Многоканальные программно-управляемые электронно ...
Многоканальные программно-управляемые электронно ...
Многоканальные программно-управляемые электронно ...
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Крутик Михаил Ильич<br />
МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМЫЕ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ<br />
СКОРОСТНОЙ РЕГИСТРАЦИИ СЕРИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩЕГО ПРОЦЕССА<br />
В статье представлены принципы построения <strong>программно</strong>-управляемых комплексов для сверхскоростной<br />
съемки быстропротекающих процессов. Основой таких устройств являются <strong>электронно</strong>-оптические<br />
преобразователи (ЭОП) с наносекундными затворными модулями управления, обеспечивающими<br />
регистрацию последовательности кадров с временами экспозиций до 10 -8 с. Подобные системы могут<br />
обеспечить синхронную многокадровую съемку (серия изображений от двух до восьми кадров) оптических<br />
процессов с регулируемым периодом между кадрами от 10 нс до 1 мс и более. Приведены результаты<br />
применения одного из таких комплексов в задачах, связанных с исследованиями в области баллистики.<br />
При проведении исследований в области быстропротекающих процессов, часто используют метод синхронной<br />
высокоскоростной съемки. Применение для этих целей импульсных <strong>электронно</strong>-оптических преобразователей (ЭОП)<br />
позволяет создавать аппаратуру, обеспечивающую режим однокадровой и многокадровой скоростной съемки с<br />
временами экспозиции до единиц наносекунд, а интервалами между кадрами до десятка наносекунд.<br />
На основе таких ЭОП и высоковольтных наносекундных модулей управления строятся различные как <strong>электронно</strong>оптические<br />
камеры (ЭОК), так и целые <strong>программно</strong>-<strong>управляемые</strong> комплексы. Последние представляют интерес там, где<br />
требуется дистанционное управление параметрами камеры – временем экспозиции, задержкой запуска,<br />
коэффициентом усиления ЭОП и т.п. Такая необходимость возникает в случаях, когда нахождение оператора в зоне<br />
работы не допустимо, но при этом требуется оперативное изменение параметров камер от эксперимента к<br />
эксперименту.<br />
Это представляет особый интерес в исследованиях, связанных с баллистикой. Задача получения изображений летящего<br />
на большой скорости объекта (снаряд, пуля и т.п.) в различных точках траектории, протяженность которой может<br />
достигать сотен метров, требует установки нескольких ЭОК на значительном удалении как друг от друга, так и от места<br />
обработки регистрируемых кадров. В таких условиях, преимущества дистанционно программируемых систем еще более<br />
очевидны. Находясь на своем рабочем месте, оператор устанавливает необходимые параметры для каждой ЭОК,<br />
контролирует работу всех входящих в комплекс приборов и сам процесс записи изображений.<br />
Кроме того, удобства, связанные с использованием <strong>программно</strong>-управляемых ЭОК найдут применение и в других<br />
областях науки и техники, даже если вся аппаратура и объект исследования располагаются рядом. Кроме<br />
перечисленных достоинств, такой принцип построения комплекса обеспечивает установку беспрецедентно большого<br />
числа возможных значений каждого из параметров ЭОК – до 2000 комбинаций для длительности экспозиции и<br />
величины задержки запуска, и до 256 для установки чувствительности фото<strong>электронно</strong>го канала.
Введение<br />
Применение ЭОП в качестве быстродействующего <strong>электронно</strong>го затвора началось с середины 50-х годов. За эти годы<br />
вышло достаточно много публикаций, в которых нашли отражение вопросы разработки и применения ЭОП, а так же<br />
приборов на их основе, в различных областях науки и техники.<br />
Для того чтобы не отсылать читателя, недостаточно хорошо знакомого с ЭОП и режимом <strong>электронно</strong>го затвора, к<br />
специальной литературе, ниже приводится их краткое описание. Представлен только один из существующих типов<br />
ЭОП, на основе которого и созданы программируемые комплексы.<br />
Из всех существующих в настоящее время <strong>электронно</strong>-оптических преобразователей, для применения в приборах<br />
высокоскоростной регистрации изображений быстропротекающих процессов наибольший интерес представляют так<br />
называемые плоские ЭОП (proximity focus image intensifiers) поколений II, II+ и III. Их бесспорным преимуществом<br />
являются малые габариты, высокое и однородное по полю пространственное разрешение, полное отсутствие<br />
геометрических искажений (дисторсии) и высокая защищенность к внешним электромагнитным помехам. Схема<br />
плоского ЭОП представлена на рис. 1.
