CN203492110U - 一种高速运动过程图像记录装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高速运动过程图像记录装置，包括前端光学耦合模块、选通式近贴聚焦像增强器、选通时序触发和控制模块、选通高压脉冲产生模块、后端光学耦合模块、CCD图像记录模块及主控计算机；被测高速运动目标通过前端光学耦合模块成像到选通式近贴聚焦像增强器的光阴极上，光阴极上的图像由选通高压脉冲产生模块控制在近贴聚焦像增强器的荧光屏上形成高速运动目标的序列分幅图像，该分幅图像再经后端光学耦合模块耦合到CCD图像记录模块输出数字图像，完成一次被摄目标运动过程的分幅记录；本方案能够为冲击波与爆轰物理测试、常规武器弹丸的弹道分析、材料微喷和界面不稳定性、高速飞行物体的轨迹记录等超快过程的研究提供高质量的数字化图像。

Description

一种高速运动过程图像记录装置

技术领域

本实用新型属于高速摄影装置及技术领域，涉及一种能够在一幅图像中完整呈现运动物体运动过程的高速光电分幅成像装置，具体的说就是利用脉冲个数、脉冲宽度和脉冲时间间隔可调的序列高压脉冲串驱动单个选通式近贴聚焦像增强器光电阴极来实现对运动物体运动过程的图像记录。

背景技术

高速分幅摄影技术是研究高速运动过程的一种重要测试方法，它与一般摄影技术最根本的区别，就是它具有高的时间分辨本领，能够跟踪快速变化或运动过程的发生和发展，并记录下来。高速分幅摄影技术具有时间分辨率高（曝光时间短）、摄影频率高等优点，其拍摄的图像可直观形象地反映高速瞬变过程发展趋势，从而为研究高速运动现象的发生机理和规律提供可靠数据，具有其它测试手段不可替代的优点。

高速分幅摄影技术按成像方式可分为光学机械结构高速分幅摄影技术和高速光电分幅摄影技术。前者通常采用电动或气动控制的高速旋转反射镜成像，由于高速旋转反射镜在一定转速下工作稳定性下降甚至会发生变形，这导致进一步提高摄影频率非常困难，目前每幅图像时间分辨在亚微秒量级，摄影频率在10⁶幅/秒左右；此外，光学机械结构的高速摄影设备结构复杂、体积庞大、操作繁琐，也大大限制其应用领域。为克服光学机械结构的高速摄影技术时间分辨和摄影频率很难进一步提高的缺点，高速光电分幅摄影技术应运而生，主要包括微波传输型光电分幅摄影技术、交叉点扫描多光栏分幅成像技术、多通道光学分幅光电摄影技术。

微波传输型光电分幅摄影技术首先采用光学针孔成像方法将运动物体目标像面分成空间上分离的多个像面，在后端的近贴聚焦像增强器的微通道板上制作有微波传输线，被光学针孔成像方法分离的多个成像像面沿微波传输线分布，当一个高压脉冲沿微波传输线传输时，沿微波传输线分布的多个像面就会被该脉冲依次选通成像，从而得到运动目标像面在不同时刻的记录图像。由于此方法所得到的运动过程图像时间间隔与脉冲沿微波传输线的传输时间有关，通常在数十皮秒量级，所以该类系统无法得到纳秒以上时间间隔的分幅记录图像。

交叉点扫描多光栏分幅成像技术采用扫描管电子偏转方式实现高速分幅成像，其单幅时间分辨可以达到亚纳秒量级，但其主要缺点是时间分辨与画幅间隔相关联，无法实现独立调节，而且其全程记录时间只有数纳秒，无法满足运动过程在微秒或毫秒时间范围的多幅记录。

