CN111536868B - 一种压缩超快的成像型任意反射面速度干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压缩超快的成像型任意反射面速度干涉仪，本发明由光源与目标靶系统、标准具干涉系统、压缩超快成像系统、时序控制系统及数据处理系统构成；本发明采用压缩超快成像系统替代传统成像型任意反射面速度干涉仪中的成像装置，在成像过程中引入压缩超快成像技术（Compressed Ultrafast Photography,CUP），通过CUP‑VISAR二维超快动态像成像，通过单次测量可以重构出多帧图像，即二维空间和一维时间的三维成像，还原二维干涉条纹图像完整的动态过程，有效地获取冲击波时空演化信息，本发明对成像型任意反射面速度干涉仪的成像性能有维度上的提升，达到以前不能达到的目标。
Description
技术领域
本发明涉及光学记录速度干涉仪技术领域，尤其是一种压缩超快的成像型任意反射面速度干涉仪。
背景技术
在激光惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion, ICF）研究中，对冲击波速度进行诊断的技术主要包括被动式冲击波诊断技术以及主动式冲击波诊断技术。其中，被动式冲击波诊断技术是对冲击波突破样品界面时产生的荧光进行探测，通过台阶靶设计，获得台阶之间的渡越平均速度，是一种简单直接但使用场合受限的诊断技术。主动式冲击波诊断技术通过主动地输入一束探针光，通过探针光在待测界面反射时携带的拍频信息，基于多普勒频移原理获得待测面的速度历程，通过冲击波速度历程既能得到样品内部的压强或温度等物态信息，又可以通过简单的积分计算，获得冲击波波阵面的位置及形状信息，因此该方式获得的信息更为丰富，且可应用于固态、液态等多种样品结构中，是冲击波调速、高压物态响应研究中重要的诊断技术。目前，成像型任意反射面速度干涉仪（VelocityInterferometer System for Any Reflector, VISAR）已经成为一种标准的主动式冲击波精密诊断技术。近年来，国内科学院所和高校都纷纷开展成像型任意反射面速度干涉仪技术方面的研究。
为了突破线成像型任意反射面速度干涉仪只能对冲击波波阵面一条线上的速度进行诊断的限制，2010 年报道了一种基于门控 CCD 进行记录的二维任意反射面速度干涉仪结构，即面成像型任意反射面速度干涉仪，该结构能够记录冲击波波阵面在某一时刻速度场的形状及细节，利用该技术可以对冲击波表面的微观扰动进行诊断，在 ICF 流体力学不稳定性以及混合效应研究中同样具有重要的潜在应用价值。但该方法仍存在一定的局限性，只能探测某一个时间点的冲击波速度场形貌，即获取单帧图像，无法对其进行实时观测，导致大量信息丢失，难以还原完整的干涉条纹动态过程，无法满足激光 ICF 的探测。
由于传统成像型任意反射面速度干涉仪受到成像装置的影响，当接受装置为面阵CCD时，单次测量时只能成一帧二维图像；或接受装置为条纹相机，单次测量时只能成多帧一维图像，但是目标靶打靶是一个瞬态变化过程，时间特别短，只能测量一次，无法重复多次测量。所以无论是获取到一帧二维图像还是多帧一维图像，因所获取的信息有限，都不能反推出激光惯性约束聚变在强激光作用下发生内爆时该瞬态过程的整个变化过程，不利于对用于打靶的强激光进行对应的脉冲整形，制约了打靶效率的提高。为此，发展二维超快动态像成像型任意反射面速度干涉仪是激光 ICF 冲击波精密诊断急需解决的关键科学技术问题，也是目前国家点火攻关计划核心关键步骤。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种压缩超快的成像型任意反射面速度干涉仪，本发明由光源与目标靶系统、标准具干涉系统、压缩超快成像系统、时序控制系统及数据处理系统构成；本发明采用压缩超快成像系统替代传统成像型任意反射面速度干涉仪中的成像装置，在成像过程中引入压缩超快成像技术（Compressed UltrafastPhotography, CUP），通过CUP-VISAR二维超快动态像成像，通过单次测量可以重构出多帧图像，即二维空间和一维时间的三维成像，还原二维干涉条纹图像完整的动态过程，有效地获取冲击波时空演化信息，本发明对成像型任意反射面速度干涉仪的成像性能有维度上的提升，达到以前不能达到的目标。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种压缩超快的成像型任意反射面速度干涉仪，其特点包括光源与目标靶系统、标准具干涉系统、压缩超快成像系统、时序控制系统及数据处理系统；