Рис. 1. ЭОП поколения II и III.<br />
Данный ЭОП представляет собой вакуумный блок, внутри которой параллельно друг другу расположены три электрода.<br />
Первый – это полупрозрачный фотокатод (мультищелочной для поколения II и арсенид-галиевый для III), нанесенный<br />
на внутреннюю поверхность входного стеклянного окна. Следом за ним установлена микроканальная пластина (МКП).<br />
Последний электрод – экран, представляющий собой тонкий слой специального люминофора, нанесенного на<br />
стеклянное выходное окно. Во включенном состоянии между электродами подаются соответствующие напряжения. На<br />
рис. 1 напряжения на электродах ЭОП обеспечивают его работу в так называемом, “статическом режиме”. В этом<br />
режиме он открыт и работает просто как усилитель изображения. Изображение объекта проецируется на внутреннюю<br />
поверхность входного стеклянного окна и фотокатод под воздействием потока квантов излучения испускает<br />
соответствующий поток электронов. Электрическое поле, образованное источником питания V переносит их на вход<br />
фк,<br />
МКП, которая усиливает электроны в K раз (пропорционально приложенному к ней напряжению V ). Усиленный<br />
e МКП<br />
поток электронов с выхода МКП, попадая в ускоряющее поле, образованное источником питания V , падает на экран<br />
экр<br />
ЭОП и вызывает соответствующее излучение. Коэффициент усиления ЭОП (K ), равный отношению уровня мощности<br />
ЭОП<br />
излучения с экрана ЭОП к уровню мощности излучения, падающего на фотокатод, определяется напряжением,<br />
приложенным к МКП (V ). Зависимость K от напряжения на МКП приведена на рис. 2.<br />
МКП ЭОП<br />
Как правило, коэффициент усиления ЭОП может устанавливаться в пределах от 1 до 30 000 – 50 000.
ЭОП в качестве <strong>электронно</strong>го затвора<br />
Рис. 2. Зависимость коэффициента усиления электронов<br />
от напряжения на МКП.<br />
Из рис. 1 видно, что электроны при движении проходят три участка, каждый из которых имеет свое ускоряющее<br />
электрическое поле. Это “фотокатод – вход МКП”, “вход МКП – выход МКП” и “выход МКП – экран”. Теоретически, для<br />
импульсного управления (стробирования) ЭОП можно использовать любой из этих промежутков. Выключение любого из<br />
источников питания (V V или V ) переводит его в постоянно закрытое состояние. Подача на обесточенный<br />
фк, МКП экр<br />
промежуток импульса напряжения с соответствующей полярностью и амплитудой приводит к открытию ЭОП на время<br />
равное его длительности. На практике используют только первые два участка: “фотокатод – вход МКП” и “вход МКП –<br />
выход МКП”. Экранный промежуток потребовал бы для управления импульсы с амплитудой 5…6 кВ, против нескольких<br />
сотен вольт для первых двух, что, при прочих равных условиях, привело бы к неоправданно большим габаритам<br />
модуля управления.<br />
Еще одно условие делает предпочтительным стробирование только по промежутку “фотокатод – вход МКП”. Дело в том,<br />
что в ждущем режиме, при управлении по промежутку “вход МКП – выход МКП”, через открытый промежуток<br />
“фотокатод – вход МКП” электроны, генерируемые фотокатодом при фоновом (дневной свет) и импульсном (лампавспышка)<br />
облучении, продолжают бомбардировать входную поверхность МКП. При длительном воздействии больших<br />
потоков электронов микроканальная пластина может выделять остаточные газы, которые резко снижают ресурс работы<br />
ЭОП ("отравляется" фотокатод, возникают постоянно светящиеся точки и т.п.). То есть, с ним требуется обращаться так<br />
же, как при использовании его в приборах ночного видения – не допускать попадания на фотокатод значительного<br />
фонового светового потока. Если это условие выполнимо, то можно с успехом применять стробирование по МКП. К<br />
сожалению, для многих задач эти требования не выполнимы. В первую очередь, это касается такой области<br />
исследований как баллистика. Эксперименты проводятся в дневное время, а длительность импульсной подсветки может<br />
быть в тысячи раз больше, чем длительность затворного импульса. Так как лампа-вспышка должна обеспечивать<br />
мощность, требующуюся для получения за время экспозиции определенного количества фотонов, необходимого для<br />
образования соответствующего изображения, то вся ее остальная энергия создает только дополнительную электронную<br />