多通道光学分幅光电摄影技术首先采用棱镜或平面分光方式将运动物体目标像面分成多个空间上分离的像面，然后每个像面用一个选通式近贴聚焦像增强器进行高速选通成像，最后再由CCD记录。此种技术的记录画幅数由分光后像面数量和对应的选通式近贴聚焦像增强器个数决定。虽然可以实现单幅数纳秒到毫秒以上曝光时间的调节，应用领域也非常广，但该技术采用了复杂的光学分光系统将被测物体成像在不同的像增强器上，设计中不可避免因每个分光系统的不一致性所引入的成像畸变和像差，也不能在同一幅图像上显示被测物体的运动轨迹。此外，每个分离像面需要对应一个选通式近贴聚焦像增强器，势必增加系统复杂度和成本，降低了系统稳定性和可靠性。

在高速分幅成像技术中还有利用自聚焦透镜阵列分光成像、激光脉冲照明成像等方式。自聚焦透镜阵列分光成像基本原理与多通道光学分幅光电摄影相同，也是将目标像面分成多个空间上分离的像面然后利用后端CCD记录成像；激光脉冲照明成像利用脉冲激光照亮目标形成短曝光时间，然后利用CCD记录成像，该高速成像技术只能在背景环境光较暗的场所应用，而且对激光光束的光斑均匀性要求较高，否则曝光不均匀，成像质量较差。

实用新型内容

针对上述现有技术存在的不足之处，本实用新型的主要目的是提出一种结构简单，仅用一个通道光学耦合模块和一个选通式近贴聚焦像增强器，就可以实现对高速运动过程进行快速分幅图像记录的装置。由于该装置未使用多路分光系统，避免了多路成像时引入的成像畸变和像差，而且其以非常简单的结构实现对运动目标的多次成像。每次成像的曝光时间在数纳秒到毫秒以上可调，多次成像间隔也可在十纳秒到毫秒以上可调。该装置的上述特点使其特别适用于时间范围在数十纳秒到毫秒量级运动过程的图像记录。

本实用新型采用如下技术方案：一种高速运动过程图像记录装置，包括前端光学耦合模块、选通式近贴聚焦像增强器、选通时序触发和控制模块、选通高压脉冲产生模块、后端光学耦合模块、CCD图像记录模块及主控计算机，所述前端光学耦合模块的输出端与选通式近贴聚焦像增强器的输入端连接，选通式近贴聚焦像增强器输出到后端光学耦合模块并通过CCD图像记录模块输出到主控计算机；所述选通时序触发和控制模块完成与主控计算机通讯的同时，控制CCD图像记录模块、选通高压脉冲产生模块和前端光学耦合模块中的电磁快门，所述选通高压脉冲产生模块与选通式近贴聚焦像增强器连接。

在上述技术方案中，所述前端光学耦合模块包括主物镜、分划板、电磁快门和前中继物镜，所述选通时序触发和控制模块与电磁快门连接。

在上述技术方案中，所述选通高压脉冲产生模块采用互补MOSFET输出及其驱动电路结构，所述电路包括低压脉冲高低电平检测及振荡电路、MOSFET驱动器、驱动脉冲整形和驱动加速电路、一对P沟道场效应管和N沟道场效应管。

在上述技术方案中，所述选通时序触发和控制模块的电路结构包括通讯接口模块、延时计数器、高频时钟模块、时钟计数器、CCD积分时间计数及判别模块、多个比较器以及脉冲合成模块。

