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基于物联网的智能化条纹相机控制系统的研制

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资料介绍

为满足条纹相机便携化、智能化的发展需要,研制了一种高适用性的分布式智能控制系统,实现了对条纹相机工作参量的监测,对电极电压、扫描工作模式的精确控制以及对图像的采集与处理.基于物联网技术框架与客户端-服务器的结构模式,实现了有线及无线设备扩展的多机协作功能与移动监控功能.并针对该控制系统,设计了具有自保护功能的自激型反激式可调高压电源模块,基于自激式拓扑的简单结构,实现了电源的小型化,且线性调整准确度可达1％.采用Nd:YLF脉冲激光器(脉宽8 ps,波长526.5 nm)对应用该控制系统的可见光皮秒条纹相机进行标定,测试得到动态分辨率为12.75 Lp/mm(CTF=14％),动态范围为234∶1,时间分辨率达到14 ps.

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光子

报

V01．46 No．5

第46卷第5期

2017年5月

学

ACTA PHOTONICASINICA

2017

May

doi：lO．3788／gzXb20174605．0522002

基于物联网的智能化条纹相机控制系统的研制

吕斌1一，裴承全3，田进寿1，温文龙1，王俊锋1

(1中国科学院西安光学精密机械研究所，超快诊断技术重点实验室，西安710119)

(2中国科学院大学，北京100049)

(3西安交通大学电子器件与物理教育部重点实验室，西安710049)

摘

要：为满足条纹相机便携化、智能化的发展需要，研制了一种高适用性的分布式智能控制系统，实现

了对条纹相机工作参量的监测，对电极电压、扫描工作模式的精确控制以及对图像的采集与处理．基于

物联网技术框架与客户端一服务器的结构模式，实现了有线及无线设备扩展的多机协作功能与移动监控

功能．并针对该控制系统，设计了具有自保护功能的自激型反激式可调高压电源模块，基于自激式拓扑

的简单结构，实现了电源的小型化，且线性调整准确度可达1％．采用Nd：YLF脉冲激光器(脉宽8 ps，

波长526．5 rim)对应用该控制系统的可见光皮秒条纹相机进行标定，测试得到动态分辨率为12．75 Lp／

mm(CTF=14％)，动态范围为234：1，时间分辨率达到14 ps．

关键词：条纹相机；分布式控制；物联网；自激式开关电源；过流保护

文章编号：1004—4213(2017)05—0522002—8

中图分类号：TNl6

文献标识码：A

of the

Streak Camera Control

System

and

Intelligent

Design

Implementation

Based on Internet

Things

L0 Binl‘2，PEI

Cheng—quan3，TIAN Jin—shoul，WEN Wen—lon91，WANG Jun—fen91

Institute

Photoelectric

Technology，Xi’an

Diagnostics

Key Laboratory of Ultra—fast

andPrecision，Xi7an 710119，China)

Optics

Chinese

100049，China)

University of

Academyof Sciences，Beij ing

Electronicsand Devices

the

Education，

Ministry of

KeyLaboratory forPhysical

Xi7n”Jiaotong

Universitv，Xi’an 710049，China)

