CN108965734B - 基于同步控制的超高速成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于同步控制的超高速成像方法，它包括：使成像单元中的工业相机对测量区域序列成像，并且使每台工业相机曝光时间内对应一台脉冲激光器对测量区域闪光；所述脉冲激光器通过外触发点灯信号和调Q信号进行闪光控制；所述成像单元包括多台带有成像镜头、分辨率至少为1000万像素的工业相机；脉冲激光器的数量与工业相机的数量相同；脉冲激光器的脉冲宽度最多为10ns。本发明能实现对目标的高分辨率超高速序列成像，可应用于序列阴影成像及序列前光成像。

Description

基于同步控制的超高速成像方法

技术领域

本发明涉及超高速成像技术领域，尤其涉及一种基于同步控制的超高速成像方法。

背景技术

随着航天技术、武器装备和基础学科的发展，对超高速空气动力学、超高速碰撞、***与冲击、燃烧与化学反应等领域的研究不断深入。这些研究工作中，许多现象是持续时间仅为微秒甚至纳秒级的超高速瞬态变化过程，对这些变化过程进行清晰、连续地成像记录，有利于掌握其物理现象的本质。对物质现象超高速序列成像除了对摄影仪器的幅频要求很高以外，还须确保获得的图像分辨率足够高，有效曝光时间足够短，从而提高成像清晰度，减小由于超高速运动引起的图像模糊失真。现有转镜式分幅胶片高速摄影机，在使用前后需要准备胶片并进行冲洗，使用不方便；而已有的多光源空间分离的序列成像技术是将不同激光束按照一定的空间角度布置，所有激光束扩束以后以近似同一光路形式照射到待测试区域，经过汇聚以后的激光束在成像***中再通过反射镜和分束镜把不同的光束相互分开，并且放大角度，成像过程中不同激光束的出光时刻流场阴影信息相应地记录在相机内，相机采用长时间曝光的方式来成像，因此只适用于对目标阴影成像，而不适用于目标的前光成像。

因此，针对以上不足，需要提供一种新的超高速成像技术，能够对目标高分辨率成像，并通用于前光成像和阴影成像。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有多光源空间分离的序列成像技术需要长时间曝光，不适用于前光成像的缺陷，提供一种基于同步控制的超高速成像方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于同步控制的超高速成像方法，它包括：

使成像单元中的工业相机对测量区域序列成像，并且使每台工业相机曝光时间内对应一台脉冲激光器对测量区域闪光；所述脉冲激光器通过外触发点灯信号和调Q信号进行闪光控制；

所述成像单元包括多台带有成像镜头、分辨率至少为1000万像素的工业相机；脉冲激光器的数量与工业相机的数量相同；脉冲激光器的脉冲宽度最多为10ns。

在根据本发明所述的基于同步控制的超高速成像方法中，所述工业相机和脉冲激光器通过时序控制单元进行控制，时序控制单元输出相机触发信号控制工业相机快门的开启；时序控制单元还输出光源触发信号控制脉冲激光器的闪光，所述光源触发信号包括外触发点灯信号和调Q信号。

