm；导光组件由12根光纤组成(也可以是4根、8根、16根光纤或20根等，根据所需点光源数目确定)。所有光纤的一端固定在前固定盘32上，为导光组件的输入端35；所有34的另一端固定在后固定盘32上，为导光组件的输出端36，其包含与光纤数量相等的光输出口。光纤在前固定盘32上呈线性排列，并且与脉冲光束的偏转方向重合，使得被电光偏转器偏转的脉冲光束L′能够扫描导光组件的输入端35。光纤在后固定盘33上呈集束排列，优选为圆形排列，也可以是按照其他形状紧密排列在后固定盘33上。当偏转的脉冲光束L′依次扫描前固定盘32上导光组件的各根光纤时，脉冲光束L′依次耦合进入各根光纤，这样在导光组件的输出端36就会按照对应的次序形成时序的频闪光源，使得脉冲光束L′在依次偏转过程中能够产生极高频率的频闪点光源。由于电光晶体21在高压脉冲电场的作用下实现了偏转时间控制在纳秒量级，因此脉冲光束会在这个时间内完成在导光组件输入端的扫描，在导光组件输出端的两个相邻的点光源发光的间隔就缩短至亚纳秒量级，从而大幅提高了频闪光源的频闪频率，提高火花型摄影装置的摄影频率，以实现对极速激光飞片技术和z-pinch爆磁箍缩类极高速过程的摄影记录。

虽然图4A至图4D是以12根光纤为例来图示及描述本发明中的照明单元中的光导装置30，但是根据所需点光源数目，光纤的数量也可以是4根、8根、16根、20根，或其他合适的数量。在实际实施过程中，光输出口的数量(其等于光纤的数量)取决于电光偏转器输出端至光导装置入口端的传输布局，以及单根光纤本身口径大小、入口端相邻光纤的间隔选取等多种因素；也与分幅多面锥镜的加工难易、CCD图像读出要求等有关。本发明的方案中以不超过20个为宜。

在上述实施例中，优选设置前固定盘上任意相邻两根光纤之间的间距可调，从而可以调整相邻两光纤的频闪间隔时间，使得相邻两次频闪之间的间隔时间相等或者不等，呈某种规律变化。

在本发明的多火花式极高速数字成像系统的照明单元中，通过设置产生脉冲光束的脉冲激光器、电光偏转器和光导装置，使得脉冲激光器发出的脉冲光束在单个脉冲时段内通过电光偏转器后发生偏转；而光导装置包括有多根导管元件组成的导光组件，在导光组件中，所有导光元件的一端在导光组件输入端呈线性排列并与脉冲光束的偏转方向重合，使得经电光偏转器偏转后的脉冲光束能够在单个脉冲持续时间内扫描所有导光元件的输入端；而导光组件中所有导光元件的另一端在导光组件的输出端呈集束排列。在单个脉冲时间内，脉冲光束偏转扫描导光组件中每根导光元件的输入端，使得脉冲光束在单个脉冲时间内能够依次按时序导入至每根导光元件中，并从导光元件的另一端输出；这使得在导光组件的输出端的导光元件依次发出光束，从而在单个脉冲持续时间内就能获得与导光元件数目相等的频闪次数，从而获得极高频率频闪点光源。产生脉冲光束的脉冲激光器，如调Q激光器(红宝石激光器或者YAG激光器)输出的光脉冲脉宽可达几十纳秒，可单脉冲输出，也可设计成双脉冲输出。

更进一步地，可设置所述电光偏转器包括电光偏转晶体和在电光偏转晶体相应部位产生高压脉冲前沿电场的高压脉冲发生器。当激光脉冲光束射入到电光偏转晶体时，高压脉冲前沿的电场使得脉冲光束发生偏转。提高高压脉冲的峰值或缩短高压脉冲的前沿时间，可以进一步提高电光晶体的偏转激光脉冲光束的速度；另外，还可设置偏转后的激光脉冲光束再次通过电光偏转晶体或者设置激光脉冲光束相继通过两个电并联的相同电光偏转晶体，可使得偏转激光脉冲光束的偏转速度可提高一倍。偏转激光脉冲光束的偏转速度的提高能够进一步提高频闪光源的频闪频率。相对于现有技术而言，发生器的频闪频率可达到10¹⁰Hz。

和现有技术中的火花型摄影装置中的频闪光源(主要依靠电路对LED进行控制实现时序曝光)相比，本发明所述的照明单元结构简单，性能稳定，光源亮度高，频闪速度提高了3个量级(其极限过程时间为电光效应的弛豫时间)，是多火花相机理想的光源。能够实现每秒百亿幅摄影频率10～20幅高空间带宽积画幅的摄影记录，为研究极端物理条件下科学实验提供技术保证。目前需要这一发明的科学研究集中在Z-pinch爆磁-箍缩和极高速激光飞片技术等研究领域，它们分别能达到太帕(TPa)级等熵压力峰值和50～100公里/秒的极端物理条件。