нагрузку на входе МКП.<br />
При стробировании по промежутку “фотокатод – вход МКП” в выключенном состоянии электроны не достигают МКП при<br />
любом уровне облучения фотокатода. Такой режим позволяет работать в условиях яркого дня даже при максимальном<br />
коэффициенте усиления ЭОП (но не выше необходимого для импульсного режима).<br />
Для стробируемого режима длительность импульса, отпирающего ЭОП, определяет время экспозиции кадра, а число<br />
фотонов за это время упавших на фотокатод – значение энергии регистрируемого изображения. На экране<br />
пропорционально коэффициенту усиления ЭОП излучается соответствующее число фотонов. Из-за инерционности<br />
люминофора время, в течение которого они излучаются, может значительно превышать длительность экспозиции. В<br />
импульсных системах это не имеет значения. Главное, чтобы все они попали на многоканальный фотоприемник (ПЗС
импульсных системах это не имеет значения. Главное, чтобы все они попали на многоканальный фотоприемник (ПЗС<br />
или КМОП) телевизионной системы записи изображения в интервале, соответствующим фазе накопления заряда.<br />
В настоящее время существуют схемотехнические решения, обеспечивающие построение затворных модулей с<br />
управляемой длительностью t от 5 наносекунд до сотен микросекунд и более. Такой диапазон обеспечивает<br />
эксп<br />
регистрацию (сверхскоростное фотографирование) объектов, летящих со скоростью значительно превышающей первую<br />
космическую (8 000 м/с). Для сравнения – свет проходит расстояние в 1 м за время 3 нс. Схемы с фиксированной<br />
длительностью импульса (на основе сверхскоростной коммутации линий с распределенными параметрами)<br />
обеспечивают минимальные времена стробирования десятки пикосекунд, но в данной статье они не рассматриваются.<br />
Высокочастотные свойства <strong>электронно</strong>-оптических преобразователей являются отдельной проблемой. Выпускаемые<br />
различными производителями серийные ЭОП, как правило, были разработаны для приборов ночного видения, в<br />
которых не требовались такие характеристики. Поэтому, в некоторых случаях, данные ЭОП требуют существенной<br />
доработки.
Рис. 3. Импульсное управление ЭОП поколения II и III.<br />
Принципы построения многоканальных <strong>программно</strong>-управляемых <strong>электронно</strong>-оптических комплексов<br />
Структура комплекса, как правило, определяется его назначением. Съемка при коротких экспозициях требует активной<br />
подсветки объекта, которую, как правило, выполняют лампы-вспышки (иногда используют и мощные импульсные<br />
лазеры). Запуск лампы-вспышки осуществляется сигналом от фотодатчика синхронно с моментом появления объекта в<br />
поле зрения определенного канала комплекса. Точная регулировка задержки срабатывания затворного модуля<br />
определяет момент съемки и выбирается из расчетного времени появления объекта в заданной точке. Кроме того,<br />
применение комплекса для съемки объектов, движение которых может происходить с различными скоростями, требует<br />
возможности изменения времени экспозиции так же в достаточно широких пределах.<br />
В качестве примера, на рис. 4 показана одноканальная программируемая система регистрации. В ее состав входят:<br />
<strong>электронно</strong>-оптическая камера (ЭОК), состоящая из <strong>электронно</strong>-оптического преобразователя (ЭОП) с затворным<br />
модулем, которые выполняют функции сверхскоростного затвора и усилителя изображения; 2/3" цифровая<br />
ПЗС-камера высокого разрешения (1280 x 1024);<br />
импульсная лампа-вспышка (ИЛ);<br />
устройство фотозапуска, состоящее из лазера (Л) и фотодатчика (ФД);<br />
промышленный компьютер (ПК).<br />
После включения системы оператор с помощью специального <strong>программно</strong>го обеспечения производит установку всех<br />
параметров комплекса в программный модуль ЭОК. Они обеспечивают регистрацию изображения объекта и запись его<br />
в память компьютера. К таким параметрам относятся:<br />
величина задержки запуска импульсной лампы-вспышки;<br />
величина задержки срабатывания формирователя затворного импульса в ЭОК;<br />
значения длительности затворного импульса (время экспозиции);<br />
значение коэффициента усиления ЭОП (напряжение на МКП).
