Masking a CCD camera allows multichord charge exchange spectroscopy measurements at high speed on the DIII-D tokamak

Charge exchange spectroscopy is one of the standard plasma diagnostic techniques used in tokamak research to determine ion temperature, rotation speed, particle density, and radial electric field. Configuring a charge coupled device (CCD) camera to serve as a detector in such a system requires a trade-off between the competing desires to detect light from as many independent spatial views as possible while still obtaining the best possible time resolution. High time resolution is essential, for example, for studying transient phenomena such as edge localized modes. By installing a mask in front of a camera with a 1024 × 1024 pixel CCD chip, we are able to acquire spectra from eight separate views while still achieving a minimum time resolution of 0.2 ms. The mask separates the light from the eight spectra, preventing spatial and temporal cross talk. A key part of the design was devising a compact translation stage which attaches to the front of the camera and allows adjustment of the position of the mask openings relative to the CCD surface. The stage is thin enough to fit into the restricted space between the CCD camera and the spectrometer endplate.     

线阵-面阵CCD三线阵立体测绘相机焦平面组件的研制

介绍了线阵-面阵CCD(LMCCD)制式相机的相关原理,提出实现LMCCD相机的关键在于相机焦平面组件的研制.给出了LMCCD相机焦平面组件在研制过程中的关键技术,如LMCCD像面基板与CCD的高精度拼接,焦平面组件电子学部分的低噪声、高集成度设计,焦平面组件在真空环境下的热噪声抑制和热传导设计,以及焦平面组件的装配和焊接等.最后,给出了研制和测试结果.LMCCD拼接的共面精度优于5 μm,平移量和平行度均优于2μm;在典型工作情况下,实验室测试信噪比优于90;在15 min的工作周期下,焦面组件的温度控制在30℃以下.这些结果满足LMCCD制式相机关于CCD拼接、焦面温度控制和信噪比的要求.     

基于面阵CCD图像的温度场测量研究

推导出具有实物面的高温辐射体温度和CCD像素点亮度之间的关系。结合比色测温法，给出一种基于彩色CCD图像的温度场测量方法。用一套经黑体炉标定过的测温系统，分别在黑体炉和普通煤炉上进行测温试验，取得较好结果。通过比较计算温度值和热电偶测量值，分析了本测温方法的误差来源。     

视线跟踪系统中CCD摄像机的自适应调节

分析了视线跟踪系统中光源、摄像机、眼睛角膜及光斑的几何位置关系,提出了眼睛跟踪策略和一种调光、变焦、聚焦相结合的CCD物镜自动调节方法。对捕获图像进行处理,依据图像灰度均值控制光圈,以适应外部环境光强变化;利用SMD算子大步幅快速粗聚焦,提取图像中光斑信息控制云台瞄准、跟踪眼睛,并进行变焦控制,可在用户头肩图像中自动定位眼睛,适应用户头部位置变化;在眼睛区域自动确定检测窗,在检测窗内使用FSWM聚焦算子判断图像清晰度,实现自动聚焦。若图像中能提取瞳孔信息,则依据瞳孔边缘梯度均值实时调整聚焦。实验表明,在不同外部环境光强及用户在不同使用位置情况下,CCD摄像机通过自适应调节,可实时跟踪眼睛并捕获到清晰眼睛图像。     

Shearing microscopy using polarized optical microscope with shear stage and spectral analyser to study liquid crystalline polymers

In‐situ polarized optical microscopy using a shear stage and a spectral analyser as well as a CCD camera were applied to study the phase transition under shear flow for a thermotropic and side‐chain‐type liquid crystalline polysiloxane. The onset of the appearance of anisotropic texture of the polysiloxane was observed under shear flow using the CCD camera at temperatures much higher than the isotropic‐liquid crystalline phase transition temperature if the polysiloxane was cooled from the isotropic phase in the quiescent state. Both the onset temperature and the temperature for full development of the anisotropic texture across the field of view became higher as the shear rate increased. The transmitted light intensity was also measured using a spectral analyser with crossed polarisers at wavelengths from 300 nm to 800 nm, and the integrated intensity of the spectrum was calculated. Changes in the spectrum and the integrated intensity against temperature in the cooling process were compared with observation using the CCD camera. Temperature dependence of the integrated intensity showed that the onset of the appearance of the anisotropic texture under high shear rates was detected at temperatures slightly higher than that observed using the CCD camera.     

