一種超高速分幅相機(jī)系統(tǒng)及成像方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超高速分幅相機(jī)系統(tǒng)及成像方法。包括電控系統(tǒng)及目標(biāo)光源發(fā)出光信號(hào)的路徑上依次設(shè)置的針孔板、分幅管組件及用于采集、記錄并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的圖像采集模塊。本發(fā)明提供了一種不用對(duì)微通道板和高壓選通脈沖的性能做任何改進(jìn)就可以使分幅相機(jī)的時(shí)間分辨提高到40ps，且制造簡(jiǎn)單，使用方便的超高速分幅相機(jī)系統(tǒng)及成像方法。
【專利說明】一種超高速分幅相機(jī)系統(tǒng)及成像方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高速光電成像領(lǐng)域，涉及真空光電成像器件和圖像處理方法，具體涉及一種超高速分幅相機(jī)系統(tǒng)及成像方法。

【背景技術(shù)】
[0002]X射線分幅相機(jī)是激光核聚變及激光等離子體物理研宄的重要工具。由于激光等離子體的整個(gè)作用過程僅發(fā)生在數(shù)納秒內(nèi)，因而超快分幅成像技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。X射線分幅相機(jī)用于觀測(cè)慣性約束核聚變(ICF)實(shí)驗(yàn)過程中等離子體溫度和密度隨時(shí)間變化的二維形貌，在研宄流體力學(xué)不穩(wěn)定性，內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)與壓縮對(duì)稱性研宄和X射線背光照相研宄等方面有著廣泛的應(yīng)用。
[0003]在ICF內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)和界面診斷研宄中，內(nèi)爆過程的推進(jìn)速度很快，在利用X射線分幅相機(jī)進(jìn)行時(shí)間分辨二維成像測(cè)量時(shí)，為避免像的動(dòng)態(tài)模糊，要求X射線分幅相機(jī)的曝光時(shí)間小于40ps。而現(xiàn)有MCP選通式分幅相機(jī)其時(shí)間分辨由于受到關(guān)鍵器件MCP微通道渡越時(shí)間的限制，極限曝光時(shí)間只有約60ps。
[0004]現(xiàn)有行波選通分幅成像技術(shù)一般采用四條微帶型光電陰極，每條微帶陰極需一路選通電脈沖輸入，其主要缺點(diǎn)如下:
[0005]I)由于微通道板的孔徑比較大，光電子的渡越時(shí)間較長(zhǎng)，因此相機(jī)的曝光時(shí)間提尚受到限制;
[0006]2)目前研制更小孔徑、更薄厚度的微通道板技術(shù)上有一定的困難，所以無法通過改變通道板參數(shù)提高分幅相機(jī)的時(shí)間分辨率；
[0007]3)利用純電子學(xué)方法產(chǎn)生脈寬為百皮秒的高壓脈沖已達(dá)到半導(dǎo)體器件的極限速度，因而無法通過縮小電子快門的門寬提高時(shí)間分辨。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了解決【背景技術(shù)】中所提出的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種超高速分幅相機(jī)系統(tǒng)，有效解決了現(xiàn)有分幅相機(jī)系統(tǒng)時(shí)間分辨無法滿足實(shí)驗(yàn)需求的技術(shù)問題。