所述光源与目标靶系统由纳秒激光器、第一凸透镜、第一分束镜、第二凸透镜、第三凸透镜、石英玻璃片、目标靶及第四凸透镜构成，所述纳秒激光器、第一凸透镜及第一分束镜依次光路连接，第一分束镜将光路分为两路，其一路与第二凸透镜、第三凸透镜、石英玻璃片及目标靶依次光路连接，另一路与第四凸透镜光路连接；
所述标准具干涉系统由第二分束镜、标准具、全反射镜及第三分束镜构成，所述第二分束镜将光路分为两路，其一路与标准具光路连接，另一路与全反射镜光路连接，标准具、全反射镜分别与第三分束镜光路连接；
所述压缩超快成像系统由第五凸透镜、第四分束镜、第六凸透镜、数字微镜器件及条纹相机构成，所述第五凸透镜与第四分束镜光路连接，所述第四分束镜将光路分为两路，其一路与第六凸透镜及数字微镜器件依次光路连接，另一路与条纹相机光路连接；
所述时序控制系统由数字延时发生器构成；
所述数据处理系统由计算机构成；
所述光源与目标靶系统的第四凸透镜与标准具干涉系统的第二分束镜光路连接；
所述光源与目标靶系统的纳秒激光器与时序控制系统的数字延时发生器电连接；
所述光源与目标靶系统的目标靶与时序控制系统的数字延时发生器电连接；
所述标准具干涉系统的第三分束镜与压缩超快成像系统的第五凸透镜光路连接；
所述压缩超快成像系统的条纹相机分别与时序控制系统的数字延时发生器及数据处理系统的计算机电连接；
所述压缩超快成像系统的数字微镜器件与数据处理系统的计算机电连接。
本发明由光源与目标靶系统、标准具干涉系统、压缩超快成像系统、时序控制系统及数据处理系统构成；本发明采用压缩超快成像系统替代传统成像型任意反射面速度干涉仪中的成像装置，在成像过程中引入压缩超快成像技术（Compressed UltrafastPhotography, CUP），通过CUP-VISAR二维超快动态像成像，通过单次测量可以重构出多帧图像，即二维空间和一维时间的三维成像，还原二维干涉条纹图像完整的动态过程，有效地获取冲击波时空演化信息，本发明对成像型任意反射面速度干涉仪的成像性能有维度上的提升，达到以前不能达到的目标。
本发明的有益效果是：本发明在成像型任意反射面速度干涉仪（VelocityInterferometer System for Any Reflector, VISAR）中引入了一种压缩超快成像（Compressed Ultrafast Photography, CUP）技术作为光学探测手段，通过对二维条纹图像动态信息进行空间编码、数据压缩和算法解码，突破现有线成像型任意反射面速度干涉仪和面成像型任意反射面速度干涉仪的限制，通过单次拍摄获取二维条纹图像完整的动态信息，并且时间分辨率小于 800 飞秒、成像速度大于1.25×1012帧/秒、动态空间分辨率小于 5 微米、成像帧数大于 300 帧、测速不确定度小于 2 %，极大地提高了成像型任意反射面速度干涉仪的测量精度，为惯性约束聚变过程中的激光脉冲整形提供依据，从而提高惯性约束聚变的效率。
本发明结合压缩超快成像技术作为探测手段，通过对靶面干涉条纹图像动态信息进行空间编码，时空压缩和算法解码，利用压缩超快成像单次拍摄多帧成像的优势，还原靶面干涉条纹图像完整的动态信息，极大地提高成像型任意反射面速度干涉仪时间空间测量精度。该装置为激光惯性约束聚变冲击波精密诊断提供一种强有力的技术支撑，有望推动国家点火攻关计划的快速发展。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为目标靶的球形靶腔结构示意图；
图3为目标靶的“三明治”靶结构示意图；
图4为数字微镜器件平面结构示意图图；
图5为数字微镜器件工作原理图；
图6为条纹相机时间—空间转换示意图;
图7为压缩超快成像系统工作原理图；
图8为本发明实施例一探测得到的干涉条纹图像；
图9为由图8经计算机重构得到的多幅干涉条纹图像。
具体实施方式
参阅图1，本发明包括光源与目标靶系统100、标准具干涉系统200、压缩超快成像系统300、时序控制系统400及数据处理系统500；
