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        基于高輻照環(huán)境下光導攝像管視頻采集技術解決方案

        2022-09-23 02:08:50程治峰
        科技創(chuàng)新導報 2022年13期
        關鍵詞:光導電子束噪聲

        程治峰

        (蘇州熱工研究院有限公司 江蘇蘇州 215000)

        1 研究背景

        目前,核電站所使用的耐輻射攝像頭主要有兩種類型,分別是光導攝像管和耐輻射的CCD/CMOS 攝像頭。相較于耐輻射CCD/CMOS 攝像頭,耐輻照光導攝像管雖然清晰度比不上CCD/CMOS 攝像頭,但是其抗輻射能力很強,在中高輻照環(huán)境中成像清楚穩(wěn)定,壽命長,是耐輻射攝像頭中較為理想的選擇。

        目前,國內核電站光導攝像管存量逐漸減少,因此,也在中高輻射下采用耐輻射CCD/CMOS攝像頭,但是其壽命不長,而且處理固廢的代價很大。所以,現如今,在中高輻射環(huán)境中光導攝像管還是不可替代的。

        2 耐輻射光導攝像管的研究現狀

        光導攝像管在20世紀中期出現,其制造精美但復雜,后來,隨著CCD/CMOS技術的興起,輕量、高清且分辨率高的照相機漸漸取代了光導攝像管。但是,在某些極端條件下,光導攝像管仍然有其獨特的優(yōu)勢,如微光攝像或在高輻照環(huán)境中。

        在高輻射環(huán)境中,普通CCD 受到高能射線照射,其成像質量會急劇下降,因為高能射線粒子轟擊CCD/CMOS 中門極的隔離層SiO,會引起電子脫離或Si-O鍵斷裂,從而隔離層導通,成像失效。在光導攝像管中,確定成像質量關鍵在于光電導膜,其一面接受外來圖像和射線轟擊,另外一面受到電子束掃描,所以靶面的選擇對其抗輻射能力影響尤為關鍵。

        現如今,針對CCD/CMOS的缺陷,也有國內外機構研發(fā)耐輻射的CCD/CMOS 相機。CCD/CMOS 相機像素高、重量輕、耐受沖擊、工作電壓小,相比光導攝像管具有很大優(yōu)勢,但在高輻射和超高輻射中,CCD/CMOS相機還無法滿足耐輻射要求,相比之下,光導攝像管能夠在此工作條件下正常工作。

        3 耐輻射光導攝像管優(yōu)勢

        耐輻射能力強:單小時最大抗輻射劑量最高可達到30 000Gy/h,總抗輻射劑量可達到200WGy,能夠深入到常人不敢接近的高輻射區(qū)域監(jiān)測核電站的運行。

        結構緊湊,可靠性高:光導攝像管采用緊湊型設計,其產品尺寸小,便于安裝。

        使用壽命長:使用壽命和環(huán)境輻照強度有關,累計總量最高可達200WGy,在1000Gy/h 的高強輻射下連續(xù)工作2000h。

        4 耐輻射光導攝像頭成像原理分析

        (1)反束光導攝像管前壁是光電陰極,進入系統(tǒng)的光像到達光電陰極后,產生光電效應,由光子激發(fā)出電子來,各點發(fā)出來的電子數目正比于光像的光照強度,在光電陰極上形成電子密度像。

        (2)激發(fā)電子穿過金屬柵欄打到靶極,靶極受高速電子的轟擊產生二次電子發(fā)射。二次電子被金屬柵網所捕獲,靶極因逸出二次電子而帶正電,形成電位像。靶上電位高處對應于景物的亮點,電位低處對應于景物的暗點。

        (3)用電子槍準確地瞄準靶極上的點并對靶面進行掃描(所以又稱電子掃描成像為像面掃描成像)。靶面上點從電子束中攝取電子,使靶極達到零電位。從電子槍中射出的電子束的電子數目是固定不變的,但靶面各點吸收電子的數目卻因各點的電位高低而不同,返回的剩余電子數形成了圖像信號,即圖像的亮點,使靶面上對應點的電位高,則從電子束中吸收的電子數就多,剩余返回的電子數少;反之,電子數多。于是,返回電子數就反映了圖像上各點的暗亮程度。