streak cameras more

make

distributed

control

was

Abstract：A

system

implemented^to

working parameters，precise

and

protable

control of the electrode

the structure of

intelligent

and

achieved the

monitoring

scanning patterns，additionally，image acquisition

and client—server model，the realized

intelligent，which

and

processing．Based

multimachine collaboration

voltage

Internet of

capabilities

system

extension and mobile

things

about wired and wireless devices

choke converter was

ustable self-

Furthermore， an

monitoring．

for the

adj

realized

designed

system．The power supply

protection high voltage ringing

can

its 1inear

control

ustment

the miniaturization

the

self-excited

structure，and

adj

accuracy

simply

topological

the

wascalibrated

visible

streak camera with

reach 1％．The

intelligent

system

picosecond

light

5 2

nmand _pulsewidth of

resolution

dynamic spatial

the Nd：YLF _pulse

6．5

laser(Wavelength

ps)．A

were

234：1 and

resolution of 14

reached．

lp／mm(CTF=14％)，a dynamicrange ^of

of 20

temporal

contr01

systems；Internet

choke

things；Ringing

converter；

Key words：Streak cameras；Distributed

0vercurrent

protection

oCIS Codes：220．4830；320．7080；320．7100；150．6044；150．5495

基金项目：国家自然科学基金(No．11274377)资助

第一作者：吕斌(1990--)，男，硕士研究生，主要研究方向为超快诊断技术．Email：lvbinhit@126．corn

导师(通讯作者)：田进寿(1970--)，男，研究员，博士，主要研究方向为超快诊断技术．Email：tianjs@opt．ac．cn

7—02—10

收稿日期：2016-12—22；录用日期：201

_Ilt巾：∥7．uWW．photon．ac．cn

万方数据

光

子

学

报

引言

Confined

条纹相机作为具有超高时间分辨的诊断工具叫，不仅是激光核聚变(Inertial

Fusion，ICF)等重

大科学工程的核心诊断手段[2。3]，还广泛应用于光化学、光通讯、海底探测、远程高速目标探测等领域陆5|．为

满足现代仪器便携式、智能化的发展趋势，用于各领域的条纹相机需要在满足其诊断参量的基础上尽可能地

缩小整机体积，尤其是基于条纹相机的激光雷达系统更希望能够搭载在无人机等搭载平台上．惠丹丹‘6|、陈

正凯口3等已研制出小型化多用途的条纹变像管，但是鉴于条纹相机的使用场合大多较为特殊，其电磁辐射环

境复杂，且在多数场合下单一设备无法满足应用要求，因此要实现相机的便携化与智能化，还需具备良好的

电磁兼容性(Electromagnetic

Compatibility，EMC)以及具有设备扩展与多机协作功能的远程智能控制系

统，这就对控制系统的可靠性与通用性提出了要求．由于分布式控制具有高可靠性、灵活性和易于维护等优

点，是目前工业控制的主要趋势[8]，因此，对条纹相机的控制方式也采用分布式控制，可使其满足任意应用的

场合．国际上，日本已研制出易扩展的模块化普适型条纹相机嗍．西安光学精密机械研究所的刘杰等研制的

各向异性聚焦条纹相机程控系统[10|，已经采用了模块化结构设计，但是其系统不具备多设备扩展的功能．另

外，其高压供电模块因自身结构特点，具有体积大、可靠性低等缺点，限制了条纹相机的应用，因此优化电源

模块也很必要．

为提高条纹相机的适用程度，本文基于物联网技术(Internet

things，IoT)具有不受地域限制的设备

扩展性与强大数据交换能力的特点[1“，研制了智能化条纹相机控制系统．系统采用客户端一服务器(Client／

Server，C／S)模式，实现了局域网一广域网、有线一移动设备扩展的功能；设计了具有图像采集、处理功能的PC

监控端与便携式移动监控端以满足不同应用场合的需要．另外，为实现MCP增益和荧光屏高压的有效控

Choke

制，考虑到自激式开关电源(Ringing

Converter，RCC)具有结构简单，容易实现等诸多优点‘12]，针对

该控制系统设计了具有过流保护功能的可调节自激型反激式高压开关电源，实现了电源小型化．

1条纹相机的工作原理

图l为条纹相机的工作原理图．条纹相机包括条纹变像管，高压供电系统，扫描控制系统，CCD记录系

统和智能控制系统等．条纹变像管一般由光电阴极、电子光学系统、像增强器和荧光屏组成．条纹相机的工作

过程如下：光脉冲序列通过狭缝到达光电阴极转化为电子，电子的数量与光脉冲强度成正比，电子经过栅极