所述光源与目标靶系统100由纳秒激光器1、第一凸透镜2、第一分束镜3、第二凸透镜4、第三凸透镜5、石英玻璃片6、目标靶7及第四凸透镜8构成，所述纳秒激光器1、第一凸透镜2及第一分束镜3依次光路连接，第一分束镜3将光路分为两路，其一路与第二凸透镜4、第三凸透镜5、石英玻璃片6及目标靶7依次光路连接，另一路与第四凸透镜8光路连接；
所述标准具干涉系统200由第二分束镜9、标准具10、全反射镜11及第三分束镜12构成，所述第二分束镜9将光路分为两路，其一路与标准具10光路连接，另一路与全反射镜11光路连接，标准具10、全反射镜11分别与第三分束镜12光路连接；
所述压缩超快成像系统300由第五凸透镜13、第四分束镜14、第六凸透镜15、数字微镜器件16及条纹相机17构成，所述第五凸透镜13与第四分束镜14光路连接，所述第四分束镜14将光路分为两路，其一路与第六凸透镜15及数字微镜器件16依次光路连接，另一路与条纹相机17光路连接；
所述时序控制系统400由数字延时发生器18构成；
所述数据处理系统500由计算机19构成；
所述光源与目标靶系统100的第四凸透镜8与标准具干涉系统200的第二分束镜9光路连接；
所述光源与目标靶系统100的纳秒激光器1与时序控制系统400的数字延时发生器18电连接；
所述光源与目标靶系统100的目标靶7与时序控制系统400的数字延时发生器18电连接；
所述标准具干涉系统200的第三分束镜12与压缩超快成像系统300的第五凸透镜13光路连接；
所述压缩超快成像系统300的条纹相机17分别与时序控制系统400的数字延时发生器18及数据处理系统500的计算机19电连接；
所述压缩超快成像系统300的数字微镜器件16与数据处理系统500的计算机19电连接。
本发明是这样工作的：
参阅图1，本发明由光源与目标靶系统100的纳秒激光器1产生的激光脉冲经过第一凸透镜2、第一分束镜3、第二凸透镜4、第三凸透镜5及石英玻璃片6后照射在目标靶7上经反射形成信号光。信号光再次经过石英玻璃片6、第三凸透镜5、第二凸透镜4及第一分束镜3，并由第一分束镜3反射后通过第四凸透镜8到达标准具干涉系统200的第二分束镜9，再由第二分束镜9分为两束，其中一束经过标准具10反射到第三分束镜12，另一束经全反射镜11反射到第三分束镜12的同一位置，通过干涉形成条纹信号光。条纹信号光通过压缩超快成像系统300的第五凸透镜13、第四分束镜14及第六凸透镜15后成像于数字微镜器件16，经反射形成编码信号光。编码信号光再次经过第六凸透镜15及第四分束镜14，并由第四分束镜14反射后进入条纹相机17获得探测结果，条纹相机17将探测结果传输到数据处理系统500的计算机19进行计算重构。
参阅图1，本发明光源与目标靶系统100的纳秒激光器1选用单纵模纳秒激光器，产生的激光脉冲宽度在几十纳秒量级，波长在可见光波段，单脉冲能量大于 1mJ，具备重频及外触发工作模式。
参阅图1、图2、图3，本发明光源与目标靶系统100的石英玻璃片6可以利用其带通特性很好的滤除目标靶7中各频段打靶剩余激光，降低打靶剩余激光对成像的影响。
参阅图1、图2、图3，本发明光源与目标靶系统100的目标靶7选用中国工程物理研究院激光聚变研究中心神光 III 原型装置，具有激光惯性约束聚变冲击波目标靶及驱动系统，其目标靶为“三明治”靶结构，通过激光烧蚀发生内爆产生冲击波，探针脉冲激光信号在冲击波自由面上经反射产生多普勒频移，成为携带有冲击波波阵面速度信息的信号光。
参阅图1，本发明标准具干涉系统200为不等臂的迈克尔逊干涉仪，通过拍频、干涉，将光源与目标靶系统100中目标靶7表面冲击波的波阵面速度信息转化为干涉条纹的图像变化，通过改变两臂的相对延时，可以实现不同速度区间的精密测量。
参阅图1、图4、图5，本发明压缩超快成像系统300的数字微镜器件16采用德州仪器Texas Instrument 公司生产的数字微镜器件，（如：DLP Light Crafter 4500）用于对干涉条纹图像进行空间编码，其中，数字微镜器件16的每个微镜都可以独立操作，从而有选择的反射成像于数字微镜器件表面上的干涉条纹不同位置的光，对干涉条纹进行空间编码。数字微镜器件16通过连接计算机19产生随机的图像编码，也可通过特定算法，例：基因遗传算法或退火算法，以获得最优编码。为了保证在条纹相机17上测量的干涉条纹图像和图像编码同时达到最大清晰度， 数字微镜器件16必须严格放置在第五凸透镜13、第四分束镜14及第六凸透镜15构成的光学成像系统的像平面上。