在上述技术方案中，所述方法包括以下步骤：

步骤一：初始化数据，通过主控计算机设定CCD图像记录模块，选通时序触发和控制模块的各项指标，并等待外触发输入信号；

步骤二：被测运动目标经前端光学耦合模块成像到选通式近贴聚焦像增强器的光阴极上，该光阴极与选通高压脉冲产生模块相连接；

步骤三：在外触发输入信号到来时，选通时序触发和控制模块控制选通高压脉冲产生模块输出序列高压脉冲，使目标物体成像到光阴极上的图像被依次序列选通，转换成电子图像；

步骤四：电子图像经施加在选通式近贴聚焦像增强器的微通道板上的高压加速后轰击在选通式近贴聚焦像增强器的荧光屏上形成与运动物体位置相关联的物体运动过程图像；

步骤五：图像经过后端光学耦合模块耦合到CCD图像记录模块并按设定时间进行积分后输出，通过以太网通讯接口将图像信息传输到主控计算机显示或处理。

在上述技术方案中，所述选通时序触发和控制模块控制选通高压脉冲产生模块输出幅值在＋60V到-180V之间交替变化的高速序列脉冲串。

在上述技术方案中，输出常态电压为＋60V，开通电压为-180V。

在上述技术方案中，所述交替变化的受控高速序列脉冲串实现选通式近贴聚焦像增强器的多次打开和关闭，将运动目标成像在选通式近贴聚焦像增强器荧光屏的不同位置。

所述选通式近贴聚焦像增强器由可高速重复选通的光阴极、微通道板和荧光屏组成，在序列高压脉冲控制下将运动目标图像高速选通成像在其荧光屏上，该选通式近贴聚焦像增强器单次最窄选通时间可达到十纳秒，最长选通时间可达到十毫秒以上。

所述选通高压脉冲产生模块由低压脉冲整形部分、低压驱动和对称高频场效应管组成。其主要作用是产生控制选通式近贴聚焦像增强器的脉冲，具体为由5V脉冲信号控制的+60V到-180V峰峰值的高压序列脉冲。该高压序列脉冲常态输出电平为+60V，脉冲输出低电平-180V，输出最短低电平脉冲宽度10ns，最长低电平脉冲宽度10ms以上，输出序列脉冲个数、每个脉冲宽度及脉冲之间的间隔均可以由选通时序触发和控制模块设定。

所述选通时序触发和控制模块由通讯接口、延时计数器、高频时钟、时钟计数器、多路比较器、CCD积分时间计数及判别、脉冲合成几个部分组成。通讯接口完成该选通时序触发和控制模块与主控计算机的通讯，延时计数器决定序列脉冲产生的时间，高频时钟作为系统控制工作的时钟基准，时钟计数器和多路比较器决定产生序列脉冲的宽度和个数，CCD积分时间计数及判别决定后端CCD图像记录模块的积分计数时间，脉冲合成主要用来将多个比较器输出的脉冲合成一路输出。其中，高频时钟可以通过FPGA内部锁相环提高至200MHz甚至更高，其余延时计数器、时钟计数器和多路比较器等部分也均可以在一片FPGA内实现。

所述CCD图像记录模块具有外触发控制功能，确保CCD在选通高压脉冲产生模块输出序列脉冲前开始对选通式近贴聚焦像增强器的荧光屏图像进行积分记录，积分记录时间长度由选通时序触发和控制模块根据生成最后一个序列脉冲的上升沿时间决定。

实施本实用新型的有益效果是：第一，采用单路结构简单的光学耦合模块，克服了多通道光学分幅系统采用多路光学耦合模块引入的成像畸变和像差，而且使整个记录装置体积大大缩小，方便携带和使用；第二，采用高速选通式近贴聚焦像增强器进行分幅成像，单幅曝光时间非常短，最短可达10ns，有效抑制拍摄过程中的图像动态模糊；第三，曝光时间根据需要大范围可调，单幅最短门控时间10ns，最长门控时间10ms以上，满足不同记录时间高速运动过程的拍摄需求；第四，只用一个选通式近贴聚焦像增强器和一个CCD实现对运动目标的多次分幅成像，每次成像曝光时间由对应脉冲宽度控制，曝光时间间隔由脉冲间隔控制，分幅成像次数由序列脉冲个数决定，控制方便；第五，只用一个选通式近贴聚焦像增强器，避免使用多个选通式近贴聚焦像增强器时输出图像亮度不均匀；第六，采用CCD图像采集输出方式，将运动物体的运动过程完整的记录在一幅图像上，使操作者能够直观、方便的分析运动特性并直接进行后续数字图像处理，提高实验效率；第七，系统选通时序触发和控制模块采用一片FPGA逻辑器件设计实现，结构简单，集成度高，时序控制精度可达到5ns，而且可以同时实现对选通高压脉冲、CCD图像记录模块的启动和停止时间等同步控制。

本实用新型所涉及的装置在超高速运动过程测试领域具有广阔的应用前景，完全能够为冲击波与爆轰物理测试、常规武器弹丸的弹道分析、材料微喷和界面不稳定性、高速飞行物体的轨迹记录等超快过程的研究提供高质量的数字化图像。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本实用新型的装置结构组成框图；