        (4)為了提高輸出信號的強度,在電子槍外套有一組電子倍增器。返回的電子被收集極吸取后,再一次利用二次電子發(fā)射效應,將電流逐級倍增。

        5 耐輻射光導攝像頭設計方案

        5.1 機械設計

        機械結構包括聚焦偏轉線圈和對應的保持器,同時,還需要固定鏡頭和對應的電路板,最后整體組裝成為一個設備。

        機械機構中需要設計的主要是聚焦偏轉器和對應的外殼體。鏡頭直接采用現有的成熟技術。

        5.1.1 聚焦偏轉器

        聚焦偏轉器具體的結構及其組成部分如圖1,其中各部件名稱具體如表1所示。

        圖1 聚焦偏轉器結構

        表1 聚焦偏轉器各個部件名稱

        聚焦線圈在內部,主要作用是將電子束聚焦。聚焦線圈也可以設計在偏轉線圈外部,但這會大大增大偏轉線圈的體積,因為為了得到相同的中心磁場,半徑越大,在線圈電流相同的情況下,需要的線圈匝數越多。將聚焦線圈放在內部,能夠大大減小線圈的體積,但這意味著偏轉線圈的體積會增大很多,但偏轉線圈的匝數比聚焦線圈的匝數少得多,偏轉線圈匝數的增大在一定程度上是可以接受的。

        5.1.2 外殼體

        外殼體主要是為鏡頭、光導管、電路板等結構提供支撐。

        5.2 電路設計

        電路結構包括高壓升壓電路、精密放大采集電路、聚焦偏轉驅動電路、延時電路、信號處理電路、信號傳輸電路、圖像存儲電路。基本的設計框架如圖2所示。

        圖2 電路設計框架

        高壓電路生成光導管正常工作所需要的電壓,高壓電路采用諧振電路,產生低紋波的電壓源。光導管中的熱陰極受熱激發(fā)出電子,經過控制極、加速極,最后經過減速極,垂直入射在靶面上。當圖像靶面受光照,產生起伏的電勢,經電子束背面照射,發(fā)生放電過程,產生電流。最大信號電流為300nA,經過精密的跨阻放大器,最后被高速ADC采集。當控制x和y方向偏轉線圈的電流時,能夠控制電子束從左到右、從上到下掃描,最后將圖像的強弱信號轉化為電流的強弱信號。成像的精度與電子束的聚焦能力、掃描線性度及電子束的余輝遲滯特性有關。得到的圖像信號和掃描時序相比較,加上延時的補償,最后得到完成的圖像。得到的圖像經過數字化濾波,細節(jié)特征被強化,最后壓縮成視頻格式,并經過網口傳輸到成像端顯示。

        5.2.1 高壓升壓電路

        采用兩開關升壓Forward 電路,DSP 輸出精密的ePWM波,控制MOS的開斷,從而在變壓器中產生變化的電流,進而在次級線圈感應出高電勢,感應的高電勢經過不同的分壓節(jié)點產生不同的電壓,分別為光導管的控制極、加速極、聚焦極及減速極提供電壓。

        5.2.2 穩(wěn)壓電路

        穩(wěn)壓電路需要足夠精度的穩(wěn)壓源,高速采集電路的電源采用LDO 提供,其產生的噪聲較小,對圖像信號的影響較小。然而,在高壓升壓電路的電源可以采用BuckBoost電路保證電源的效率,為了防止高頻電感發(fā)出的噪聲對電路采集的影響,需要添加屏蔽層。

        5.2.3 放大濾波采集電路

        前置放大電路最重要的是消除噪聲,將電流信號轉化放大為電壓信號,可能出現的噪聲源如下。(1)電阻熱噪聲、散射噪聲。(2)晶體管的閃爍噪聲、突發(fā)噪聲。(3)電源噪聲。(4)放大器噪聲。(5)信號線路引起的干擾噪聲,如寄生電容、寄生電感、機械振動噪聲。(6)電磁波干擾噪聲。(7)接地回路引起的噪聲。為了防止信號電流淹沒在噪聲信號中,需要合理地選型設計、濾波、合理布線布局、合理接地、外殼屏蔽、靜電屏蔽。設計細則如下。

        (1)電阻噪聲。

        (2)JFET噪聲。

        基極電流噪聲:

        總的噪聲電壓:

        隨著集電極電流增加,噪聲電流增大,噪聲電壓減小,工作頻率越高,噪聲電流越低。

        (3)電源噪聲。簡單的前端加LC或RC濾波器,高精度采用穩(wěn)壓源和LDO芯片,電壓輸出盡可以靠近放大器,原理高頻信號源。

        (4)信號接地。為了屏蔽干擾,采用屏蔽線,屏蔽線外殼接地。當傳輸信號線很長時,需要考慮接地回路的影響,可以采用信號耦合。電路的干擾源有很多,采用合理的布線布局可以避免,對于高頻變壓器,可以添加屏蔽罩,里面采用高導磁率的材質,外面采用低導磁率的材質。

        (5)其他。恒溫。為了使元器件工作在正常范圍,必須保證環(huán)境溫度在一定范圍內,尤其是高溫將導致放大器等器件失效,必須恒溫。工作溫度設置在45℃左右,可以采用電阻絲和溫度傳感器結合起來,工作溫度超過45℃,將大大影響成像質量。另外,隨時間和溫度變化、記憶現象、介質吸收、周期循環(huán)、焊接時溫度影響、撞擊和振動,以及短期過載和濕度等,這些都會影響精度。電路處理采用好的器件外,還需要涂上三防膠,增加防振防潮的能力。

        5.2.4 濾波電路設計

        所提供的光導攝像管產生的圖像為灰度圖像,信號中心頻率為3MHz。信號頻率不能超過3MHz,過快的頻率由于信號余輝遲滯的影響,將會失去信號質量,這意味電路圖像25 幀/s 左右,再高將得不到信號。信號頻率3MHz,信號中心頻率為3MHz,采用Bessel 低通濾波器,截止頻率為6MHz。采用帶通濾波器對器件要求帶寬較大,理想器件較難找尋。

        5.2.5 ADC采樣電路

        ADC 的種類很多,圖像采樣頻率為6M,MUC 內部的ADC 采樣精度為12bit,對于8bit 編碼的灰度圖像,圖像分辨度是足夠的,但是ADC 時鐘頻率至少大于12M(根據二倍采樣定理),采用外部高速ADC,經過高速并口讀取數據,最后被DSP 采集。但需要注意的是電路的延時性,從掃描信號發(fā)出,到生成電磁場,再到光電成像,低噪放大,最后再被ADC采集,中間有時間被消耗,為了得到準確的圖像信號,需要有對應的延時策略。

        5.2.6 電流控制電路

        聚焦偏轉器需要恒定變化的磁場,為了簡化設計,可以采用可控電流源。芯片根據所需要顯示的圖像TV 精度,輸出控制電壓,從而在聚焦偏轉器中產生磁場,控制電子的運動。時序可以由單片機內部的定時器產生。但是有時電子掃描的頻率較高,掃描一幅圖像大概5 萬個點,1s 掃描25 張,總共125 萬點,需要用高速DAC,產生對應的控制電壓。為了能夠保證電子束的左右上下掃描,需要對應的電流偏置電路。

        5.2.7 圖像處理電路

        這里采用工業(yè)常用的DSP 芯片處理圖像,得到的圖像信號需要進行數字濾波、Gamma 調節(jié)、圖像增強等一系列的操作,以得到清晰的圖像,最后還需要進行圖像的壓縮,變成視頻格式,并通過網口傳輸出去。DSP浮點運算快,適合做圖像處理,而選擇STM32接口是因為其具有內置網口接口,設計可以得到簡化,另外,可以分擔一部分STM32處理圖像的負擔。

        6 結論和展望

        6.1 結論

        本文基于磁偏轉磁聚焦模式下的光導攝像管,提出了機械設計和成像電路設計初步方案。實際調試過程中,需要針對聚焦線圈和偏轉線圈進行不同工況下的微調,確保電子束在靶面上形成一個極細的點,并完成電子束的左右上下掃描,從而獲得圖像信號,最終顯示為圖像,但整個系統(tǒng)的抗輻照性能需要所有部件均具備較高的耐輻照壽命。

        6.2 展望

        隨著未來我國核電事業(yè)的蓬勃發(fā)展,高耐輻射相機在核電領域的應用將會越來越廣泛,可適用于核工業(yè)、核電站、高放射性實驗室等中或高放射性應用領域的視頻監(jiān)控及錄像采集等,高耐輻照相機的成功研制對核安全設備的監(jiān)測具有重要意義。

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