Рис. 4. Структурная схема одноканальной <strong>программно</strong>-управляемой <strong>электронно</strong>-оптической камеры в<br />
составе испытательного комплекса.<br />
После выхода из ствола объект прерывает лазерный луч. При этом фотодатчик ФД вырабатывает синхроимпульсы 1 и<br />
2 для запуска импульсной лампы вспышки ИЛ и <strong>электронно</strong>-оптической камеры ЭОК. К моменту времени t , когда<br />
a<br />
объект оказывается в поле зрения А камеры, происходит их запуск. Изображение объекта через входной объектив О<br />
вх<br />
проецируется на фотокатод ЭОП, затвор которого в этот момент открывается на время t . Электроны, вылетевшие с<br />
эксп<br />
фотокатода, образуют определенный заряд, который, усиливаясь в МКП в K раз, вызывает на экране ЭОП оптическую<br />
e<br />
вспышку соответствующей энергии.<br />
В некоторых баллистических задачах в дополнение к режиму однократной экспозиции весьма полезным может<br />
оказаться режим двойной экспозиции. Он заключается в том, что после срабатывания затвора ЭОП в момент t через<br />
a<br />
предварительно установленную задержку происходит повторное срабатывание затвора в момент t , к которому объект,<br />
b<br />
оставаясь в поле изображения камеры, переместится (рис. 4). При этом на экране ЭОП будет сформировано два<br />
изображения одного объекта разнесенные по полю. Необходимым условием такого режима является отсутствие<br />
отраженного света от различных поверхностей (стен, конструктивных элементов) находящихся в поле изображения.<br />
С экрана ЭОК усиленное изображение через проекционный объектив О переносится на фоточувствительную<br />
пр<br />
площадку цифровой ПЗС-камеры, которая также работая в ждущем режиме, к данному моменту перешла в режим<br />
накопления заряда. Время накопления выбирается немного больше времени послесвечения люминофора ЭОП. За это<br />
время (для люминофора Р-20 оно равно 3…5 мс) накапливаются все сигнальные фотоны, и дальнейшее накопление<br />
"собирает" только фоновый шум. После этого видеоданные оцифровываются в 10 битный код и через вентильную<br />
матрицу, программируемую пользователем, попадают на приемопередатчики, работающие на кабель “витая пара”. В<br />
зависимости от условий испытаний более удобным может оказаться применение волоконно-оптических линий связи или<br />
радиоканала. Обмен данными между камерой и ПК происходит через плату ввода изображения (фрэйм-грабер) с шиной<br />
PCI.<br />
Кроме того, при такой конфигурации обеспечивается очень высокая чувствительность регистрации изображения. При<br />
максимальном коэффициенте усиления она составляет десятки фотонов на разрешаемый элемент изображения в<br />
плоскости фотокатода ЭОП.
На основе представленной одноканальной системы можно строить и многоканальные комплексы с практически<br />
неограниченным числом камер. Пример многоканального <strong>программно</strong>-управляемого комплекса представлен на рис. 5.<br />
В его состав входят:<br />
1) 1ё 6 – однокадровые ЭОК (аналогичные показанной на рис. 3);<br />
2) А ё Е – импульсные лампы-вспышки;<br />
3) многокадровая ЭОК.<br />
4) ПК – промышленный компьютер, программирующий все составляющие комплекса, записывающий и<br />
обрабатывающий регистрируемую информацию.<br />
В данном перечне новым компонентом является многокадровая ЭОК (см. рис. 6), которая представляет собой блок из<br />
восьми <strong>электронно</strong>-оптических каналов, на входы которых проецируются изображения исследуемого объекта через<br />
один общий входной объектив и призменный расщепитель светового пучка на восемь.<br />
Каждый из восьми каналов по структуре аналогичен представленной на рис. 4 ЭОК.<br />
При поступлении на вход камеры пускового импульса происходит запись последовательности кадров в точно заданные<br />
моменты времени и с точно заданным временем экспозиции. Последовательность из восьми записанных кадров через<br />
кабель связи передается в промышленный компьютер. Специальный контроллер ввода изображений (на шине PCI)<br />
обеспечивает запись кадров в оперативную память.<br />
Рис. 5 Баллистическая трасса и приборный комплекс
Рис. 6. Моноблочная программируемая многокадровая ЭОК.<br />
Запуск всего комплекса осуществляется в момент вылета объекта из ствола с помощью специального модуля<br />
синхронизации (на рисунке не показан). Синхроимпульс поступает на все ЭОК 1 ё ЭОК 7 и импульсные лампы (А ё Е), а<br />
их запуск происходит последовательно в соответствии с установленными временными задержками. Они определяются<br />
из расчета ожидаемого времени появления объекта в поле зрения соответствующих камер. Параметры многокадровой<br />
камеры выбираются, также, из ожидаемой длительности процесса разрушения объекта при его взаимодействии с<br />
мишенью.<br />
Преимуществом применения подобных комплексов является то, что на основе описанных компонентов в зависимости от<br />
конкретных требований можно легко компоновать различные по числу камер системы.<br />
На фото 1 и 2 представлены результаты скоростной съемки, полученные с помощью программируемого четырех<br />
кадрового <strong>электронно</strong>-оптического комплекса NANOGATE–Frame 4. На фото 1 – серия из трех кадров процесса<br />
распада объекта при его движении по траектории со скоростью примерно 1000 м/с. Интервалы между кадрами 200 мкс<br />
(между первым и вторым) и 120 мкс (между вторым и третьим кадром). Времена экспозиции для каждого кадра указаны<br />
под фотографией.