图2是本实用新型分幅成像原理示意图；

图3是本实用新型中选通高压脉冲产生模块组成框图；

图4是本实用新型中高压脉冲产生模块工作时序图；

图5是本实用新型中选通时序触发和控制模块组成框图；

图6是本实用新型中选通时序触发和控制模块工作时序图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本实用新型一种结构简单的高速运动过程图像记录装置的总体组成框图如图1所示，包括前端光学耦合模块、选通式近贴聚焦像增强器、高压供电电源、选通高压脉冲产生模块、选通时序触发和控制模块、后端光学耦合模块、CCD图像记录模块及主控计算机共八个部分。其工作过程如下：被摄运动目标所在视场经前端光学耦合模块成像到选通式近贴聚焦像增强器的光阴极上，该光阴极与选通高压脉冲产生模块相连接，当选通高压脉冲产生模块输出电压为＋60V时，目标物体成像到光阴极上的图像未为被选通，只有少量杂散光轰击在选通式近贴聚焦像增强器的荧光屏形成本底噪声；当选通高压脉冲产生模块电压为-180V时，目标物体成像到光阴极上的图像被选通，该图像被光阴极转换成电子图像，经施加在选通式近贴聚焦像增强器的微通道板上的高压加速后轰击在选通式近贴聚焦像增强器的荧光屏上形成与运动物体位置相关联的图像。在上述成像过程中，通过预先设定选通时序触发和控制模块，从而控制选通高压脉冲产生模块输出幅值在＋60V到-180V之间交替变化的高速序列脉冲串，就可以实现对选通式近贴聚焦像增强器的多次打开和关闭，每次打开均会将运动目标成像在选通式近贴聚焦像增强器荧光屏的不同位置，该记录运动目标运动位置的图像经后端光学耦合模块耦合到CCD图像记录模块进行积分输出，通过以太网接口将图像信息传输到主控计算机，可在计算机显示屏上显示一幅表征运动物体运动过程的高速分幅摄影图像。

为使系统工作过程更加清晰，结合图2所示，以两次曝光分幅成像为例对其工作原理作进一步阐述。假设物体以垂直于记录系统中心光轴向上的方向运动，在t₁时刻，物体在运动目标像面上的位置为X₁，其经前端光学耦合模块成像到选通式近贴聚焦像增强器光阴极像面上对应为χ₁，这时选通时序触发和控制模块按设定好的工作时序控制选通高压脉冲产生模块输出电压为-180V的低电平短脉冲，选通式近贴聚焦像增强器光阴极在此脉冲驱动下开关一次，物体在光阴极χ₁处像面经近贴聚焦像增强器光阴极光电转换为电子，通过近贴聚焦像增强器微通道板倍增并在其荧光屏上形成χ₁'像，该像面再经后端光学耦合模块成像到CCD像面形成与目标运动物体位置相关联的像面X₁'；同样，在t₂时刻，物体在运动目标像面上的位置为X₂，选通式近贴聚焦像增强器同样在选通高压脉冲产生模块控制下再打开一次，则在后端CCD像面同样形成与目标运动物体位置相关联的像面X₂'。由于在上述过程中，后端CCD一直处于积分成像状态，所以运动目标在CCD像面处所成的像X₁'和X₂'被在一个画面中记录下来，只要根据运动物体的运动速度合理设置时间间隔，使两次记录的图像不重叠，就实现了在同一画面上对物体的两次拍摄，相当于对目标物体进行了两次分幅成像。同理，按照上述原理也可以实现多次分幅成像。

在上述成像过程中，施加在选通式近贴聚焦像增强器光阴极的序列高速高压脉冲对成像曝光时间（即时间分辨）以及时间间隔具有决定意义。该序列高速高压脉冲需要解决三个难点：一是要求此高速脉冲从正电压到负电压以及负电压到正电压的转换过程非常快，常态电压在+60V左右，开通后电压在-180V左右；二是要形成的负脉冲宽度可根据每次曝光时间从十纳秒到十毫秒宽范围调节；三是要形成的序列负脉冲间隔也可根据需要从数十纳秒到数十毫秒宽范围调节。国内关于高速亚纳秒脉冲形成的研究很多，但大部分都是利用雪崩管形成，脉冲电压通常在上千伏左右，而且脉冲宽度无法实现大范围调节，脉冲间隔时间在微秒量级。

