一種高速運動過程圖像記錄裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高速運動過程圖像記錄裝置，包括前端光學耦合模塊、選通式近貼聚焦像增強器、選通時序觸發(fā)和控制模塊、選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊、后端光學耦合模塊、CCD圖像記錄模塊及主控計算機；被測高速運動目標通過前端光學耦合模塊成像到選通式近貼聚焦像增強器的光陰極上，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器的熒光屏上形成高速運動目標的序列分幅圖像，該分幅圖像再經(jīng)后端光學耦合模塊耦合到CCD圖像記錄模塊輸出數(shù)字圖像，完成一次被攝目標運動過程的分幅記錄；本發(fā)明能夠為沖擊波與爆轟物理測試、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程的研究提供高質(zhì)量的數(shù)字化圖像。
【專利說明】一種高速運動過程圖像記錄裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于高速攝影裝置及【技術領域】，涉及一種能夠在一幅圖像中完整呈現(xiàn)運動物體運動過程的高速光電分幅成像裝置，具體的說就是利用脈沖個數(shù)、脈沖寬度和脈沖時間間隔可調(diào)的序列高壓脈沖串驅(qū)動單個選通式近貼聚焦像增強器光電陰極來實現(xiàn)對運動物體運動過程的圖像記錄。
【背景技術】
[0002]高速分幅攝影技術是研究高速運動過程的一種重要測試方法，它與一般攝影技術最根本的區(qū)別，就是它具有高的時間分辨本領，能夠跟蹤快速變化或運動過程的發(fā)生和發(fā)展，并記錄下來。高速分幅攝影技術具有時間分辨率高(曝光時間短)、攝影頻率高等優(yōu)點，其拍攝的圖像可直觀形象地反映高速瞬變過程發(fā)展趨勢，從而為研究高速運動現(xiàn)象的發(fā)生機理和規(guī)律提供可靠數(shù)據(jù)，具有其它測試手段不可替代的優(yōu)點。
[0003]高速分幅攝影技術按成像方式可分為光學機械結(jié)構(gòu)高速分幅攝影技術和高速光電分幅攝影技術。前者通常采用電動或氣動控制的高速旋轉(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)定性下降甚至會發(fā)生變形，這導致進一步提高攝影頻率非常困難，目前每幅圖像時間分辨在亞微秒量級，攝影頻率在IO6幅/秒左右；此外，光學機械結(jié)構(gòu)的高速攝影設備結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大、操作繁瑣，也大大限制其應用領域。為克服光學機械結(jié)構(gòu)的高速攝影技術時間分辨和攝影頻率很難進一步提高的缺點，高速光電分幅攝影技術應運而生，主要包括微波傳輸型光電分幅攝影技術、交叉點掃描多光欄分幅成像技術、多通道光學分幅光電攝影技術。
[0004]微波傳輸型光電分幅攝影技術首先采用光學針孔成像方法將運動物體目標像面分成空間上分離的多個像面，在后端的近貼聚焦像增強器的微通道板上制作有微波傳輸線，被光學針孔成像方法分離的多個成像像面沿微波傳輸線分布，當一個高壓脈沖沿微波傳輸線傳輸時，沿微波傳輸線分布的多個像面就會被該脈沖依次選通成像，從而得到運動目標像面在不同時刻的記錄圖像。由于此方法所得到的運動過程圖像時間間隔與脈沖沿微波傳輸線的傳輸時間有關，通常在數(shù)十皮秒量級，所以該類系統(tǒng)無法得到納秒以上時間間隔的分幅記錄圖像。
[0005]交叉點掃描多光欄分幅成像技術采用掃描管電子偏轉(zhuǎn)方式實現(xiàn)高速分幅成像，其單幅時間分辨可以達到亞納秒量級，但其主要缺點是時間分辨與畫幅間隔相關聯(lián)，無法實現(xiàn)獨立調(diào)節(jié)，而且其全程記錄時間只有數(shù)納秒，無法滿足運動過程在微秒或毫秒時間范圍的多幅記錄。
[0006]多通道光學分幅光電攝影技術首先采用棱鏡或平面分光方式將運動物體目標像面分成多個空間上分離的像面，然后每個像面用一個選通式近貼聚焦像增強器進行高速選通成像，最后再由CCD記錄。此種技術的記錄畫幅數(shù)由分光后像面數(shù)量和對應的選通式近貼聚焦像增強器個數(shù)決定。雖然可以實現(xiàn)單幅數(shù)納秒到毫秒以上曝光時間的調(diào)節(jié)，應用領域也非常廣，但該技術采用了復雜的光學分光系統(tǒng)將被測物體成像在不同的像增強器上，設計中不可避免因每個分光系統(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物體的運動軌跡。