在根据本发明所述的基于同步控制的超高速成像方法中，所述相机触发信号的触发时刻至少基于相机外触发延时时间确定。

在根据本发明所述的基于同步控制的超高速成像方法中，所述光源触发信号的触发时刻至少基于光源外触发延时时间确定。

在根据本发明所述的基于同步控制的超高速成像方法中，所述光源触发信号的触发间隔至少基于工业相机的曝光时间确定。

在根据本发明所述的基于同步控制的超高速成像方法中，所述光源出光时间间隔至少大于工业相机曝光时间的一半。

在根据本发明所述的基于同步控制的超高速成像方法中，成像单元中相邻工业相机快门的开启时间间隔t_I至少为：

t_I＝0.5×t_CE+1μs；

其中t_CE表示工业相机的最短曝光时间。

在根据本发明所述的基于同步控制的超高速成像方法中，所述光源触发信号的外触发延时时间包括从发出外触发点灯信号直到脉冲激光器闪光所需要的时间。

在根据本发明所述的基于同步控制的超高速成像方法中，所述光源触发信号的外触发延时时间的确定方法为：

以外触发点灯信号的输出时刻为0时刻，调Q信号的输出时刻为t_LI，调Q信号的输出时刻与脉冲激光器闪光的时间间隔为t_LD，则外触发延时时间为t_LI+t_LD。

在根据本发明所述的基于同步控制的超高速成像方法中，所述相机触发信号的触发时刻为：

t_LI+t_LD-t_CD-0.5×t_CE；

其中t_CD为相机外触发延时时间；

时序控制单元输出光源触发信号控制脉冲激光器的闪光时刻处于工业相机的曝光时间中点。

实施本发明的基于同步控制的超高速成像方法，具有以下有益效果：本发明采用同步控制，使工业相机的成像与相应的脉冲激光器出光相配合，实现对目标的序列成像。为了保证激光器的出光控制精度，对其采用外触发点灯和调Q信号分别控制，由此在保证准确控制激光器出光时刻的前提下，再使出光时刻处于工业相机的曝光时间内，能实现对目标的高分辨率超高速序列成像，可应用于序列阴影成像及序列前光成像，对获得清晰的超高速序列瞬态图像具有重要意义。

附图说明

图1是根据本发明的基于同步控制的超高速成像方法的控制工业相机序列开启曝光和对应脉冲激光器闪光示意图；其中激光器闪光时刻对应于相机曝光时间的中间时间点；横坐标t表示时间；

图2是与图1对应的，激光器闪光时刻对应于相机曝光时间的中间时间点以前时，对相机曝光与激光器闪光的控制示意图；

图3是在一次成像过程中，通过时序控制单元对工业相机和脉冲激光器进行触发控制的触发信号时刻示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于同步控制的超高速成像方法，它包括：

使成像单元中的工业相机对测量区域序列成像，并且使每台工业相机曝光时间内对应一台脉冲激光器对测量区域闪光；所述脉冲激光器通过外触发点灯信号和调Q信号进行闪光控制，保证激光器出光时刻更精确。

所述成像单元包括多台带有成像镜头、分辨率至少为1000万像素的工业相机；工业相机的曝光时间可以选择小于10μs；脉冲激光器的数量与工业相机的数量相同；脉冲激光器的脉冲宽度最多为10ns，时序精度优于10ns。

本实施方式通过多台工业相机和相应的脉冲激光器相配合，对超高速瞬态变化目标成像。在每个相机有效曝光时间段对应一台脉冲激光器闪光，因为是通过多个相机在时间序列的控制下顺次对目标成像，因此不必采用昂贵的高分辨率超高速摄像机，即可充分保证每台相机的成像质量。在本公开中，1000万像素的工业相机足够满足对目标的成像需求。脉冲激光器的脉冲宽度越小，对成像目标产生的拖影越小，成像越清晰，在使用中根据实际需求进行选择。其中每台脉冲激光器分别独立出光对测试区域进行照明，工业相机对同一测试区域序列成像。

对于工业相机和脉冲激光器，可以基于设定的相机曝光时间，及欲实现的激光器闪光时刻，对二者进行时序控制。

进一步，所述工业相机和脉冲激光器可以通过时序控制单元进行控制，时序控制单元输出相机触发信号控制工业相机快门的开启；时序控制单元还输出光源触发信号控制脉冲激光器的闪光，所述光源触发信号包括外触发点灯信号和调Q信号。

作为示例，所述时序控制单元可以采用传统的TTL信号驱动控制方式对工业相机和脉冲激光器进行控制。

进一步，所述相机触发信号的触发时刻至少基于相机外触发延时时间确定。不同工业相机从触发到曝光的外触发延时时间不同，确定了相机外触发延时时间，才能根据要求的相机曝光时间确定相机触发信号的输出时刻。