电场加速、各聚焦极聚焦后进入偏转板，偏转板上加有高速的斜坡扫描电压，不同时间到达的电子将以不同

的空间位置进入MCP，再经过MCP的电子倍增后轰击荧光屏，最后通过CCD记录荧光屏的图像．整个系统

封闭在一个体积有限的气室内，由智能控制系统监控气室中系统的运行情况．

萃些一。。9

i————————j——————————————ji—————————————————i———————————j——————————U

Photocathode

Sweep

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ccD

。

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eFIIoeecccuttrsr。oinddgee

9hssccorrsepeehnnor

刚1

条二又皇_L工下，象理

of streak camera

Schematic

Fig．1

diagram

根据条纹相机的工作原理，控制系统需要在有限体积内对条纹相机的电子聚焦电压，扫描触发延时，扫

描偏压，图像增益，CCD读出系统等做出精确的控制，并且需要对电极电压，气室环境参量等数据进行精准

的监测以确保相机安全有效的工作．

0522002—2

万方数据

吕斌，等：基于物联网的智能化条纹相机控制系统的研制

智能控制系统设计

图2为基于物联网技术框架的系统总体架构图．如图所示，条纹相机各单元模块通过主控器与上位机通

讯，在主控器与上位机之间搭建一个访问节点(Access Point，AP)，并通过单模光纤与主控器相连以减少电

磁干扰对通讯造成的影响．包括主控器、移动设备、手持设备和其他扩展设备等通过AP访问节点与服务器

完成数据交换．其中，有线设备的通讯采用TCP／IP协议，无线设备的通讯采用IEEE802．11协议，通讯模式

有局域网和因特网两种．

Wireless sensor

函2 糸玩思庠菜柏

Architecture of overall

Fig．2

system

2．1控制系统硬件架构

图3是模块化分布式条纹相机控制系统的硬件架构及其主要控制参量，具体架构为：高压供电模块的控

制主要由高准确度ADC和DAC完成，均采用SPI总线串行通讯，需要监测的模拟信号通过ADC转化为数

字信号传递给主控器，主控器设定的控制量通过DAC转化为模拟信号发送给底层驱动电路．整个系统具有

翌路TTL电平隔离I／O接口，以保证输入输出稳定．I／O接口主要负责扫描控制、各模块开关以及安全防

∞

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EnvironmentaI mon

module

toring

High

voltage supply

士

ADC

DAC

Sensorl

图3 系统的硬件架构

Architecture of hardware

Fig．3

system

0522002—3

万方数据

光子学报

护等功能．采用传感器监测气室温度、气压等环境参量，保证系统运行在可靠的工作环境内，传感器通过12C

总线与主控器通讯．选用USB 3．0传输图像数据，大幅增加传输速率与通用性．

智能控制系统下位机的主控器实物如图4所示，从上至下分别为主控电路模块、协议转换模块、快门模

块以及低压供电模块．主控电路连接硬件系统各模块，并完成DC-DC电平转换，ADC与DAC驱动电路等功

能；协议转换模块完成串El通讯到TCP／IP协议的转换；采用高速电子快门控制CCD电荷积累时间，减小背

景噪声对成像的影响；低压供电模块提供24V的直流稳定电压；最后采用屏蔽箱减小外界电磁辐射对主控

器的干扰。

j．±

蓍j二乏i二：、。一王歪茎买jj岛

Master controlh’1‘()i

Fig．1

imclligent contro]systcnl

2．1．1

电源模块设计

图5为自激式开关电源拓扑结构设计：DAC输出的控制电压V。A。，经过由电压比较器构成的稳压驱动

电路，供给开关管VTt的集电极．初始状态下VT。基极为低电平，则VT。正向偏置，集电极电流i。增长，通

过磁芯T，，在反馈绕组Nf产生上负下正的感应电动势，基极电流i。增大从而使i。进一步增大，VT。迅速进

入饱和状态．此时i。成线性迅速增长mi保持不变，二次绕组N。感应电动势上负下正，二极管反向截止，无

输出电流．当i。=艇u时VT，进入放大区，此时i。增长速度减小，N，的感应电动势也随之减小，i。减小导致i。

减小，在Nt产生基极为正的感应电动势，VT。进入截止状态．此时副边线圈N。感应电动势上正下负，二极

管正向导通，电压经过整流升压后产生高压供给负载．同时电容C。通过R。放电，基极电势降低．当变压器中

的存储能量消耗完毕之后，开关管VT。的U。。重新满足导通条件，VT。将再次进入开启状态．

GND

∞

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图d

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源血0

万方数据

吕斌，等：基于物联网的智能化条纹相机控制系统的研制

由工作原理可知，该电源的脉冲信号由自激振荡产生，电源结构简单，可以充分减小体积．另一方面，当

VT。的集电极电流i。过大时，过流检测电阻R。两端电压使得VT：满足导通条件，VT。将对VT。的基极电

流产生分流作用，从而限制VT。集电极电流i。的增长，因此该电源具有一定的自保护功能．

2．1．2

电源测试结果

图6为本文所设计的自激式开关电源的工作曲线，其中图6(a)为DAC输出的模拟电压VDA。对供给

MCP的高压输出HV，的线性调整曲线，所用DAC的位数为16位，相对准确度(relative accuracy)为

± 0．0987％FSR，其输出电压通过上位机发送指令到下位机处理器控制，线性调整准确度可达l％；图6(b)