本照明单元已单独申请中国发明专利，申请号为：CN200910109025.4。

(2)光学系统单元

光学系统的实施如图5所示，光学系统采用柯拉照明布局：位于第一场镜301前焦面上的点光源(即光纤的光输出口)通过第一场镜301发出准直光照明目标，点光源经第二场镜302成像在多面锥镜的对应镜面附近；位于二个场镜中间共焦面处的目标200，经第二场镜302、多面锥镜305和摄像镜头401成像在摄像头401的CCD靶面上；多面锥镜305负责对不同时刻、不同空间位置点光源的闪光进行成像光线路由，这种布局能够使系统获得目标均匀照明的最大视场。图中402为摄像镜头，403为镜架。

(3)同步控制单元

如图6所示，同步控制单元500包括现场可编程门阵列(FPGA)，其中包括与AVALON总线510相连的数字延迟模块520、32位CPU(Nios II)540、模拟延迟器件接口532、Flash接口552和LCD接口562。通过这些接口，模拟延迟模块530(其包括4个模拟延迟器件)、固件程序存储器550和LCD显示器560连接于AVALON总线510。

同步控制单元的主要功能是提供多通道的可编程延迟输出脉冲，图6给出了其具体实施方案：考虑到其他宽时域范围内精确触发控制的需要，采用数/模混合技术实现大延迟范围和高延迟分辨率指标，即通过数字延迟部分(计数器)完成延迟量高位部分控制、由模拟延迟部分完成延迟量低位部分控制。最大延时长度取决于计数器的模，最小延时长度(延迟分辨率)取决于模拟延迟器件的延时步长，如使用0.25ns延时步长的ASIC模拟延迟器件DS1023-25、计数器工作频率为50MHz时，延迟时间t可以通过m和n来任意选择如下：t＝20×m+0.25×n(ns)，其中m为计数器的可编程设置参数(计数器字长16位时，m范围为0～65535)，n为DS1023-25器件的可编程设置参数(0～255)。

同步控制单元的固件程序烧录在Flash存储器中，据此可在LCD显示器上通过用户菜单设置各通道的延迟时间；数字延迟部分、模拟延迟器件接口、Flash接口以及LCD接口均在基于单芯片FPGA的Nios II嵌入式系统中实现。

(4)图像记录单元

与CMOS图像传感器相比，CCD图像传感器的优势在于更高的光灵敏度、更大的动态范围和更低的图像噪声，因此更适合本系统应用场合。由于目标过程的特征时间在ns量级甚至更短，目前还没有任何手段能够以相应的速度将多图像传感器芯片记录的图像实时读出，只能实时记录，然后再通过驱动读出电路将芯片内的图像信号输出。现有文献报道的驱动读出电路多数为专门定制，无法借用。如图5所示，8个摄像头401呈环状分布，其镜头对准环心。在本实施例中采用了多面锥镜分幅，故摄像头为环状轨迹。另外，也可以是二维方阵等轨迹形状，这取决于应用需求及相应的分幅光学系统结构。

本图像记录单元采用多个普通商用CCD摄像头记录目标分幅图像，并利用摄像头的帧延迟读出方式分时曝光目标、读出图像。在图7所示的帧延迟读出方式中，图像采集卡发出的可编程外触发曝光脉冲通过摄像头的外部触发信号线接入，时序点光源脉冲闪光落在外触发曝光脉冲的上升沿(允许曝光)和下降沿(关闭曝光)之间进行光生电荷积分；关闭曝光后，图像采集卡再发出外触发采集脉冲，该信号通过摄像头的外部垂直同步信号线接入，驱动摄像头内部电路以标准帧频时间40ms读出图像。由于每个摄像头CCD图像读出时间需要40ms，且需通过软件控制依次切换各摄像头的图像读出，考虑到软件控制的时间开销，完成8～16个相机的图像读出过程，其持续时间可能在秒级。为了抑制CCD暗电流噪声在可接受的水平，曝光后应尽快读出保存在CCD像敏单元势阱中的光电荷信号，这对于确保图像质量十分重要。

图8给出了基于以上考虑的图像记录单元实施方案：选用一块PCI接口商用4通道并行图像采集卡405，该采集卡通过扩展接口407可以最多接入16个CCD摄像头401，其中采集卡上的4个视频A/D转换模块406同时对1组4个CCD摄像头图像进行并行采集，1组图像读出后再对2组4个摄像头图像同时采集，然后分时再读出3组、4组摄像头图像。在16个图像采集需求下，本图像记录单元可以使整个CCD图像序列的读出时间控制在200ms以内。各CCD摄像头的外触发曝光信号和外触发采集信号可以通过该图像采集卡的数字I/O线(图8中未画出)编程产生。