进一步，所述光源触发信号的触发时刻至少基于光源外触发延时时间确定。同样，为了使激光器的出光时刻与相机曝光时间相配合，并且使激光器的出光时刻对应于曝光时间内的预定时间点，也要基于光源外触发延时时间确定光源触发信号的输出时刻。

所述光源触发信号的触发间隔至少基于工业相机的曝光时间确定。结合图1所示，为了使光源的闪光只对应于一个工业相机的有效曝光时间内，而不会同时处于其它工业相机的有效曝光时间内，才能获得更好的成像质量，所以光源触发信号触发间隔的选择与工业相机的曝光时间有关。

所述光源出光时间间隔，也就是光源触发信号的触发间隔至少大于工业相机曝光时间的一半。光源触发信号的触发间隔选择还与单位时间内欲获得的目标图像数量需求有关。事实上，只要激光器闪光瞬间处于相机曝光时间内，相机都应该能获得同样高质量的图像；结合图1可知，对应于第一台工业相机CCD1的曝光时间A,光源闪光时刻B可以选择处于曝光时间A的中间时间点；此时，对于工业相机CCD2、工业相机CCD3和工业相机CCD4来说，光源闪光时刻均选择处于相机曝光时间的中间时间点，当有更多工业相机和脉冲激光器时，依此类推。若将图1中光源闪光时刻向曝光时间的左侧移动，即使光源闪光时刻处于相机曝光时间的所述中间时间点以前，如图2所示，此时后续工业相机的曝光时间均需要向后移动，才能保证激光器在相机曝光时间段内相应的时间点闪光时，只有一个工业相机在有效曝光时间内，此时相对于图1的方式，工业相机的成像频率相当于降低了。同理，若将图1中光源闪光时刻向曝光时间的右侧移动，即使光源闪光时刻处于相机曝光时间的所述中间时间点以后，结合上述理论分析可知，在保证激光器在相机曝光时间段内相应的时间点闪光时，有且只有一个工业相机在有效曝光时间内的基础上，可以提高工业相机的成像频率。但为了保证工业相机的成像效果，一般选择对应的闪光时刻处于相机曝光的前半段，同时，为了确保相机的有效曝光时间不会重叠，要使相邻后一个工业相机的曝光时间与前一个相机的有效曝光时间有一个时间间隔，因此需要光源触发信号的触发间隔至少大于工业相机曝光时间的一半。

为了实现序列成像，使每个相机有效曝光时间内只采集到相应脉冲激光器闪光时刻的测试区域信息，作为示例，成像单元中相邻工业相机快门的开启时间间隔t_I至少为：

t_I＝0.5×t_CE+1μs；

其中t_CE表示工业相机的最短曝光时间。

一般情况下，相邻后一个工业相机的曝光时间与前一个相机的有效曝光时间选择间隔开1μs，能确保两个相机的有效曝光时间不会重叠。

为了保证每个工业相机的有效曝光时间内只有一个脉冲激光器闪光，超高速序列成像的最小理论间隔为0.5×t_CE；为实现序列成像控制的可靠性再考虑1μs余量，获得工业相机快门的最小开启时间间隔为t_I；对后续的相机及激光器的控制时间间隔在t_I的基础上乘以相应的倍数即可获得。

进一步，所述光源触发信号的外触发延时时间包括从发出外触发点灯信号直到脉冲激光器闪光所需要的时间。

本公开中，为了准确控制激光器闪光的时刻，采用了点灯信号和调Q信号的共同控制；因此光源触发信号的外触发延时时间从点灯信号开始计算，再到调Q信号的输出并延时后，激光器才会出光。

进一步，所述光源触发信号的外触发延时时间的确定方法为：

以外触发点灯信号的输出时刻为0时刻，调Q信号的输出时刻为t_LI，调Q信号的输出时刻与脉冲激光器闪光的时间间隔为t_LD，则外触发延时时间为t_LI+t_LD。实际使用中，t_LD通常小于1μs，t_LI通常大于100μs。