此外，每個分離像面需要對應一個選通式近貼聚焦像增強器，勢必增加系統(tǒng)復雜度和成本，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分幅光電攝影相同，也是將目標像面分成多個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形成短曝光時間，然后利用CCD記錄成像，該高速成像技術只能在背景環(huán)境光較暗的場所應用，而且對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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對上述現(xiàn)有技術存在的不足之處，本發(fā)明的主要目的是提出一種結(jié)構(gòu)簡單，僅用一個通道光學耦合模塊和一個選通式近貼聚焦像增強器，就可以實現(xiàn)對高速運動過程進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)，避免了多路成像時引入的成像畸變和像差，而且其以非常簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對運動目標的多次成像。每次成像的曝光時間在數(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)。該裝置的上述特點使其特別適用于時間范圍在數(shù)十納秒到毫秒量級運動過程的圖像記錄。
[0009]本發(fā)明采用如下技術方案:一種高速運動過程圖像記錄裝置，包括前端光學耦合模塊、選通式近貼聚焦像增強器、選通時序觸發(fā)和控制模塊、選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊、后端光學耦合模塊、CCD圖像記錄模塊及主控計算機，所述前端光學耦合模塊的輸出端與選通式近貼聚焦像增強器的輸入端連接，選通式近貼聚焦像增強器輸出到后端光學耦合模塊并通過CCD圖像記錄模塊輸出到主控計算機；所述選通時序觸發(fā)和控制模塊完成與主控計算機通訊的同時，控制CCD圖像記錄模塊、選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊連接和前端光學耦合模塊中的電磁快門，所述選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊與選通式近貼聚焦像增強器連接。
[0010]在上述技術方案中，所述前端光學耦合模塊包括主物鏡、分劃板、電磁快門和前中繼物鏡，所述選通時序觸發(fā)和控制模塊與電磁快門連接。
[0011]在上述技術方案中，所述選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊采用互補MOSFET輸出及其驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)，所述電路包括低壓脈沖高低電平檢測及振蕩電路、MOSFET驅(qū)動器、驅(qū)動脈沖整形和驅(qū)動加速電路、一對P溝道場效應管和N溝道場效應管。
[0012]在上述技術方案中，所述選通時序觸發(fā)和控制模塊的電路結(jié)構(gòu)包括通訊接口模塊、延時計數(shù)器、高頻時鐘模塊、時鐘計數(shù)器、CCD積分時間計數(shù)及判別模塊、多個比較器以及脈沖合成模塊。
[0013]在上述技術方案中，所述方法包括以下步驟:
步驟一:初始化數(shù)據(jù)，通過主控計算機設定CCD圖像記錄模塊、選通時序觸發(fā)和控制模塊的各項指標，并等待外觸發(fā)輸入信號；
步驟二:被測運動目標經(jīng)前端光學耦合模塊成像到選通式近貼聚焦像增強器的光陰極上，該光陰極與選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊相連接；
步驟三:在外觸發(fā)信號到來時，選通時序觸發(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；
步驟四:電子圖像經(jīng)施加在選通式近貼聚焦像增強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器的熒光屏上形成與運動物體位置相關聯(lián)的物體運動過程圖像；
步驟五:圖像經(jīng)過后端光學耦合模塊耦合到CCD圖像記錄模塊并按設定時間進行積分后輸出，通過以太網(wǎng)通訊接口將圖像信息傳輸?shù)街骺赜嬎銠C顯示或處理。
[0014]在上述技術方案中，所述選通時序觸發(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。
[0015]在上述技術方案中，輸出常態(tài)電壓為+ 60V，開通電壓為-180V。
[0016]在上述技術方案中，所述交替變化的受控高速序列脈沖串實現(xiàn)選通式近貼聚焦像增強器的多次打開和關閉，將運動目標成像在選通式近貼聚焦像增強器熒光屏的不同位置。
[0017]所述選通式近貼聚焦像增強器由可高速重復選通的光陰極、微通道板和熒光屏組成，在序列高壓脈沖控制下將運動目標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器單次最窄選通時間可達到十納秒，最長選通時間可達到十毫秒以上。
