CN113686312A - 一种超高速连续采样的条纹相机成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高速连续采样的条纹相机成像方法及系统，主要解决了条纹相机读取信息效率低且不能连续采样的技术难题。该成像方法为：数字延迟器触发条纹相机使其工作，目标信号进入条纹相机被转换成电信号；不同时刻的电信号被附加高频扫描信号的扫描偏转板偏转；被偏转的电信号依次到达线阵CCD，同时数字延迟器触发线阵CCD采集第一行数据，经过Δt后触发线阵CCD采集第二行数据，依此类推，直至一个时间窗口的CCD阵列数据采集结束；依此采集所有时间窗口的CCD阵列数据；最终通过计算机终端将采集的所有数据拼接，实现跨时间窗口连续信号的重建，最终通过显示单元展示目标图像。

Description

一种超高速连续采样的条纹相机成像方法及系统

技术领域

本发明涉及光电子超快诊断技术领域，尤其涉及一种超高速连续采样的条纹相机成像方法及系统。

背景技术

条纹相机是一种具有超高时间分辨的一维成像器件，其工作原理是：目标的光学图像经过光学镜头上的狭缝以后变为一维的狭缝图像，一维狭缝图像与条纹管的光电阴极相互作用后基于光电效应将光信号转换为容易被操控的电信号。电信号在传输过程中会受到扫描偏转板内线性电场的调制作用，将不同时间到达的电子信号在空间上展开，这些电子轰击荧光屏后再产生光学信号，最终采用图像采集器件将光学信号记录，它的时间分辨率可以从微秒量级(10^-6s)到飞秒量级(10^-15s)。但是受限于电子偏转扫描成像的工作原理，在超高时间分辨率的条件下条纹相机单次可连续成像的时间被限制在很窄的时间窗口内(比如100ns扫描时间下的时间分辨率通常在1ns左右)。条纹相机的这种缺点导致许多在纳秒尺度到百皮秒尺度的快速、高精密、持续时间较长的现象无法有效观察，如生物荧光寿命，含能燃料燃烧，高精度的半球谐振子频率检测等，要想获得这些现象的完整演化信息，就需要条纹相机无时间窗口约束、长时间的信息采集。

传统的条纹相机采用面阵CCD全像元读取扫描数据，但是CCD二维阵列不仅价格昂贵，而且时间分辨率仅在毫秒量级，将条纹相机可重复的扫描间隔约束在毫秒量级，且CCD二维阵列读出会造成两个时间上的消耗：

(1)二维阵列读取CCD需等待条纹信息扫满全屏才可以开始读取，而事实上每个条纹信息在时间和空间上都是独立的，不同条纹信息到达CCD上的时间和位置不同，当信息到达CCD时就可以开始独立采集，因此采用CCD全像元读取的方式没有充分利用到对无数据像元非必要读出的冗余时间；

(2)CCD的读出速度与单次读出像元的数量有很大的关系，条纹相机的实时成像信息仅为一维信息，而CCD全像元读取的方式会明显加剧电路信息读出的复杂度。例如：线阵CCD的读出速度可以达到10MHz,而普通面阵CCD的读出速度仅为KHz量级，造成4个时间量级的读出时间消耗。

综上所述，传统的条纹相机采用二维阵列CCD读出的线条纹数据的方式存在读出方式时间冗余问题，以及读出电路复杂度高的弊端，无法实现不同时间窗口信息的连续衔接。

发明内容

本发明提供了一种超高速连续采样的条纹相机成像方法及系统，从而解决条纹相机读取信息效率较低且不能连续采样的技术难题。

针对以上技术问题，本发明提供了一种超高速连续采样的条纹相机成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤一：数字延迟器t0时刻触发条纹相机工作，目标光信号进入条纹相机被转化为电信号；