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種超高速分幅相機(jī)系統(tǒng)，其特殊之處在于:包括電控系統(tǒng)及目標(biāo)光源發(fā)出光信號(hào)的路徑上依次設(shè)置的針孔板、分幅管組件及用于采集、記錄并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的圖像采集模塊；上述分幅管組件與圖像采集模塊之間設(shè)置有熒光屏；還包括與分幅管組件連接的高壓脈沖發(fā)生器；上述電控系統(tǒng)分別與高壓脈沖發(fā)生器、分幅管組件、圖像采集模塊連接；
[0010]上述電控系統(tǒng)包括輸入模塊、選通模塊、板壓模塊、屏壓模塊和控制模塊；上述控制模塊分別連接輸入模塊、選通模塊、板壓模塊、屏壓模塊；
[0011]上述分幅管組件包括法蘭盤，法蘭盤一端設(shè)置有用于固定熒光屏的可伐環(huán)；上述熒光屏正上方設(shè)有通過線路板固連在法蘭盤上的微通道板；上述線路板通過微通道板壓環(huán)固連在法蘭盤上；上述微通道板上設(shè)置有陰極微帶線組；上述陰極微帶線組包括第一陰極微帶線、第二陰極微帶線、第三陰極微帶線、第四陰極微帶線；上述線路板上設(shè)置有漸變線，漸變線的一端與輸入模塊連接，另一端與微通道板上的陰極微帶線連接；
[0012]上述目標(biāo)光源所產(chǎn)生的光信號(hào)通過針孔板成像在陰極微帶線的不同位置，陰極微帶線把光子通過光電陰極轉(zhuǎn)換成光電子；當(dāng)陰極微帶線上沒有加電壓時(shí)，光電子就會(huì)被微通道板吸收而無增益輸出；當(dāng)在微通道板輸入與輸出面之間加電壓時(shí)，在微通道形成加速電場(chǎng)，光電子在該電場(chǎng)作用下碰撞微通道板的通道壁，產(chǎn)生二次電子倍增，然后穿過微通道板，打在熒光屏上，形成可見光圖像輸出。
[0013]一種超高速分幅相機(jī)系統(tǒng)的一種超高速分幅相機(jī)成像方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0014]I】目標(biāo)光源產(chǎn)生的光通過針孔陣列板同時(shí)投影在光電陰極的不同位置并且產(chǎn)生光電子;
[0015]2】電控系統(tǒng)廣生兩路尚精度同步、幅度2500V、脈寬180ps的快門脈沖和兩路尚精度同步、幅度2500V、脈寬220ps的快門脈沖；
[0016]3】寬度為180ps的脈沖分別與分幅管的第一和第三條微帶線連接，寬度為220ps的脈沖分別與分幅管的第二和第四條微帶線連接；
[0017]4】步驟2】所產(chǎn)生的4路快門脈沖從微帶線陰極的一端向另一端傳輸，在微通道板兩端形成加速電場(chǎng)，光電子在該電場(chǎng)作用下碰撞微通道板的通道壁，產(chǎn)生二次電子倍增，然后穿過微通道板，打在熒光屏上，使針孔板投在微帶陰極上面的圖像成像于熒光屏上；
[0018]5】圖像采集模塊采集熒光屏上的圖像并且將圖像數(shù)字化；
[0019]6】通過圖像采集模塊得到分幅圖像。
[0020]上述步驟6】包括以下步驟:
[0021]6.1讀進(jìn)原始探測(cè)器上所采集到的圖像，根據(jù)圖像的特點(diǎn)進(jìn)行圖像裁剪，將圖像分成8個(gè)子圖像；
[0022]6.2從8個(gè)子圖像中選取相應(yīng)的2個(gè)圖像進(jìn)行匹配；
[0023]6.3選用SIFT算法匹配圖像，隨機(jī)選取幾個(gè)匹配點(diǎn)，由算法自行計(jì)算圖像的特征點(diǎn)，然后用SIFT算法匹配圖像，求出Al，所述Al為圖像的偏移坐標(biāo)；