[0018]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)動和對稱高頻場效應管組成。其主要作用是產(chǎn)生控制選通式近貼聚焦像增強器的脈沖，具體為由5V脈沖信號控制的+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，最長低電平脈沖寬度IOms以上，輸出序列脈沖個數(shù)、每個脈沖寬度及脈沖之間的間隔均可以由選通時序觸發(fā)和控制模塊設定。
[0019]所述選通時序觸發(fā)和控制模塊由通訊接口、延時計數(shù)器、高頻時鐘、時鐘計數(shù)器、多路比較器、CXD積分時間計數(shù)及判別、脈沖合成幾個部分組成。通訊接口完成該選通時序觸發(fā)和控制模塊與主控計算機的通訊，延時計數(shù)器決定序列脈沖產(chǎn)生的時間，高頻時鐘作為系統(tǒng)控制工作的時鐘基準，時鐘計數(shù)器和多路比較器決定產(chǎn)生序列脈沖的寬度和個數(shù)，CCD積分時間計數(shù)及判別決定后端CCD圖像記錄模塊的積分計數(shù)時間，脈沖合成主要用來將多個比較器輸出的脈沖合成一路輸出。其中，高頻時鐘可以通過FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)提高至200MHz甚至更高，其余延時計數(shù)器、時鐘計數(shù)器和多路比較器等部分也均可以在一片F(xiàn)PGA內(nèi)實現(xiàn)。
[0020]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始對選通式近貼聚焦像增強器的熒光屏圖像進行積分記錄，積分記錄時間長度由選通時序觸發(fā)和控制模塊根據(jù)生成最后一個序列脈沖的上升沿時間決定。
[0021]實施本發(fā)明的有益效果是:第一，采用單路結(jié)構(gòu)簡單的光學耦合模塊，克服了多通道光學分幅系統(tǒng)采用多路光學耦合模塊引入的成像畸變和像差，而且使整個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器進行分幅成像，單幅曝光時間非常短，最短可達10ns，有效抑制拍攝過程中的圖像動態(tài)模糊；第三，曝光時間根據(jù)需要大范圍可調(diào)，單幅最短門控時間10ns，最長門控時間IOms以上，滿足不同記錄時間高速運動過程的拍攝需求；第四，只用一個選通式近貼聚焦像增強器和一個CCD實現(xiàn)對運動目標的多次分幅成像，每次成像曝光時間由對應脈沖寬度控制，曝光時間間隔由脈沖間隔控制，分幅成像次數(shù)由序列脈沖個數(shù)決定，控制方便；第五，只用一個選通式近貼聚焦像增強器，避免使用多個選通式近貼聚焦像增強器時輸出圖像亮度不均勻；第六，采用CCD圖像采集輸出方式，將運動物體的運動過程完整的記錄在一幅圖像上，使操作者能夠直觀、方便的分析運動特性并直接進行后續(xù)數(shù)字圖像處理，提高實驗效率；第七，系統(tǒng)選通時序觸發(fā)和控制模塊采用一片F(xiàn)PGA邏輯器件設計實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，時序控制精度可達到5ns，而且可以同時實現(xiàn)對選通高壓脈沖、CXD圖像記錄模塊的啟動和停止時間等同步控制。
[0022]本發(fā)明所涉及的裝置在超高速運動過程測試領域具有廣闊的應用前景，完全能夠為沖擊波與爆轟物理測試、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程的研究提供高質(zhì)量的數(shù)字化圖像。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)組成框圖；
圖2是本發(fā)明分幅成像原理示意圖；
圖3是本發(fā)明中選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊組成框圖；
圖4是本發(fā)明中高壓脈沖產(chǎn)生模塊工作時序圖；
圖5是本發(fā)明中選通時序觸發(fā)和控制模塊組成框圖；
圖6是本發(fā)明中選通時序觸發(fā)和控制模塊工作時序圖。
【具體實施方式】
[0024]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，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。
