納秒級(jí)分幅超高速視覺(jué)成像裝置的研制.pdf

1、高速視覺(jué)成像技術(shù)能夠?qū)⒛骋凰查g事物的變化歷程以圖像的方式記錄下來(lái)，在國(guó)防科技、科學(xué)研究、生物醫(yī)療等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。成像裝置性能受圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)、讀出噪聲和幀率制約，目前世界上圖像傳感器最高幀率達(dá)到107fps，圖像傳感器的曝光時(shí)間間隔為1us，要實(shí)現(xiàn)對(duì)1us以?xún)?nèi)高速物理現(xiàn)象的精確觀測(cè)，需要在保證圖像質(zhì)量的情況下進(jìn)一步提升圖像采集幀率。
　　本文研制了一臺(tái)基于分幅技術(shù)的超高速成像裝置，幀率500fps，其曝光時(shí)間間隔能夠在0至

2、4ms范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)精度高達(dá)10ns。采用光學(xué)分幅技術(shù)，在保持原有圖像傳感器成像質(zhì)量的基礎(chǔ)上提升了整體成像速度。通過(guò)調(diào)節(jié)不同圖像傳感器的曝光間隔，實(shí)現(xiàn)對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)學(xué)信息的檢測(cè)。本文主要工作和成果包括：
　　(1)針對(duì)成像裝置性能受圖像傳感器性能制約的問(wèn)題，設(shè)計(jì)二分光成像光路結(jié)構(gòu)；針對(duì)精密光學(xué)的分光需求，采用高精度機(jī)械調(diào)校機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了精度為1um的機(jī)械校準(zhǔn)；完成基于FPGA的雙SCMOS高速硬件電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試。
　

3、　(2)根據(jù)成像裝置圖像數(shù)據(jù)量大、輸出速度高的需求，開(kāi)發(fā)了基于FPGA的固件程序，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)圖像傳感器的參數(shù)配置及精度為10ns的時(shí)序控制；采用千兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了成像裝置的圖像顯示和參數(shù)配置；采用具備CRC校驗(yàn)機(jī)制的Cameralink協(xié)議高速傳輸圖像，實(shí)現(xiàn)了峰值速度4080Mb/s的圖像數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。
　　(3)根據(jù)光路及機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了不同圖像傳感器圖像重合度提升的方法，實(shí)現(xiàn)了圖像相關(guān)度由