参阅图1、图6，本发明压缩超快成像系统300的条纹相机17通过“时间、空间”转换将三维时空信息压缩为二维空间信息，完成时空压缩，实现超快目标的探测。
参阅图1，本发明时序控制系统400的数字延时发生器18采用Stanford 公司生产的 DG645或其他同类产品，数字延时发生器18同时连接光源与目标靶系统100的纳秒激光器1、目标靶7及压缩超快成像系统300的条纹相机17，在飞秒尺度上精确控制时序，用于补偿系统固有延时和信号传输延时，使各系统在激光到达的同时开始工作，从而记录完整的待测信号。
参阅图1，本发明数据处理系统500的计算机19用于三维干涉条纹图像的计算重构以及激光惯性约束聚变冲击波速度的计算。在三维图像计算重构中采用压缩感知算法，例如：增广拉格朗日算法，而在冲击波速度计算中主要采用相位解卷积算法，例如：“洪水”算法，以保证实验测量结果的准确性和可靠性。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明，包括实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
实施例：
参阅图 1、图 8、图 9，本发明光源与目标靶系统100的纳秒激光器1产生脉冲宽度在几十纳秒量级、波长在532nm、单脉冲能量大于 1mJ的探针脉冲激光信号，探针脉冲激光信号经过第一凸透镜2聚焦后，经第一分束镜3透射，通过第二凸透镜4、第三凸透镜5、石英玻璃片6后成像于目标靶7表面，目标靶7在另一束超强激光烧蚀下吸收能量发生内爆并产生向外传播的冲击波，聚焦于其表面的脉冲激光探针信号在冲击波波阵面上被反射形成信号光，并再次通过石英玻璃片6、第三凸透镜5、第二凸透镜4后被第一分束镜3反射到第四凸透镜8。
信号光在第四凸透镜8作用下聚焦于标准具干涉系统200的第二分束镜9上，并被第二分束镜9分为两束，其中一束在由两块平板玻璃或石英板构成的标准具10中经多次反射到达第三分束镜12，另一束由全反射镜11直接反射到第三分束镜12，两束光照射在第三分束镜12的同一位置发生干涉并产生干涉条纹。
第三分束镜12表面的干涉条纹被压缩超快成像系统300的第五凸透镜13聚焦到第四分束镜14上，经透射后由第六凸透镜15成像于数字微镜器件16的表面，数字微镜器件16在数据处理系统500的计算机19控制下产生0、1各占50%的随机伯努利分布的图像编码，经过空间编码的干涉条纹再次经过第六凸透镜15聚焦于第四分束镜14上，通过第四分束镜14反射进入条纹相机17，在条纹相机17中，通过时空压缩最终获得含有三维时空信息的二维压缩图像，探测得到如图 8所示的干涉条纹图像，并传递给计算机19，完成整个探测过程。在本发明的整个探测过程中，数字延时器18同时连接纳秒激光器1、目标靶7和条纹相机17，精确控制时序，使各系统在激光到达的同时开始工作。采集到的二维压缩图像由计算机19计算重构还原出二维干涉条纹图像完整的动态过程，并经计算机重构得到如图 9所示的多幅干涉条纹图像。
参阅图2，图2为目标靶的球形靶腔结构示意图，打靶激光从不同方位同时注入到球形靶腔中，通过激光与高原子序数材料相互作用产生的X射线烧蚀目标靶。
参阅图3，图3为目标靶的“三明治”靶结构示意图，“三明治”靶结构在X射线烧蚀下其表面材料被快速加热形成等离子体, 吸收的能量向低温高密度区传输,低温高密度区的物质被加热后温度提高到数百万度, 压力升高到数百万大气压, 达到高温高密度状态,从而驱动靶丸内爆，并向外产生冲击波。所述探针脉冲激光信号在冲击波自由面上经反射发生多普勒频移，成为携带有冲击波波阵面速度信息的信号光。
参阅图4，图4为数字微镜器件平面结构示意图，所述数字微镜器件主要由大量尺寸在微米量级的铝镜对角排列组成，采用CMOS单片制造方式集成在CMOS存储器上面。
参阅图5，图5为数字微镜器件工作原理图，所述数字微镜器件的每个微镜作为单独的光开关都能够被独立控制，并在正负α角度之间转动，微镜的转动由微镜本身与下面存储单元之间电势差所产生的静电吸引来控制。当存储器单元处于“开”即“1”状态时，微镜转到+α°；当存储器单元处于“关”即“0”状态时，微镜转到- α°。成像于其表面的干涉条纹经过数字微镜器件有选择性的反射，实现信号的空间编码。