[0024]6.4選用NCC算法匹配圖像，求出A2，所述A2為圖像的偏移坐標(biāo)；
[0025]6.5根據(jù)Al、A2加權(quán)求和平均，得到平均的偏移量；
[0026]6.6根據(jù)步驟5】得出的偏移量對(duì)兩幅圖像進(jìn)行差分，從而得到時(shí)間分辨40ps的分幅圖像。
[0027]本發(fā)明專利擬采用曝光開始時(shí)刻相同、截止時(shí)刻不同的兩種選通脈沖對(duì)兩條微帶陰極同時(shí)曝光，然后采用圖像差分軟件對(duì)這兩條微帶上的圖像進(jìn)行差分處理，從而獲得曝光時(shí)間40ps的分幅圖像。比如，選擇幅度一致，相對(duì)晃動(dòng)小于10ps，寬度分別為80ps和120ps的兩路選通脈沖對(duì)兩條微帶進(jìn)行同時(shí)曝光。因脈沖傳輸?shù)乃俣认嗤?，?duì)于兩條微帶上對(duì)應(yīng)的圖像就可以做到曝光開始時(shí)刻相同而結(jié)束時(shí)刻不同，于是利用圖像差分處理軟件即可得到40ps時(shí)間分辨的多幅圖像。本發(fā)明專利避免了 MCP渡越時(shí)間和電子快門對(duì)曝光時(shí)間的限制，而且以目前4條微帶的分幅管結(jié)構(gòu)，仍然可以獲得至少8幅圖像，記錄長(zhǎng)度也完全能夠滿足目標(biāo)物理事件300ps范圍的要求。
[0028]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):由于目前所用分幅相機(jī)的極限曝光時(shí)間只有60ps，無法滿足實(shí)驗(yàn)需要，且目前無法通過改變微通道板和高壓選通脈沖的性能使曝光時(shí)間提升?；诖朔N現(xiàn)狀，我們提出了差分曝光法提高分幅相機(jī)時(shí)間分辨的方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)主要在于避免了微通道板和高壓選通脈沖對(duì)分幅相機(jī)極限時(shí)間分辨的制約，通過同時(shí)成像和差分圖像處理使分幅相機(jī)時(shí)間分辨提高到40ps。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明超尚速分幅相機(jī)結(jié)構(gòu)不意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明超高速分幅相機(jī)工作原理；
[0031]圖3為本發(fā)明分幅變像管結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖4為電控系統(tǒng)原理圖；
[0033]圖5為圖像處理流程圖；
[0034]其中O-目標(biāo)光源、1-針孔板、2-同軸電纜線、3-陰極微帶線組、4-熒光屏、5-高壓脈沖發(fā)生器、6-法蘭盤、7-微通道板壓環(huán)、8-微通道板、9-可伐環(huán)、10-線路板。

【具體實(shí)施方式】
[0035]參見圖1-5，一種超高速分幅相機(jī)系統(tǒng)，包括電控系統(tǒng)及目標(biāo)光源O發(fā)出光信號(hào)的路徑上依次設(shè)置的針孔板1、分幅管組件及用于采集、記錄并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的圖像采集模塊；分幅管組件與圖像采集模塊之間設(shè)置有熒光屏4 ;還包括與分幅管組件連接的高壓脈沖發(fā)生器5 ;電控系統(tǒng)分別與高壓脈沖發(fā)生器5、分幅管組件、圖像采集模塊連接；