[0025]本發(fā)明一種結(jié)構(gòu)簡單的高速運動過程圖像記錄裝置的總體組成框圖如圖1所示，包括前端光學耦合模塊、選通式近貼聚焦像增強器、高壓供電電源、選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊、選通時序觸發(fā)和控制模塊、后端光學耦合模塊、CCD圖像記錄模塊及主控計算機共八個部分。其工作過程如下:被攝運動目標所在視場經(jīng)前端光學耦合模塊成像到選通式近貼聚焦像增強器的光陰極上，該光陰極與選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊相連接，當選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊輸出電壓為+60V時，目標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器的熒光屏形成本底噪聲；當選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊電壓為-180V時，目標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器的熒光屏上形成與運動物體位置相關聯(lián)的圖像。在上述成像過程中，通過預先設定選通時序觸發(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，就可以實現(xiàn)對選通式近貼聚焦像增強器的多次打開和關閉，每次打開均會將運動目標成像在選通式近貼聚焦像增強器熒光屏的不同位置，該記錄運動目標運動位置的圖像經(jīng)后端光學耦合模塊耦合到CCD圖像記錄模塊進行積分輸出，通過以太網(wǎng)接口將圖像信息傳輸?shù)街骺赜嬎銠C，可在計算機顯示屏上顯示一幅表征運動物體運動過程的高速分幅攝影圖像。
[0026]為使系統(tǒng)工作過程更加清晰，結(jié)合圖2所示，以兩次曝光分幅成像為例對其工作原理作進一步闡述。假設物體以垂直于記錄系統(tǒng)中心光軸向上的方向運動，在h時刻，物體在運動目標像面上的位置為X1，其經(jīng)前端光學耦合模塊成像到選通式近貼聚焦像增強器光陰極像面上對應為X i，這時選通時序觸發(fā)和控制模塊按設定好的工作時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器光陰極在此脈沖驅(qū)動下開關一次，物體在光陰極X ,處像面經(jīng)近貼聚焦像增強器光陰極光電轉(zhuǎn)換為電子，通過近貼聚焦像增強器微通道板倍增并在其熒光屏上形成X1'像，該像面再經(jīng)后端光學耦合模塊成像到CCD像面形成與目標運動物體位置相關聯(lián)的像面X/ ；同樣，在t2時刻，物體在運動目標像面上的位置為X2，選通式近貼聚焦像增強器同樣在選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊控制下再打開一次，則在后端CCD像面同樣形成與目標運動物體位置相關聯(lián)的像面X2’。由于在上述過程中，后端CXD —直處于積分成像狀態(tài)，所以運動目標在CXD像面處所成的像X1,和V被在一個畫面中記錄下來，只要根據(jù)運動物體的運動速度合理設置時間間隔，使兩次記錄的圖像不重疊，就實現(xiàn)了在同一畫面上對物體的兩次拍攝，相當于對目標物體進行了兩次分幅成像。同理，按照上述原理也可以實現(xiàn)多次分幅成像。
[0027]在上述成像過程中，施加在選通式近貼聚焦像增強器光陰極的序列高速高壓脈沖對成像曝光時間(即時間分辨)以及時間間隔具有決定意義。該序列高速高壓脈沖需要解決三個難點:一是要求此高速脈沖從正電壓到負電壓以及負電壓到正電壓的轉(zhuǎn)換過程非常快，常態(tài)電壓在+60V左右，開通后電壓在-180V左右；二是要形成的負脈沖寬度可根據(jù)每次曝光時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)。國內(nèi)關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，而且脈沖寬度無法實現(xiàn)大范圍調(diào)節(jié)，脈沖間隔時間在微秒量級。
[0028]為解決上述序列高速高壓脈沖產(chǎn)生的問題，本發(fā)明在具體設計中采用圖3所示的互補MOSFET (絕緣柵型場效應管)輸出及其驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)，由低壓脈沖高低電平檢測及振蕩電路、MOSFET驅(qū)動器、驅(qū)動脈沖整形和驅(qū)動加速電路、一對P溝道場效應管和N溝道場效應管組成。低壓脈沖高低電平檢測及振蕩電路實現(xiàn)對輸入低壓控制脈沖高低電平檢測，其功能如圖4所示，當?shù)蛪好}沖控制輸入為低電平(OV)時，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，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。兩路互補振蕩脈沖分別經(jīng)過MOSFET驅(qū)動器電流放大、高壓電容耦合、驅(qū)動脈沖整形和加速電路后驅(qū)動一對P溝道場效應管和N溝道場效應管交替開通、關斷。具體工作時序如圖4所示，低壓脈沖控制輸入為低電平時，P溝道MOSFET開通，N溝道MOSFET關斷，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，P溝道MOSFET關斷，N溝道MOSFET開通，最終高壓脈沖輸出-180V低電平，形成由前端門控脈沖控制的高壓雙極性脈沖輸出。同時，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。