参阅图6，图6为条纹相机时间—空间转换示意图，含有时间演化信息的三维数据在条纹相机作用下转化为一幅二维图像，即把时间信息转换为空间信息，完成时空压缩。利用这种仪器可以同时获得光信号的持续时间和强度的空间分布情况，实现对超快目标的探测。
参阅图7，图7为压缩超快成像系统工作原理图，压缩超快成像系统主要由标准具干涉系统200的第三分束镜12上形成的干涉条纹作为待测物体，压缩超快成像系统300的第五凸透镜13、第四分束镜14、第六凸透镜15组成的光学镜组，以及数字微镜器件16和数据处理系统500的条纹相机17四部分构成。
其工作过程如下：标准具干涉系统200的第三分束镜12上形成的干涉条纹作为待测物体由第五凸透镜13、第四分束镜14、第六凸透镜15组成的光学镜组成像于数字微镜器件16表面，数字微镜器件16在计算机19的控制下按照一定比率的0、1随机伯努利分布反射物体各个像素处的光，实现对物体像的空间编码。经过编码的物体的像再次经过光学镜组并进入条纹相机17，完成时间—空间的转换，得到含有时空信息的被压缩的二维图像。最后通过高性能计算机19利用增广拉格朗日算法等压缩感知算法进行计算重构得到含有时间演化信息的多幅二维图像，还原物体完整的动态过程。
参阅图8，图8为本发明实施例一探测得到的干涉条纹图像。
参阅图9，图9为图 8经计算机重构得到的多幅干涉条纹图像。
总体而言，本发明一种压缩超快的成像型任意反射面速度干涉仪装置，在传统成像型任意反射面速度干涉仪中引入了一种压缩超快成像技术作为光学探测手段，通过对二维干涉条纹图像动态信息进行空间编码、数据压缩和算法解码，突破现有线成像型任意反射面速度干涉仪和面成像型任意反射面速度干涉仪的限制，通过单次拍摄获取二维条纹图像完整动态信息，极大地提高了成像型任意反射面速度干涉仪测量精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种压缩超快的成像型任意反射面速度干涉仪，其特征在于，它包括光源与目标靶系统（100）、标准具干涉系统（200）、压缩超快成像系统（300）、时序控制系统（400）及数据处理系统（500）；
所述光源与目标靶系统（100）由纳秒激光器（1）、第一凸透镜（2）、第一分束镜（3）、第二凸透镜（4）、第三凸透镜（5）、石英玻璃片（6）、目标靶（7）及第四凸透镜（8）构成，所述纳秒激光器（1）、第一凸透镜（2）及第一分束镜（3）依次光路连接，第一分束镜（3）将光路分为两路，其一路与第二凸透镜（4）、第三凸透镜（5）、石英玻璃片（6）及目标靶（7）依次光路连接，另一路与第四凸透镜（8）光路连接；
所述标准具干涉系统（200）由第二分束镜（9）、标准具（10）、全反射镜（11）及第三分束镜（12）构成，所述第二分束镜（9）将光路分为两路，其一路与标准具（10）光路连接，另一路与全反射镜（11）光路连接，标准具（10）、全反射镜（11）分别与第三分束镜（12）光路连接；
所述压缩超快成像系统（300）由第五凸透镜（13）、第四分束镜（14）、第六凸透镜（15）、数字微镜器件（16）及条纹相机（17）构成，所述第五凸透镜（13）与第四分束镜（14）光路连接，所述第四分束镜（14）将光路分为两路，其一路与第六凸透镜（15）及数字微镜器件（16）依次光路连接，另一路与条纹相机（17）光路连接；
所述时序控制系统（400）由数字延时发生器（18）构成；
所述数据处理系统（500）由计算机（19）构成；
所述光源与目标靶系统（100）的第四凸透镜（8）与标准具干涉系统（200）的第二分束镜（9）光路连接；
所述光源与目标靶系统（100）的纳秒激光器（1）与时序控制系统（400）的数字延时发生器（18）电连接；
所述光源与目标靶系统（100）的目标靶（7）与时序控制系统（400）的数字延时发生器（18）电连接；
所述标准具干涉系统（200）的第三分束镜（12）与压缩超快成像系统（300）的第五凸透镜（13）光路连接；
所述压缩超快成像系统（300）的条纹相机（17）分别与时序控制系统（400）的数字延时发生器（18）及数据处理系统（500）的计算机（19）电连接；
所述压缩超快成像系统（300）的数字微镜器件（16）与数据处理系统（500）的计算机（19）电连接。
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