作为示例，所述相机触发信号的触发时刻可以为：

t_LI+t_LD-t_CD-0.5×t_CE；

其中t_CD为相机外触发延时时间；实际使用中t_CD通常小于100μs。

时序控制单元输出光源触发信号控制脉冲激光器的闪光时刻处于工业相机的曝光时间中点。

本公开中，若以激光器出光时刻为t_LI+t_LD，为使出光时刻与相机的曝光时间中点相对应，首先需要预留出相机外触发延时时间t_CD，即使t_LI+t_LD-t_CD；另外还为了与曝光时间中点相对应，则需选择相机触发时刻为t_LI+t_LD-t_CD-0.5×t_CE。

结合图3所示，在初始0时刻脉冲激光器接收到点灯信号，延时t_LI时长后脉冲激光器接收到调Q信号，再延时时间间隔t_LD，脉冲激光器出光。

使激光器恰好在工业相机的曝光时间中点闪光，能确保工业相机在曝光时间内获得一个脉冲激光器闪光时刻的成像信息，图像上记录有光源闪光时刻的流场信息，这样保证了成像质量又能获得相对高的成像频率。

本公开的时序控制单元中包括FPGA逻辑控制电路，其控制时序根据脉冲激光器的外触发点灯、调Q时间间隔及出光延时，工业相机外触发响应延时和最短曝光时间，及图像采集帧频设置对应的控制参数。相机图像采集与传输的参数设置可通过采集控制软件实现。

综上所述，本发明通过序列控制工业相机开启和对应脉冲激光器的闪光实现高分辨率超高速序列成像，对于需要获得清晰的超高速序列瞬态图像的领域具有重量意义。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于同步控制的超高速成像方法，其特征在于：它包括：

使成像单元中的工业相机对测量区域序列成像，并且使每台工业相机曝光时间内对应一台脉冲激光器对测量区域闪光；所述脉冲激光器通过外触发点灯信号和调Q信号进行闪光控制；

所述成像单元包括多台带有成像镜头、分辨率至少为1000万像素的工业相机；脉冲激光器的数量与工业相机的数量相同；脉冲激光器的脉冲宽度最多为10ns；

所述工业相机和脉冲激光器通过时序控制单元进行控制，时序控制单元输出相机触发信号控制工业相机快门的开启；时序控制单元还输出光源触发信号控制脉冲激光器的闪光，所述光源触发信号包括外触发点灯信号和调Q信号；

所述光源触发信号的触发时刻至少基于光源外触发延时时间确定；

所述光源触发信号的触发间隔至少基于工业相机的曝光时间确定；

光源出光时间间隔至少大于工业相机曝光时间的一半。

2.根据权利要求1所述的基于同步控制的超高速成像方法，其特征在于：所述相机触发信号的触发时刻至少基于相机外触发延时时间确定。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的基于同步控制的超高速成像方法，其特征在于：

成像单元中相邻工业相机快门的开启时间间隔t_I至少为：

t_I＝0.5×t_CE+1μs；

其中t_CE表示工业相机的最短曝光时间。

4.根据权利要求3所述的基于同步控制的超高速成像方法，其特征在于：所述光源触发信号的外触发延时时间包括从发出外触发点灯信号直到脉冲激光器闪光所需要的时间。

5.根据权利要求4所述的基于同步控制的超高速成像方法，其特征在于：所述光源触发信号的外触发延时时间的确定方法为：

以外触发点灯信号的输出时刻为0时刻，调Q信号的输出时刻为t_LI，调Q信号的输出时刻与脉冲激光器闪光的时间间隔为t_LD，则外触发延时时间为t_LI+t_LD。

6.根据权利要求5所述的基于同步控制的超高速成像方法，其特征在于：所述相机触发信号的触发时刻为：

t_LI+t_LD-t_CD-0.5×t_CE；

其中t_CD为相机外触发延时时间；

时序控制单元输出光源触发信号控制脉冲激光器的闪光时刻处于工业相机的曝光时间中点。

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