步骤二：所述电信号按时间序列被划分为多个时间窗口，以t＝1/(f×Δt)作为一个时间窗口，在该时间窗口进入条纹相机阴极的电信号被附加高频扫描信号的扫描偏转板偏转；其中，所述高频扫描信号的频率f为100KHZ～2MHz；Δt为条纹相机的工作周期；

步骤三：偏转后的电信号依次到达线阵CCD，形成1/(f×Δt)行CCD阵列数据；

步骤四：数字延迟器在t0时刻触发线阵CCD采集第一行数据，再经过Δt后数字延迟器触发线阵CCD采集第二行数据，依此类推，直至一个时间窗口CCD阵列数据采集结束；

步骤五：重复步骤二至步骤四，直至所有时间窗口的CCD阵列数据采集结束；

步骤六：拼接所有时间窗口的CCD阵列数据，实现跨时间窗口连续信号的重建，最终通过显示单元展示目标图像。

为实现条纹相机的超高速采样能力，步骤二中，每次扫描对应的时间窗口t为10us～500ns，条纹相机的工作周期Δt为20us～500ns。

为了确保条纹相机的连续采样，步骤四中，线阵CCD的采集频率为100KHZ～2MHz。

此外，本发明还提供一种超高速连续采样的条纹相机成像系统，其特殊之处在于：包括数字延迟器、条纹相机及计算机终端；

所述数字延迟器触发条纹相机，使其处于工作状态；

所述条纹相机包括依次设置的狭缝、扫描偏转板及线阵CCD；所述扫描偏转板附加频率f为100KHZ～2MHz的高频扫描信号；目标光信号经条纹相机阴极转换为电信号，电信号通过狭缝进入条纹相机内部，经扫描偏转板偏转后，被线阵CCD采集；

所述计算机终端用于将采集的电信号进行重建并展示。

为了提高信息的传输及采集效率，所述狭缝的大小为10um。

本发明的有益效果如下：

1、本发明在高重频扫描电路的基础上提出采用CCD阵列逐行读取的方式，不仅不会影响到条纹信息的精准采集，而且单次极少量的一维像元阵列读出，可以大幅的提升CCD对信息的采集速率。

2、本发明通过线阵CCD不同时间序列读出的方式，避免了读出时间冗余问题。

3、本发明提出采用高频扫描电路结合基于线阵读出的CCD器件以及阵列不同时间序列读出的方式，满足条纹相机跨时间窗口连续信号实时采集的性能需求，实现不同连续信号在不同时间窗口内的有效衔接，以及长持续信号的连续采集。

4、本发明可以实现条纹相机在纳秒及百皮秒时间分辨下获取长持续时间信号的完整演化过程。

附图说明

图1为本发明一种超高速连续采样的条纹相机成像系统的示意图。

图2为本发明一种超高速连续采样的条纹相机成像方法中线读取CCD过程的示意图。

图中：

1-数字延迟器，2-狭缝；3-扫描偏转板；4-线阵CCD；5-计算机终端。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种超高速连续采样的条纹相机成像方法及系统作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚，需要说明的是：附图采用简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

结合图1和图2对本发明的一种超高速连续采样的条纹相机成像方法进行描述，具体方法为：

步骤1：数字延迟器1触发条纹相机工作，目标光信号通过条纹相机的狭缝2进入条纹相机内部，光信号被转换成电信号。

步骤2：电信号按时间序列被划分为多个时间窗口,不同时间窗口的电信号被附加高频扫描信号(s1/s2/s3…)的偏转板3偏转到不同的空间位置,其中s1/s2/s3分别表示不同时间窗口内的扫描电压。以t＝1/(f×Δt)作为一个时间窗口，在该时间窗口进入条纹相机阴极的电信号被附加高频扫描信号的扫描偏转板3偏转；其中，f为高频扫描信号的频率，其扫描频率在100KHZ～2MHz之间可使得条纹相机实现高速采样，Δt为条纹相机的工作周期，当Δt为20us～500ns时，可实现连续的超高速采样效率。