[0029]對于高速運動目標而言，要獲得其運動過程中感興趣的中間某段區(qū)域，需要對多次分幅成像曝光的起始時間、次數(shù)、曝光時間間隔等按需要進行控制；同時，還要針對不同運動過程對每次成像曝光時間寬度進行設定。本發(fā)明采用選通時序觸發(fā)和控制模塊完成上述功能。
[0030]選通時序觸發(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、延時計數(shù)器、高頻時鐘模塊、時鐘計數(shù)器、CCD積分時間計數(shù)及判別模塊、多個比較器以及脈沖合成模塊七個功能部件。各功能部件均在一片XLINX公司SPANT系列型號為XC3SD1800A-4CSG484I的FPGA內(nèi)部實現(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)嵌時鐘倍頻和管理模塊，工作時鐘可以達到200MHz以上，使每次成像曝光時間和成像間隔調(diào)節(jié)精度可以達至Ij 5ns ο
[0031]選通時序觸發(fā)和控制模塊工作過程為:首先主控計算機根據(jù)用戶的參數(shù)設定將系統(tǒng)首次曝光延時值、各次曝光的時間、多次曝光的時間間隔和次數(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)設定值計算出曝光延時值對應的計數(shù)脈沖個數(shù)發(fā)送到延時計數(shù)器，根據(jù)各次曝光的時間和多次曝光的時間間隔(即序列脈沖寬度、間隔)計算出對應的計數(shù)脈沖個數(shù)發(fā)送到相應的比較器I到比較器N，根據(jù)多次總曝光時間長度計算出CCD積分時間對應的計數(shù)脈沖值并發(fā)送到CCD積分時間計數(shù)及判別模塊，根據(jù)總的曝光次數(shù)轉(zhuǎn)換成序列脈沖個數(shù)設定脈沖合成模塊的工作狀態(tài)；在通訊接口模塊完成對其它各模塊的設定后對延時計數(shù)器、時鐘計數(shù)器、CCD積分時間計數(shù)及判別模塊、脈沖合成模塊進行一次清零復位，并等待外觸發(fā)輸入信號的到來。
[0032]為使選通時序觸發(fā)和控制模塊的工作過程更加明了，結(jié)合圖6所示，以4次曝光分幅成像為例，對其工作過程作進一步闡述。圖6中高頻時鐘工作頻率為200MHz，為模塊內(nèi)各計數(shù)器的基準工作時鐘。如前所述，通訊接口模塊完成對其它各模塊的設定和清零后，CCD控制信號和低壓序列脈沖輸出均為低電平(0V)。在外觸發(fā)輸入信號上升沿到來后，延時計數(shù)器開始工作，當計數(shù)到設定值T1時，延時計數(shù)器輸出使能信號啟動時鐘計數(shù)器、脈沖合成模塊和CCD積分時間計數(shù)及判別模塊，此時CCD積分時間計數(shù)及判別模塊輸出高電平，控制CXD圖像記錄模塊開始積分記錄。當時鐘計數(shù)器計數(shù)值為T2時，與比較器I設定值一致，比較器I輸出一窄脈沖，脈沖合成模塊捕獲該窄脈沖時將低壓序列脈沖的電平進行一次OV到5V的翻轉(zhuǎn)；時鐘計數(shù)器繼續(xù)累加計數(shù)，經(jīng)過T3個時鐘計數(shù)后，其值與比較器2設定值一致，比較器2輸出一窄脈沖，脈沖合成模塊捕獲該窄脈沖時將低壓序列脈沖的電平再進行一次5V到OV的翻轉(zhuǎn)，形成一個寬度為T3個計數(shù)時鐘的脈沖。依次類推，當時鐘計數(shù)器計數(shù)值分別為Τ4、Τ4+Τ5、Τ6、Τ6+Τ7、Τ8、Τ8+Τ9時，對應的比較器均輸出一窄脈沖，脈沖合成模塊在每個窄脈沖處均對低壓序列脈沖輸出進行一次電平翻轉(zhuǎn)，從而形成一個脈沖間隔分別為T4- (Τ3+Τ2)、Τ6- (Τ5+Τ4)、Τ8- (!^+^，脈沖寬度分別為了^了^了^^的序列脈沖串’通過調(diào)整比較器的值就可以對該序列脈沖串的脈沖寬度和脈沖間隔進行獨立調(diào)整。當序列脈沖串中的脈沖個數(shù)與脈沖合成模塊的設定脈沖個數(shù)相等時，脈沖合成模塊停止對后續(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始。此外，當時鐘計數(shù)器計數(shù)值為Tltl時，CCD積分時間計數(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，并復位脈沖合成模塊，完成一次分幅圖像記錄過程。
[0033]本發(fā)明中，為使CXD圖像記錄模塊有效記錄選通式近貼聚焦像增強器熒光屏圖像，需要通過時序控制使熒光屏輸出圖像時間落在CCD有效積分時間內(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積分時間可以隨上述選通時序觸發(fā)和控制模塊輸出的CCD控制信號的高電平脈沖寬度調(diào)節(jié)。