t = 0<br />
1<br />
t = 50 нс<br />
эксп<br />
t = 200 мкс<br />
2<br />
t =200 нс<br />
эксп<br />
t = 320 мкс<br />
3<br />
t =300 нс<br />
эксп<br />
Фото 1. Серия из трех кадров зарегистрированных<br />
комплексом NANOGATE–Frame 4.<br />
На фото 2 – одиночный снимок, трассирующего объекта, двигающегося по траектории со скоростью примерно 800 м/с.<br />
Снимок сделан при экспозиции равной 300 нс. В обоих случаях подсветка объекта осуществлялась импульсной лампойвспышкой.<br />
t =300 нс<br />
эксп<br />
Фото 2. Одиночный снимок, трассирующего объекта, двигающегося по траектории со скоростью примерно<br />
800 м/с<br />
В заключение хотелось бы отметить, что многоканальные <strong>программно</strong>-<strong>управляемые</strong> <strong>электронно</strong>-оптические комплексы,<br />
могут найти широкое применение и в таких областях как:<br />
взаимодействие импульсного лазерного излучения с веществом;<br />
импульсная флюоресценция;<br />
физика плазмы;<br />
вибрация.
физика плазмы;<br />
вибрация.<br />
Короче, везде, где есть необходимость регистрировать динамику быстрых процессов в широком спектральном<br />
диапазоне.<br />
Литература.<br />
1. Бутслов М.М., Степанов Б.М., Фанченко С.Д. Электронно-оптические преобразователи и их применение в научных<br />
исследованиях, М.: Наука, 1978 г.<br />
2. Изнар А.Н., Электронно-оптические приборы, М.: “Машиностроение”, 1977 г.<br />
3. Материалы международных конференций “High Speed Photography, Videography and Photonics” 1970 – 2000 гг.<br />
4. Материалы Всесоюзных конференций по высокоскоростной фотографии и фотонике. 1972 – 2001 гг.<br />
5. М.И. Крутик, В.П. Майоров, В.В. Попов, М.С. Семин. Программируемая наносекундная <strong>электронно</strong>-оптическая камера<br />
NANOGATE-GC-1, “НПК ВИДЕОСКАН”. Тезисы докладов на 19 Всероссийской Конференции по высокоскоростной<br />
фотографии и фотонике., Москва, 2001 г.<br />
6. М.И. Крутик, В.П. Майоров, В.В. Попов, М.С. Семин. Программируемый 4-х кадровый наносекундный <strong>электронно</strong>оптический<br />
комплекс NANOGATE–Frame 4, “НПК ВИДЕОСКАН”. Тезисы докладов на 19 Всероссийской Конференции по<br />
высокоскоростной фотографии и фотонике., Москва, 2001 г.<br />
7. В.Г. Комар, Д.Ю. Сон, М.С. Семин, В.П. Майоров, С.А. Сабо, С.В. Беляев, Л.М. Балясный, М.И. Крутик, О.А. Любич,<br />
В.Л. Котляр, В.Е. Лапотенко. Трехмерная многоракурсная безочковая цветная телевизионная система с<br />
голографическим экраном//Техника кино и телевидения, № 4, 1998 г.