大面阵CCD图像实时显示系统的设计

为解决基于CameraLink接口的相机必须使用专用采集卡和系统机才能显示的问题,设计了一种结构简单、携带方便的图像实时显示系统。该系统采用2片SDRAM对图像进行交替缓存,并在Xilinx公司的Spatan3系列现场可编程门阵列(FPGA)中完成了较为复杂的主要控制逻辑。将CameraLink输入的图像经过拼接、BIN等预处理后缓存到1片SDRAM,同时按照一定格式以25frame(50field)/s的速度读出另1片SDRAM中的图像,经ADV7300转换成模拟电视信号后送到模拟显示器显示。结果表明,在相机帧频为3.6frame/s时,该系统可以实时显示大面阵CCD数字航测相机拍摄的图像,能观察不同分辨率的图像以及原图像任何部位的细节,并能根据天气条件调整显示亮度以更好地观察图像。该系统只包含1块电路板和1个模拟显示器,已成功应用于4008×5344面阵的CCD数字航测相机中。     

航天密封圈的曲面成像理论及其缺陷检测

针对利用视觉图像技术检测O形(密封)圈这类全向曲面特征零件的表面缺陷时存在曲面成像一致性差的难题,研究了曲面成像基础理论和航天系统用O形圈表面成像及其表面缺陷的全自动检测方法。首先,把O形圈表面划分为细小网格状的曲面小块,基于曲面小块的双向反射分布函数得到点光源辐照时曲面小块的辐射强度计算公式。然后,通过半球积分求得空间连续光源辐照条件下曲面小块的辐射强度计算方法。最后,结合O形圈曲面方程,建立了O形圈表面成像理论,并据此提出基于三镜头相机组的O形圈表面缺陷成像检测方法。对O形圈弧段曲面的成像实验表明:理论计算的亮度分布与实际亮度分布一致,垂直安装的镜头相机组对应的平均亮度误差为6.8,标准差为12.6;倾斜安装的镜头相机组相应的平均亮度误差最大为19.4,标准差为10.3;缺陷检测实验表明,所提方法能可靠检测出O形圈表面任意位置的缺陷,能够实现航天密封圈的全自动可靠检测。     

COMPARISON AND ANALYSIS OF THREE DIFFERENT NON－CONTACTING FLAME TEMPERATURE FIELD MEASUREMENTS

A much better substitutional means is discussed to calculate the flame temperature field with the application of digital image processing technology. Three non-contacting temperature measurements are used and compared. Such as the traditional two-color temperature measurement,the CCD filtering two-color temperature measurement and the monochromatic temperature measurement. It is indicated that the CCD two-color temperature measurement is not a fully correct means because of its poor theoretical basis. The monochromatic temperature measurement acquires a relatively ideal temperature field distribution in spite of needing a reference temperature. It should be noted that the Abel transformation applied in the plasma diagnosis is for the first time introduced to solve the problem of three-dimensional flame brightness piling.     

基于数字图像处理的二维温度场测量

研究了CCD摄像机进行二维温度场测量问题。分析了彩色CCD摄像机测量机理,推导和分析了相应的三色温度测量模型。由于测量模型的复杂性和非线性,因此利用BP神经网络在函数逼近方面的特性,提出了一种用BP神经网络计算二维温度场方法。试验表明这种方法是可行的、并有较高测量精度,具有工业应用前景。     

高分辨力遥感相机CCD采样位置自适应补偿技术

由于受温度变化的影响,高分辨力遥感相机焦平面CCD采样信号的相位会发生变化,采样位置的温度漂移会严重影响图像的信噪比、动态范围等,甚至会造成图像无法正常显示。为了解决采样位置随温度漂移的问题,对高分辨力遥感相机CCD采样位置进行了自适应补偿设计,首先对CCD采样信号的初始位置进行精密调节,然后设计了自适应补偿电路,通过对功耗的控制使各驱动芯片温度基本一致,CCD信号与采样信号在温度变化上具有跟踪性,在动态上保证CCD信号采样位置的准确性,从而保证图像信噪比的稳定性。实验表明,利用该方法,相关双采样信号的初始位置调节精度小于0.039 ns;在卫星在轨温度范围内,相关双采样信号延时最大值为0.46 ns,保证了相机的高质量成像,满足航天应用需要。     

空间相机CCD电箱结构设计与分析

空间相机CCD电箱必须经受严酷的应用环境考验,综合考虑了空间热环境、电磁兼容性及结构轻量化的要求,对某大口径空间相机CCD电箱进行了结构设计与分析。运用计算机辅助工程分析(CAE)技术,对CCD电箱进行了线性静力分析、均匀温升分析和模态分析。分析结果表明:过载及10℃均匀温升工况下CCD电箱最大应力为77.8,远远小于材料屈服应力。结构一阶固有频率149,改进后一阶固有频率提高到281,说明电箱组件具有足够高的静动态结构刚度和热尺寸稳定性,能够满足空间应用要求。     