虽然本发明是以8或16幅图像为例进行说明，但本发明并不限于此。还可以包括其他数量的图像及与其相等数量的光纤及CCD摄像头。相应地，可以采用E个采集通道的图像采集卡，通过F-1个扩展接口与多个摄像头相连，从而将多个CCD摄像头分为F组，并依次对每一组摄像头的图像进行并行采集。CCD摄像头的数量最多可以为E×F个，其中，2≤E≤4、F≥2。目前市面上可供的商用图像采集卡最多为4个并行采集通道，这主要是受当前PC机总线传输带宽的限制，故E≤4；对不同扩展接口接入的CCD摄像头输出图像是分时采集的，故技术上实现数个至数十个扩展接口很容易。不过市面上通过扩展接口接入数十个摄像头的图像采集卡很少见，且本方案中因图像读出的特殊要求，过多的扩展接口即不适宜也无必要。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种多火花式极高速数字成像系统，其特征在于，包括：

照明单元，用于将脉冲激光束在单个脉冲持续时间内分解为依次通过多个光输出口输出朝向目标的多个时序闪光；

光学系统单元，用于在每个闪光持续期间将实时目标状态成像；

图像记录单元，用于记录并读取所述每个闪光持续期间的目标状态的图像；及

同步控制单元，用于提供多通道的可编程的延迟输出脉冲，以对所述照明单元、所述图像记录单元及目标之间的精密触发进行同步控制。

2.根据权利要求1所述的多火花式极高速数字成像系统，其特征在于，所述照明单元包括：激光器、分束镜、光学延迟线、准直系统、电光偏转器、光导装置、PIN快速光电管及高压电脉冲发生器；其中：

所述分束镜设置在所述激光器输出端，用于将来自所述激光器的脉冲激光束分成两路：第一路脉冲激光束经由所述光学延迟线和准直系统到达所述电光偏转器，第二路脉冲激光束经由所述PIN快速光电管转换为电脉冲传送至高压电脉冲发生器，所述高压电脉冲发生器与所述电光偏转器相连；

所述电光偏转器受控于所述高压电脉冲发生器产生的高压电脉冲，用于将从所述准直系统接收到的第一路脉冲激光束在单个脉冲持续时间内转换成直线轨迹的时序扫描光束；

所述光导装置用于将所述直线轨迹的时序扫描光束转换为环状轨迹的时序扫描光束，并通过所述多个光输出口输出，从而产生所述多个时序闪光。

3.根据权利要求2所述的多火花式极高速数字成像系统，其特征在于，所述脉冲激光束为调Q脉冲激光束，所述光输出口的数量为4至20个，所述多个时序闪光之间的间隔为ns级或亚ns级。

4.根据权利要求3所述的多火花式极高速数字成像系统，其特征在于，所述电光偏转器包括LiNbO₃电光晶体。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的多火花式极高速数字成像系统，其特征在于，所述图像记录单元包括与所述多个光输出口的数量相对应的多个CCD摄像头及与所述多个CCD摄像头相连的图像采集卡；所述多个CCD摄像头呈环状分布，其镜头对准环心。

6.根据权利要求5所述的多火花式极高速数字成像系统，其特征在于，

所述光学系统单元包括

第一场镜，其前焦面与所述多个光输出口共面；

第二场镜，其前焦面与所述第一场镜的后焦面共面，所述目标位于所述第一场镜和第二场镜的共焦面上，

多面锥镜，其位于呈环状分布的多个CCD摄像头的环心处，用于对所述环状布置的多个点光源发出的所述多个时序闪光进行成像光线路由，以成像在对应摄像头的CCD靶面上。

7.根据权利要求5所述的多火花式极高速数字成像系统，其特征在于，所述同步控制单元包括：

模拟延迟模块，用于对延迟输出脉冲的延迟量低位部分进行控制；及

数字延迟模块，用于对延迟输出脉冲的延迟量高位部分进行控制。

8.根据权利要求5所述的多火花式极高速数字成像系统，其特征在于，所述图像采集卡包括E个采集通道，通过F-1个扩展接口与所述多个CCD摄像头相连，从而将所述多个CCD摄像头分为F个组，并依次对每一组CCD摄像头的图像进行并行采集，其中，2≤E≤4、F≥2，所述CCD摄像头的数量最多为E×F个。

9.一种多火花式极高速数字成像方法，其特征在于，包括：

提供多通道的可编程延迟输出脉冲，以同步控制如下步骤：

产生脉冲激光束，并在单个脉冲持续时间内依次通过多个光输出口输出朝向目标的多个时序闪光；

在每个闪光持续期间将此时的目标状态成像；及

记录并读取所述每个闪光持续期间的目标状态的图像。

10.根据权利要求9所述的多火花式极高速数字成像方法，其特征在于，所述脉冲激光束为调Q脉冲激光束，所述多个时序闪光之间的间隔为ns级或亚ns级。

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