步骤3：上述被偏转的电信号依次在不同时刻以及空间位置到达线阵CCD 4，形成1/(f×Δt)行CCD阵列数据。

步骤4：数字延迟器在t0时刻触发线阵CCD4采集第一行数据，线阵CCD 4的采集频率为100KHZ～2MHz；再经过Δt后数字延迟器触发线阵CCD 4采集第二行数据(如图2所示)，依此类推，直至一个时间窗口CCD阵列数据采集结束。

步骤5：重复步骤2至步骤4，直至所有时间窗口的CCD阵列数据采集结束,图1中，t1/t2/t3…表示为不同时间窗口内采集的CCD阵列数据。

步骤6：拼接所有时间窗口的CCD阵列数据，实现跨时间窗口连续信号的重建，最终通过条纹相机的显示单元展示目标图像。

结合图1，本发明提供了一种超高速连续采样的条纹相机成像系统，包括数字延迟器1、条纹相机及计算机终端5。数字延迟器1发送信号给条纹相机，使目标光信号进入条纹相机前，其处于工作状态。条纹相机包括狭缝2、扫描偏转板3和线阵CCD 4；目标光信号经条纹相机阴极转换为电信号，电信号通过狭缝2进入条纹相机内部，经扫描偏转板3偏转后，被线阵CCD 4采集；为保证电信号可快速通过，狭缝2的大小为10um；扫描偏转板3附加了频率为100KHZ～2MHz的高频扫描信号，实现超高速的信号采集效率；线阵CCD 4可实现信号的及时传递，缩短了信息的读取过程，避免信息读出过程时间冗余等问题。计算机终端5用于将采集的电信号进行重建并展示。

Claims (5)

1.一种超高速连续采样的条纹相机成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：数字延迟器t0时刻触发条纹相机工作，目标光信号进入条纹相机被转化为电信号；

步骤二：所述电信号按时间序列被划分为多个时间窗口，以t＝1/(f×Δt)作为一个时间窗口，在该时间窗口进入条纹相机阴极的电信号被附加高频扫描信号的扫描偏转板偏转；其中，f为高频扫描信号的频率，f取值为100KHZ～2MHz；Δt为条纹相机的工作周期；

步骤三：偏转后的电信号依次到达线阵CCD，形成1/(f×Δt)行CCD阵列数据；

步骤四：数字延迟器在t0时刻同时触发线阵CCD采集第一行数据，再经过Δt后数字延迟器触发线阵CCD采集第二行数据，依此类推，直至一个时间窗口的CCD阵列数据采集结束；

步骤五：重复步骤二至步骤四，直至所有时间窗口的CCD阵列数据采集结束；

步骤六：拼接所有时间窗口的CCD阵列数据，实现跨时间窗口连续信号的重建，最终通过显示单元展示目标图像。

2.根据权利要求1所述的超高速连续采样的条纹相机成像方法，其特征在于：步骤二中，每次扫描对应的时间窗口t为10us～500ns,条纹相机的工作周期Δt为20us～500ns。

3.根据权利要求1或2所述的超高速连续采样的条纹相机成像方法，其特征在于：步骤四中，线阵CCD的采集频率为100KHZ～2MHz。

4.一种超高速连续采样的条纹相机成像系统，其特征在于：包括数字延迟器(1)、条纹相机及计算机终端(5)；

所述数字延迟器(1)触发条纹相机，使其处于工作状态；

所述条纹相机包括依次设置的狭缝(2)、扫描偏转板(3)及线阵CCD(4)；所述扫描偏转板(3)附加频率f为100KHZ～2MHz的高频扫描信号；目标光信号经条纹相机阴极转换为电信号，电信号通过狭缝(2)进入条纹相机内部，经扫描偏转板(3)偏转后，被线阵CCD(4)采集；

所述计算机终端(5)用于将采集的电信号进行重建并展示。

5.根据权利要求4所述的超高速连续采样的条纹相机成像系统，其特征在于：

所述狭缝(2)的大小为10um。

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