[0036]電控系統(tǒng)包括輸入模塊、選通模塊、板壓模塊、屏壓模塊和控制模塊；上述控制模塊分別連接輸入模塊、選通模塊、板壓模塊、屏壓模塊；選通模塊包含兩種不同脈寬的選通脈沖；
[0037]分幅管組件包括法蘭盤6，法蘭盤6 —端設(shè)置有用于固定熒光屏4的可伐環(huán)9 ;熒光屏4正上方設(shè)有通過線路板10固連在法蘭盤6上的微通道板8 ;線路板10通過微通道板壓環(huán)7固連在法蘭盤6上；微通道板8上設(shè)置有陰極微帶線組3 ;上述陰極微帶線組包括第一陰極微帶線、第二陰極微帶線、第三陰極微帶線、第四陰極微帶線；上述線路板上設(shè)置有漸變線，漸變線的一端與輸入模塊連接，另一端與微通道板8上的陰極微帶線連接；
[0038]目標(biāo)光源所產(chǎn)生的光信號(hào)通過針孔板成像在陰極微帶線的不同位置，陰極微帶線把光子通過光電陰極轉(zhuǎn)換成光電子；當(dāng)陰極微帶線上沒有加電壓時(shí)，光電子就會(huì)被微通道板吸收而無增益輸出；當(dāng)在微通道板輸入與輸出面之間加電壓時(shí)，在微通道形成加速電場(chǎng)，光電子在該電場(chǎng)作用下碰撞微通道板的通道壁，產(chǎn)生二次電子倍增，然后穿過微通道板，打在熒光屏上，形成可見光圖像輸出。
[0039]一種超高速分幅相機(jī)系統(tǒng)的一種超高速分幅相機(jī)成像方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0040]I】目標(biāo)光源產(chǎn)生的光通過針孔陣列板同時(shí)投影在光電陰極的不同位置并且產(chǎn)生光電子;
[0041]2】電控系統(tǒng)廣生兩路尚精度同步、幅度2500V、脈寬180ps的快門脈沖和兩路尚精度同步、幅度2500V、脈寬220ps的快門脈沖；
[0042]3】寬度為180ps的脈沖分別與分幅管的第一和第三條微帶線連接，寬度為220ps的脈沖分別與分幅管的第二和第四條微帶線連接；
[0043]4】步驟2】所產(chǎn)生的4路快門脈沖從微帶線陰極的一端向另一端傳輸，在微通道板兩端形成加速電場(chǎng)，光電子在該電場(chǎng)作用下碰撞微通道板的通道壁，產(chǎn)生二次電子倍增，然后穿過微通道板，打在熒光屏上，使針孔板投在微帶陰極上面的圖像成像于熒光屏上；
[0044]5】圖像采集模塊采集熒光屏上的圖像并且將圖像數(shù)字化；
[0045]6】通過圖像采集模塊得到分幅圖像。
[0046]上述步驟6】包括以下步驟:
[0047]6.1讀進(jìn)原始探測(cè)器上所采集到的圖像，根據(jù)圖像的特點(diǎn)進(jìn)行圖像裁剪，將圖像分成8個(gè)子圖像；
[0048]6.2從8個(gè)子圖像中選取相應(yīng)的2個(gè)圖像進(jìn)行匹配；
[0049]6.3選用SIFT算法匹配圖像，隨機(jī)選取幾個(gè)匹配點(diǎn)，由算法自行計(jì)算圖像的特征點(diǎn)，然后用SIFT算法匹配圖像，求出Al，所述Al為圖像的偏移坐標(biāo)；
[0050]6.4選用NCC算法匹配圖像，求出A2，所述A2為圖像的偏移坐標(biāo)；
[0051]6.5根據(jù)A1、A2加權(quán)求和平均，得到平均的偏移量；
[0052]6.6根據(jù)步驟5】得出的偏移量對(duì)兩幅圖像進(jìn)行差分，從而得到時(shí)間分辨40ps的分幅圖像。
[0053]圖1中，電控系統(tǒng)主要是產(chǎn)生電子快門脈沖、熒光屏電壓及其他控制功能；分幅變像管主要是將照射在光電陰極上的X光進(jìn)行成像；圖像采集單元主要將分幅管所成的像進(jìn)行采集、記錄并進(jìn)行分析和處理。