为解决上述序列高速高压脉冲产生的问题，本实用新型在具体设计中采用图3所示的互补MOSFET（绝缘栅型场效应管）输出及其驱动电路结构，由低压脉冲高低电平检测及振荡电路、MOSFET驱动器、驱动脉冲整形和驱动加速电路、一对P沟道场效应管和N沟道场效应管组成。低压脉冲高低电平检测及振荡电路实现对输入低压控制脉冲高低电平检测，其功能如图4所示，当低压脉冲控制输入为低电平（0V）时，低压控制脉冲输出1输出振荡脉冲，低压控制脉冲输出2停止振荡并保持高电平；反之，低压脉冲控制输入为高电平（5V）时，低压控制脉冲输出1停止振荡并保持高电平，低压控制脉冲输出2输出振荡脉冲。两路互补振荡脉冲分别经过MOSFET驱动器电流放大、高压电容耦合、驱动脉冲整形和加速电路后驱动一对P沟道场效应管和N沟道场效应管交替开通、关断。具体工作时序如图4所示，低压脉冲控制输入为低电平时，P沟道MOSFET开通，N沟道MOSFET关断，最终高压脉冲输出+60V高电平；低压脉冲控制输入为高电平时，P沟道MOSFET关断，N沟道MOSFET开通，最终高压脉冲输出-180V低电平，形成由前端门控脉冲控制的高压双极性脉冲输出。同时，该高压脉冲的宽度和脉冲间隔由前端低压控制脉冲的宽度和脉冲间隔决定。

对于高速运动目标而言，要获得其运动过程中感兴趣的中间某段区域，需要对多次分幅成像曝光的起始时间、次数、曝光时间间隔等按需要进行控制；同时，还要针对不同运动过程对每次成像曝光时间宽度进行设定。本实用新型采用选通时序触发和控制模块完成上述功能。

选通时序触发和控制模块结构如图5所示，主要包括通讯接口模块、延时计数器、高频时钟模块、时钟计数器、CCD积分时间计数及判别模块、多个比较器以及脉冲合成模块七个功能部件。各功能部件均在一片XLINX公司SPANT系列型号为XC3SD1800A-4CSG484I的FPGA内部实现，大大提高图像记录装置的集成度和可靠性，而且该芯片内嵌时钟倍频和管理模块，工作时钟可以达到200MHz以上，使每次成像曝光时间和成像间隔调节精度可以达到5ns。

选通时序触发和控制模块工作过程为：首先主控计算机根据用户的参数设定将系统首次曝光延时值、各次曝光的时间、多次曝光的时间间隔和次数等信息发送至通讯接口模块；通讯接口模块根据参数设定值计算出曝光延时值对应的计数脉冲个数发送到延时计数器，根据各次曝光的时间和多次曝光的时间间隔（即序列脉冲宽度、间隔）计算出对应的计数脉冲个数发送到相应的比较器1到比较器N，根据多次总曝光时间长度计算出CCD积分时间对应的计数脉冲值并发送到CCD积分时间计数及判别模块，根据总的曝光次数转换成序列脉冲个数设定脉冲合成模块的工作状态；在通讯接口模块完成对其它各模块的设定后对延时计数器、时钟计数器、CCD积分时间计数及判别模块、脉冲合成模块进行一次清零复位，并等待外触发输入信号的到来。