为该电源HV：输出电压随时间变化的曲线，经测试该电源工作状态稳定，输出电压一小时变化误差约为

0．3％，因此该电源可以满足对条纹相机的高准确度稳定控制．

∞帅舳加∞如∞如加∞

DiA_outpub+V

l llne．min

curve

(a)Linear

(b)Stable working

adjustment

图6

自激式开关电源工作曲线

choke converter

Fig．6 Working

ringing

2．2软件设计

软件系统采用客户端一服务器(Client／Server，c／s)模式，服务器负责数据交换与权限管理；客户端具有

设备的监测权，并可以向服务器请求设备的控制权．同一时间一台设备只能被单一上位机(包括服务器)所控

制．软件采用高级编程语言编写，并在应用层进一步保证系统可靠运行．罔7所示客户端分为PC版(a)与

Android版(b)，PC版本包括相机控制、图像获取以及多种图像处理等功能，移动版可以运行于安卓系统的

手持设备以及嵌入式设备中．满足设备便携化的需求．

version

(a)PC

因，

倡能在柳糸现祆阡

Software of the

control

system

Fig．7

intelligent

客户端图像采集工作流程如图8，首先将相机初始化，获取运行参量，待系统工作状态稳定后进入图像

读取流程：设定相机的工作模式，这包括电极电压设定，增益调节，扫描模式选择以及CCD的曝光时间、触发

模式等．设定完毕后开始获取图像数据，系统监测数据获取情况，待全部数据传输完毕，将图像数据传输至客

0522002—5

万方数据

光子学报

户端图像显示区．得到图像后若无需继续工作，则相机进入关闭环节：为防止过大的温度变化损坏传感器，采

用控制升温或降温速率的方式逐步关闭CCD冷却系统；低压开关将在最后关闭，使得监测系统全程工作以

保证相机安全运行．

Start

』

data

Client

acquires

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Initialize camera

一<秒

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Begin

、

Acquire working

parameters

Close camera

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End

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图8 图像采集工作流程图

Workflow of The

image acquisition system

Fig．8

系统测试

图9为可见光皮秒条纹相机与智能控制系统的测试实验图，本文设计的智能控制系统已应用至该相机，

相机的全部标定实验全部由此智能控制系统完成．动态测试采用Nd：YLF脉冲激光器，光脉冲为半高全宽

标称8 ps，波长526．5 nm的黄绿光对相机进行标定．

图9 可见光条纹相机与智能控制系统测试买验图

Visible

streak camera and

light

control

test

intelligent

system

experiment

Fig．9

3．1动态空间分辨率

采用分划板进行相机动态空间分辨率的标定实验，分划板每个周期含有3．75 lp／mm，6．75

lp／mm，

9．75

lp／mm，12．75 lp／mm，15 lp／mm，共5组分辨率条纹，每组由1：1等宽5条黑白条纹构成．在全屏扫

描时问为5 ns档位下，得到动态空间分辨率扫描图像及其选框部分y轴方向强度分布(图10)，在

12．75

Lp／mm分辨率条纹处，计算出对比度CTF一14％．在9．75 Lp／mm分辨率条纹处，可计算出对比度

CTF一28％．

0522002—6

万方数据

吕斌，等：基于物联网的智能化条纹相机控制系统的研静

加∞∞∞∞加∞∞踟∞

PIxel

distribution

(b)Intensity

图10

动态空间分辨率测试结果

Result of

resolution test

dynamic

Fig．10

3．2

动态范围

采用在输入／输出线性范围内的最强脉冲和最弱脉冲比的方法标定条纹相机的动态范围：调整透射式标

准具镜片距离，产生光脉冲间隔500

ps、强度依次衰减75％的脉冲序列．在全屏扫描时间为5ns档位下，得到

动态空间范围扫描图像与X轴方向强度分布(图11)，其中最强脉冲强度工。。一2 217，最小脉冲强度I幽一

122，背景噪声Jb一113，由此可得动态范围为

D一端一黜础4

2500

2000

皇1500

一

1000

加∞∞∞∞加∞∞鲫∞

500

1000

500

2000

2500

Pixel

distribution

(b)Intensity

图11

动态范围测试结果

Result of

test

Fig．1

dynamic range

3．3动态时间分辨率

采用入射光脉冲宽度的展宽的方法标定动态时间分辨率：调整标准具镜片距离为5 mm(脉冲间隔

33．3

ps)，狭缝宽度为80弘m，在扫描1 ns档位下，得到时间分辨扫描图像与X轴方向强度分布(图12)，其

560× 2

中两个脉冲间隔为Lz—L。一83像素，CCD图像采集分辨率为2

160，则全屏扫描时间为

T一等× 潞--1．028

脉冲半高宽为35像素，估算该相机时间分辨率为T× 35／2560 14．05 ps．由于实验条件限制，本文所

采用的是8 ps

FWHM的入射光脉冲，若采用FWHM更小的人射脉冲进行标定，测得该可见光条纹相机的

极限时间分辨率应优于14．05 ps．

0522002—7

万方数据

光

子

学

报

”

如

筋

加

1000

1200

1400

1600

1800

2000

三一 cu_LI—

∞

，

000

1200

1400

1600

1800

Pixel

distribution

(b)Intensity

(a)Scan image

图12 时间分辨率测试结果

resolution test

Result of

temporal

Fig．1

结论

本文针对条纹相机不同应用场景的需要，基于物联网技术框架，研制了一种扩展性强、网络化、数据处理

功能强大的分布式智能控制系统．采用了无线与有线相结合的客户端一服务器控制模式，方便多机协作与设

备扩展，设计了具有图像读出与处理系统的PC客户端与满足便携化的移动监控端．针对该控制系统，设计

的具有自保护功能的自激式负反馈的可控制高压电源模块，实现了电源的小型化，且线性调整准确度可达

1％．在应用该系统的可见光相机的测试试验中，得到动态分辨率12．75 Lp／mm(CTF一14％)，动态范围

234：1，时间分辨率约为14ps．实验证明该智能控制系统可靠有效，现在该智能控制系统已广泛应用于多种

型号的条纹相机中．

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0522002—8

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