[0034]此外，本發(fā)明在實際應用中，為保證多次曝光分幅成像質(zhì)量，運動物體與背景顏色最好能夠具有較高的對比度，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比度。[0035]本發(fā)明并不局限于前述的【具體實施方式】。本發(fā)明擴展到任何在本說明書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程的步驟或任何新的組合。
【權利要求】
1.一種高速運動過程圖像記錄裝置，其特征為包括前端光學耦合模塊、選通式近貼聚焦像增強器、選通時序觸發(fā)和控制模塊、選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊、后端光學耦合模塊、CXD圖像記錄模塊及主控計算機，所述前端光學耦合模塊的輸出端與選通式近貼聚焦像增強器的輸入端連接，選通式近貼聚焦像增強器輸出到后端光學耦合模塊并通過CCD圖像記錄模塊輸出到主控計算機；所述選通時序觸發(fā)和控制模塊完成與主控計算機通訊的同時，控制CCD圖像記錄模塊、選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊和前端光學耦合模塊中的電磁快門，所述選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊與選通式近貼聚焦像增強器連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高速運動過程圖像記錄裝置，其特征為所述前端光學耦合模塊包括主物鏡、分劃板、電磁快門和前中繼物鏡，所述選通時序觸發(fā)和控制模塊與電磁快門連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種高速運動過程圖像記錄裝置，其特征為所述選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊采用互補MOSFET輸出及其驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)，所述電路包括低壓脈沖高低電平檢測及振蕩電路、MOSFET驅(qū)動器、驅(qū)動脈沖整形和驅(qū)動加速電路、一對P溝道場效應管和N溝道場效應管。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種高速運動過程圖像記錄裝置，其特征為所述選通時序觸發(fā)和控制模塊的電路結(jié)構(gòu)包括通訊接口模塊、延時計數(shù)器、高頻時鐘模塊、時鐘計數(shù)器、CCD積分時間計數(shù)及判別模塊、多個比較器以及脈沖合成模塊。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種高速運動過程圖像記錄裝置的記錄方法，其特征為所述方法包括以下步驟: 步驟一:初始化數(shù)據(jù)，通過主控計算機設定CCD圖像記錄模塊、選通時序觸發(fā)和控制模塊的各項指標，并等待外觸發(fā)輸入信號； 步驟二:被測運動目標經(jīng)前端光學耦合模塊成像到選通式近貼聚焦像增強器的光陰極上，該光陰極與選通高壓脈沖產(chǎn)生模塊相連接； 步驟三:在外觸發(fā)信號到來時，選通時序觸發(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； 步驟四:電子圖像經(jīng)施加在選通式近貼聚焦像增強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器的熒光屏上形成與運動物體位置相關聯(lián)的物體運動過程圖像； 步驟五:圖像經(jīng)過后端光學耦合模塊耦合到CCD圖像記錄模塊并按設定時間進行積分后輸出，通過以太網(wǎng)通訊接口將圖像信息傳輸?shù)街骺赜嬎銠C顯示或處理。
6.根據(jù)權利要求5所述的成像方法，其特征為所述選通時序觸發(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。
7.根據(jù)權利要求6所述的成像方法，其特征為所示輸出常態(tài)電壓為+60V,開通電壓為-180V。
8.根據(jù)權利要求6所述的成像方法，其特征為所述交替變化的受控高速序列脈沖串實現(xiàn)選通式近貼聚焦像增強器的多次打開和關閉，將運動目標成像在選通式近貼聚焦像增強器熒光屏的不同位置。
【文檔編號】H04N5/235GK103491303SQ201310437040
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權日:2013年9月24日
【發(fā)明者】溫偉峰, 熊學仕, 何徽, 陶世興, 李澤仁, 彭其先, 田建華, 吳廷烈, 趙新才, 劉寧文 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所