为使选通时序触发和控制模块的工作过程更加明了，结合图6所示，以4次曝光分幅成像为例，对其工作过程作进一步阐述。图6中高频时钟工作频率为200MHz，为模块内各计数器的基准工作时钟。如前所述，通讯接口模块完成对其它各模块的设定和清零后，CCD控制信号和低压序列脉冲输出均为低电平（0V）。在外触发输入信号上升沿到来后，延时计数器开始工作，当计数到设定值T₁时，延时计数器输出使能信号启动时钟计数器、脉冲合成模块和CCD积分时间计数及判别模块，此时CCD积分时间计数及判别模块输出高电平，控制CCD图像记录模块开始积分记录。当时钟计数器计数值为T₂时，与比较器1设定值一致，比较器1输出一窄脉冲，脉冲合成模块捕获该窄脉冲时将低压序列脉冲的电平进行一次0V到5V的翻转；时钟计数器继续累加计数，经过T₃个时钟计数后，其值与比较器2设定值一致，比较器2输出一窄脉冲，脉冲合成模块捕获该窄脉冲时将低压序列脉冲的电平再进行一次5V到0V的翻转，形成一个宽度为T₃个计数时钟的脉冲。依次类推，当时钟计数器计数值分别为T₄、T₄+T₅、T₆、T₆+T₇、T₈、T₈+T₉时，对应的比较器均输出一窄脉冲，脉冲合成模块在每个窄脉冲处均对低压序列脉冲输出进行一次电平翻转，从而形成一个脉冲间隔分别为T₄-（T₃+T₂）、T₆-（T₅+T₄）、T₈-（T₇+T₆），脉冲宽度分别为T₃、T₅、T₇、T₉的序列脉冲串，通过调整比较器的值就可以对该序列脉冲串的脉冲宽度和脉冲间隔进行独立调整。当序列脉冲串中的脉冲个数与脉冲合成模块的设定脉冲个数相等时，脉冲合成模块停止对后续比较器输出窄脉冲的判别，保持输出低电平到下一次拍摄开始。此外，当时钟计数器计数值为T₁₀时，CCD积分时间计数及判别模块输出低电平，控制CCD图像记录模块停止积分记录，并复位脉冲合成模块，完成一次分幅图像记录过程。

本实用新型中，为使CCD图像记录模块有效记录选通式近贴聚焦像增强器荧光屏图像，需要通过时序控制使荧光屏输出图像时间落在CCD有效积分时间内，因此，需要选择具有外触发控制的CCD采集模块，而且要求CCD积分时间可以随上述选通时序触发和控制模块输出的CCD控制信号的高电平脉冲宽度调节。

此外，本实用新型在实际应用中，为保证多次曝光分幅成像质量，运动物体与背景颜色最好能够具有较高的对比度，或者配合高重频的脉冲光照射物体可大大提高图像清晰度和对比度。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。 

Claims (4)

1.一种高速运动过程图像记录装置，其特征为包括前端光学耦合模块、选通式近贴聚焦像增强器、选通时序触发和控制模块、选通高压脉冲产生模块、后端光学耦合模块、CCD图像记录模块及主控计算机，所述前端光学耦合模块的输出端与选通式近贴聚焦像增强器的输入端连接，选通式近贴聚焦像增强器输出到后端光学耦合模块并通过CCD图像记录模块输出到主控计算机；所述选通时序触发和控制模块完成与主控计算机通讯的同时，控制CCD图像记录模块、选通高压脉冲产生模块和前端光学耦合模块中的电磁快门，所述选通高压脉冲产生模块与选通式近贴聚焦像增强器连接。

2.根据权利要求1所述的一种高速运动过程图像记录装置，其特征为所述前端光学耦合模块包括主物镜、分划板、电磁快门和前中继物镜，所述选通时序触发和控制模块与电磁快门连接。

3.根据权利要求1所述的一种高速运动过程图像记录装置，其特征为所述选通高压脉冲产生模块采用互补MOSFET输出及其驱动电路结构，所述电路包括低压脉冲高低电平检测及振荡电路、MOSFET驱动器、驱动脉冲整形和驱动加速电路、一对P沟道场效应管和N沟道场效应管。

4.根据权利要求1所述的一种高速运动过程图像记录装置，其特征为所述选通时序触发和控制模块的电路结构包括通讯接口模块、延时计数器、高频时钟模块、时钟计数器、CCD积分时间计数及判别模块、多个比较器以及脉冲合成模块。

Images