[0054]分幅管結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要組成部分為微通道板、法蘭盤、熒光屏、光電陰極等。
[0055]系統(tǒng)工作時(shí)，目標(biāo)光源O所產(chǎn)生的光通過針孔陣列板I同時(shí)投影在光電陰極的不同位置，光電陰極把光子轉(zhuǎn)換成光電子，電控系統(tǒng)產(chǎn)生時(shí)間完全同步的兩路幅度2500V、脈寬180ps的快門脈沖和兩路幅度2500V、脈寬220ps的快門脈沖，寬度為180ps的脈沖分別與分幅管的第一和第三條微帶連接，寬度為220ps的脈沖分別與分幅管的第二和第四條微帶連接。當(dāng)陰極微帶線3上沒有快門脈沖傳輸時(shí)，微通道板8兩端不存在電場(chǎng)，光電子被微通道板吸收而無增益輸出。當(dāng)快門脈沖從微帶陰極3的一端向另一端傳輸時(shí)針孔板I投在微帶陰極3上面的圖像被依次選通成像于熒光屏上。
[0056]其中第一、二條微帶上加載的快門脈沖嚴(yán)格同步，第三、四條微帶上加載的快門脈沖嚴(yán)格同步。因此，第一條和第二條微帶所記錄的圖像是目標(biāo)光源在同一時(shí)刻的成像，第三、四條微帶所記錄的圖像是目標(biāo)光源另一相同時(shí)刻的成像，而由于第一、三條微帶所加載的快門脈沖寬度相同，而第二、第四條微帶所加載的快門脈沖寬度相同，因此第一、第三條微帶的曝光時(shí)間相通，而第二、第四條微帶的曝光時(shí)間也相同。
[0057]第一、第二條微帶上所成的目標(biāo)像由于快門脈沖寬度不同，所以曝光時(shí)間不同。將兩條微帶上所成的兩幅圖像采用歸一化互相關(guān)算法和尺度不變特征變換算法進(jìn)行圖像匹配，從而保證兩幅圖像同一坐標(biāo)處所對(duì)應(yīng)的是目標(biāo)圖像的同一點(diǎn)。然后根據(jù)圖5所示圖像處理流程對(duì)圖像進(jìn)行處理:
[0058]①讀進(jìn)原始探測(cè)器上所采集到的圖像，根據(jù)圖像的特點(diǎn)進(jìn)行圖像裁剪，將圖像分成8個(gè)子圖像。
[0059]②從8個(gè)子圖像中選取相應(yīng)的2個(gè)圖像進(jìn)行匹配。
[0060]③選用SIFT算法(尺度不變特征變換算法)匹配圖像，可以選取幾個(gè)匹配點(diǎn)，也可以由算法自行計(jì)算圖像的特征點(diǎn)，然后用SIFT算法匹配圖像，求出圖像的偏移坐標(biāo)。
[0061]④選用NCC算法(歸一化互相關(guān)算法)匹配圖像，求出圖像的偏移坐標(biāo)。
[0062]⑤根據(jù)兩種算法求出的偏移坐標(biāo)加權(quán)求和平均，得到平均的偏移量
[0063]⑥根據(jù)步驟5得出的偏移量對(duì)兩幅圖像進(jìn)行差分，從而得到最終結(jié)果。
[0064]本發(fā)明專利的核心就是在我們現(xiàn)在成熟的技術(shù)基礎(chǔ)上，在目前器件和技術(shù)皆難以突破的情況下實(shí)現(xiàn)分幅相機(jī)時(shí)間分辨率的提高，從而滿足慣性約束核聚變精密測(cè)量的需求。
【權(quán)利要求】
1.一種超高速分幅相機(jī)系統(tǒng)，其特征在于:包括電控系統(tǒng)及目標(biāo)光源發(fā)出光信號(hào)的路徑上依次設(shè)置的針孔板、分幅管組件及用于采集、記錄并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的圖像采集模塊；所述分幅管組件與圖像采集模塊之間設(shè)置有熒光屏；還包括與分幅管組件連接的高壓脈沖發(fā)生器；所述電控系統(tǒng)分別與高壓脈沖發(fā)生器、分幅管組件、圖像采集模塊連接； 