streak camera
rus eng
streak camera

Электронно-оптическая камера К008. Эволюция возможностей. Часть II

Часть I

Традиционная электронно-оптическая камера К008 имеет следующие недостатки, потребовавшие первоочередного устранения:

  • невозможность удаленного управления камерой вследствие ручного принципа управления с помощью механических переключателей:
  • необходимость следить за согласованностью настроек аппаратуры и программных установок;
  • однооконное программное приложение с ограниченными возможностями масштабирования изображения;
  • большой объем аппаратно-зависимых данных, хранимых в компьютере, и, как следствие,  избыточно жесткая привязка камеры к конкретному компьютеру;
  • невозможность одновременной работы компьютера с несколькими камерами;
  • отсутствие автоматической защиты катода ЭОП от избыточного облучения, возможного при  нештатных ситуациях; 
  • отсутствие в файлах изображений метаданных, описывающих условия съемки;

С целью устранения указанных недостатков и расширения функциональных возможностей, в камеру было внесено существенное архитектурное изменение – исполнительные и управляющие узлы были отделены друг от друга. В исполнительные узлы, такие, как источники высоких напряжений, генераторы импульсов, регуляторы напряжений смещения и др. были внесены элементы управления со связью через унифицированные цифровые интерфейсы. Управляющая часть камеры реализована с применением современной цифровой элементной базы – микроконтроллеров и ПЛИС (FPGA). Аппаратные настройки узлов сохраняются в памяти микроконтроллеров, а аппаратно-зависимые данные, используемые в обработке изображений и имеющие весьма значительный объем, теперь могут сохраняться во встроенном в камеру FLASH накопителе.

Благодаря разделению исполнительной и управляющей частей аппаратуры,  унификации команд управления узлами, появилась возможность повысить взаимозаменяемость узлов и ремонтопригодность камеры. Кроме того, при таком подходе, гораздо удобнее адаптировать камеру под новые режимы работы, и это позволяет более гибко удовлетворять требованиям различных потребителей и учитывать специфику их условий съемки.

При модернизации исполнительных узлов камеры особое внимание уделялось решению следующих двух наиболее важных задач – повышению температурной и долговременной стабильности параметров аналоговых узлов и значительному повышению частоты запуска камеры.

Первое требование диктуется необходимостью минимизации дрейфа изображения на поверхности экрана ЭОП с тем, чтобы алгоритмы обработки изображений, зависящие от местоположения изображения на экране, работали корректно. Для этого в идеальном случае требуется обеспечить температурный дрейф изображения, не превышающий одного пикселя CCD-считывающего устройства камеры во всем диапазоне изменения окружающей температуры (20±15oС). А это означает обеспечение температурной нестабильности напряжений, подводимых к ЭОП, не хуже ± 30 ppm/oС. Решение этой задачи осложняется тем, что постоянные напряжения на ЭОП камеры являются достаточно высокими и могут достигать нескольких киловольт. Высокие требования по стабильности предъявляются также  к амплитуде и форме импульсов, обслуживающих экспозицию и развертку изображения.

Аппаратура традиционной камеры К008 была ориентирована на получение предельных временных параметров, получаемых в процессе однократной развертки или при невысокой  частоте запусков камеры – не более 10 Гц. Такой подход был в определенной степени оправданным, ввиду ограниченной пропускной способности канала USB 2.0, передающего изображения в компьютер. С появлением интерфейса USB 3.0 пропускная способность канала передачи изображений может быть увеличена на порядок, но это не улучшит кардинально возможности электронно-оптических камер. Гораздо более продуктивным может оказаться подход, при котором выполняется ограниченная серия запусков камеры с высокой частотой и однократным  считыванием  изображения с экрана ЭОП в конце серии. При этом камера может работать как в однокадровом, так и в стрик-режиме. Благодаря высокой частоте запусков (десятки килогерц) не экране ЭОП формируется некоторое результирующее изображение, которое, в зависимости от способа запуска камеры, может интерпретироваться различным образом.   Так, например, при работе в кадровом режиме появляется возможность реализовать классическую стробоскопическую съемку, фиксирующую различные фазы движения объекта на одном кадре. Однако скорости процессов в этом случае не будут слишком большими.  Если же быстропротекающий процесс имеет повторяющийся или периодический характер, то при синхронизации запуска камеры с этим процессом в сочетании с применением  управляемой задержки можно реализовать регистрацию весьма быстрых явлений в различных фазах их протекания. Для реализации подобных режимов, а также в целях точной временной юстировки скоростных узлов камеры, в нее введены управляемые цифровые задержки с шагом регулировки в 10 пс.  Это позволит сократить набор внешней аппаратуры, необходимый для реализации описанных выше специальных режимов синхронизации, и упростить процесс съемки.

Высокая частота запуска камеры может быть полезной также и при регистрации слабосветящихся периодических процессов в режиме накопления изображения на экране ЭОП.

Для реализации высокой частоты запуска камеры исполнительные узлы, формирующие импульсные сигналы, были доработаны на предмет существенного снижения времени их релаксации. Это потребовало применения более мощных источников питания и использования регуляторов напряжений, построенных на базе активных элементов, охваченных обратной связью.

Большое внимание уделено переработке узла запуска камеры. В прежней ее версии  имелась только регулировка порога запуска. В новой версии дополнительно введено переключение полярности запускающего импульса,  выбор фронта запуска (нарастающий/спадающий), тип связи с источником запуска – по постоянному или переменному току. Узел запуска имеет цифровое управление, реализован с использованием скоростного компаратора с быстродействием в 1 нс, и обеспечивает гальваническую развязку от источника запуска. Дополнительно к описанному выше основному входу запуска камера имеет два дополнительных входа, один из которых является оптическим входом, а другой – вспомогательным.  На последний могут возлагаться различные функции, которые зависят от выбранного режима синхронизации.

Оптический вход снабжен разъемом типа FC и может быть использован для запуска камеры по оптоволоконному кабелю, приходящему как от некоего внешнего устройства запуска, так  и непосредственно от исследуемого процесса, если тот сопровождается свечением в видимом и ближнем инфракрасном спектре.  

Перечислим только 8 основных нововведений:

1. Управление всеми режимами камеры выполняется по командам из компьютера.

2. Повышена температурная и временная стабильность основных параметров.

3. Повышена частота запуска (с 10 Гц до 1 кГц) в сочетании с накоплением изображения на ПЗС-матрице.

4. Введена  регулируемая задержка запуска камеры с шагом 50 пс и возможность запуска внешних приборов от камеры с такой же регулируемой задержкой.

5. Добавлен встроенный оптический запуск.

6. Введена возможность удаленного управления камерой, в том числе по локальной сети.

7. К одному компьютеру можно одновременно подключать несколько камер.

8. Значительно усовершенствовано программное обеспечение. В частности, добавлен API (Application Program Interface) для сопряжения программного обеспечения камеры с программным обеспечением потребителя и интеграции камер в его программно-аппаратный комплекс.