所述電控系統(tǒng)包括輸入模塊、選通模塊、板壓模塊、屏壓模塊和控制模塊；所述控制模塊分別連接輸入模塊、選通模塊、板壓模塊、屏壓模塊； 所述分幅管組件包括法蘭盤，法蘭盤一端設(shè)置有用于固定熒光屏的可伐環(huán)；所述熒光屏正上方設(shè)有通過線路板固連在法蘭盤上的微通道板；所述線路板通過微通道板壓環(huán)固連在法蘭盤上；所述微通道板上設(shè)置有陰極微帶線組；所述陰極微帶線組包括第一陰極微帶線、第二陰極微帶線、第三陰極微帶線、第四陰極微帶線；所述線路板上設(shè)置有漸變線，漸變線的一端與輸入模塊連接，另一端與微通道板上的陰極微帶線連接； 所述目標(biāo)光源所產(chǎn)生的光信號(hào)通過針孔板成像在陰極微帶線的不同位置，陰極微帶線把光子通過光電陰極轉(zhuǎn)換成光電子；當(dāng)陰極微帶線上沒有加電壓時(shí)，光電子就會(huì)被微通道板吸收而無增益輸出；當(dāng)在微通道板輸入與輸出面之間加電壓時(shí)，在微通道形成加速電場(chǎng)，光電子在該電場(chǎng)作用下碰撞微通道板的通道壁，產(chǎn)生二次電子倍增，然后穿過微通道板，打在熒光屏上，形成可見光圖像輸出。
2.基于權(quán)利要求1所述的一種超高速分幅相機(jī)系統(tǒng)的一種超高速分幅相機(jī)成像方法，其特征在于:包括以下步驟: 1】目標(biāo)光源產(chǎn)生的光通過針孔陣列板同時(shí)投影在光電陰極的不同位置并且產(chǎn)生光電子; 2】電控系統(tǒng)產(chǎn)生兩路高精度同步、幅度2500V、脈寬180ps的快門脈沖和兩路高精度同步、幅度2500V、脈寬220ps的快門脈沖； 3】寬度為180ps的脈沖分別與分幅管的第一和第三條微帶線連接，寬度為220ps的脈沖分別與分幅管的第二和第四條微帶線連接； 4】步驟2】所產(chǎn)生的4路快門脈沖從微帶線陰極的一端向另一端傳輸，在微通道板兩端形成加速電場(chǎng)，光電子在該電場(chǎng)作用下碰撞微通道板的通道壁，產(chǎn)生二次電子倍增，然后穿過微通道板，打在熒光屏上，使針孔板投在微帶陰極上面的圖像成像于熒光屏上； 5】圖像采集模塊采集熒光屏上的圖像并且將圖像數(shù)字化； 6】通過圖像采集模塊得到分幅圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超高速分幅相機(jī)成像方法，其特征在于:所述步驟6】包括以下步驟: . 6.1讀進(jìn)原始探測(cè)器上所采集到的圖像，根據(jù)圖像的特點(diǎn)進(jìn)行圖像裁剪，將圖像分成8個(gè)子圖像； .6.2從8個(gè)子圖像中選取相應(yīng)的2個(gè)圖像進(jìn)行匹配； . 6.3選用SIFT算法匹配圖像，隨機(jī)選取幾個(gè)匹配點(diǎn)，由算法自行計(jì)算圖像的特征點(diǎn)，然后用SIFT算法匹配圖像，求出A1，所述A1為圖像的偏移坐標(biāo)； .6.4選用NCC算法匹配圖像，求出A2，所述A2為圖像的偏移坐標(biāo)； . 6.5根據(jù)Al、A2加權(quán)求和平均，得到平均的偏移量； . 6.6根據(jù)步驟5】得出的偏移量對(duì)兩幅圖像進(jìn)行差分，從而得到時(shí)間分辨40ps的分幅圖 像。
【文檔編號(hào)】G03B39/00GK104503200SQ201410741866
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】緱永勝, 劉百玉, 白永林, 曹柱榮, 白曉紅, 秦君君, 王博 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所