CCD图像灰度与照度的转换标定方法

本文提出了一种基于CCD摄像机利用图像灰度获得实际照度的新方法,该方法适用于摄像机的任意曝光和增益参数,且考虑了摄像机安装位置和角度对测量的影响。CCD摄像机照度测量法的实际应用主要涉及两个过程:一是标定过程,即应用CCD摄像机进行照度测量前,标定CCD图像灰度与照度之间的转换参数和转换模型;二是照度测量过程,即通过CCD摄像机拍摄图像,将图像灰度代入已定的转换模型,获得测量对象的照度值。其中,灰度与照度转换模型的标定是利用CCD摄像机实现照度测量的基础和关键,文中主要讨论了该模型的推导过程以及标定方法。具体为:首先通过理论推导获得图像灰度与CCD传感器感应的相对辐照度的关系,然后借助以均匀光源搭建的实验系统标定CCD传感器相对辐照度与物面实际照度之间的关系,进而获得图像灰度与物面实际照度的转换关系。在转换过程中讨论了曝光时间、增益以及CCD相机与照度测量点之间的距离和角度对转换模型的影响,为CCD摄像机照度测量法的实际应用奠定了基础。实验结果表明本测量及标定方法适用于摄像机任意曝光和增益条件,经过本方法标定后,应用CCD摄像机进行照度测量,测量结果的相对误差在4.5%以内。     

中阶梯光栅光谱仪CCD相机的设计

为了高精度采集中阶梯光栅光谱仪的谱图,设计了一种适用于中阶梯光栅光谱仪原理样机的高性能面阵CCD相机。首先,根据中阶梯光栅光谱仪的谱图特点和CCD芯片的特性,设计了面阵CCD相机的时序产生电路、驱动电路及数据采集处理电路,实现了面阵CCD相机的低噪声、高灵敏度以及高动态范围。然后,利用LabVIEW编写了CCD相机测试软件。最后,利用设计的面阵CCD相机对汞灯谱线进行了测试。结果表明:面阵CCD相机获取的二维谱图图像清晰、信噪比较高;经二维谱图还原后,可以得到标准的汞灯谱线。该相机性能稳定、可靠,满足中阶梯光栅光谱仪原理样机的研制要求。     

新型单摄像机立体视觉传感器研究

提出一种用于测量空间三维点坐标的单像机视觉传感器模型。在结构设计方面,变传统的双CCD摄像机结构为单CCD摄像机结构,加装两组对称的光学反射镜,镜像出一对虚拟摄像机,可在同一个CCD像面上采集到存在视差的两幅图像,从而恢复空间点的三维信息;建立了标定数学模型,阐述了此视觉传感器测量模型的标定方法。相关试验表明,此测量方案不仅有效,而且经济快速,标定方法简单,对标定环境及靶标的摆放姿态无严格要求。     

CCD摄像机快速标定技术

在视觉检测系统中,针对视觉传感器数量多,且每个摄像机需标定的内部参数及外部参数较多的特点,提出了一种新的简单的快速摄像机标定方法.分析了摄像机的各个关键参数,采用了全线性标定方法和矢量分析法,逐步求出CCD摄像机的参数.该方法具有标定速度快、精度较高、实用和算法性能分析容易等优点,适用于一般视觉检测系统的摄像机参数的标定,尤其是大型视觉检测系统中多视觉传感器的摄像机参数的标定.实际结果表明,摄像机标定误差优于0.05mm.     

面阵图像传感器在位移测量中的应用研究

在位移测量中,探索采用普通面阵ＣＣＤ取代线阵ＣＣＤ显得具有重大实用价值。本文将讨论微型ＣＭＯＳ电视摄像机作为图像卖座器在实时光电位移测量时的处理生能分析。理论和实际测试结果表明,在体积、成本、测量精度和抗干扰能力等方面,面阵图像传感器都优于线阵ＣＣＤ。     

不同光照条件下数字CCD相机响应不均匀性研究

数字CCD相机光电输入输出响应不均匀特性是其用于光束远近场能量分布测量的重要参数,因此研究数字CCD相机的响应不均匀性,是保障激光参数测量系统测量精度的关键技术环节。从理论上分析了数字CCD相机光电响应不均匀性的原因,通过建立数字CCD相机响应不均匀性测试系统和三维模型,推导出了数字CCD相机相应不均匀性的计算公式,对数字CCD相机的响应不均匀性进行测量与分析,给出了测试系统的结构框图和部分测试结果。     

突扩燃烧室燃烧火焰深度二维温度场测量

针对电子耦合器件（CCD）辐射测温中因温度过高导致的辐射图像“发白”问题，提出了摄像机快门时间控制模型，该模型能有效地防止CCD光敏面输出过饱和电流。在此基础上，引入计算机断层图像检测理论，对燃烧火焰不同聚焦面的CCD成像过程进行研究，建立了用单一摄像机实现火焰深度方向聚焦面辐射图像与温度场分布关联模型，实现了火焰深度二维温度场的在线测量。实验室煤气燃烧实验表明：黑体炉标定后的关联模型实现了燃烧火焰内部温度场的在线测量与诊断，快门控制模型能有效解决辐射图像“发白”问题，扩大了CCD辐射测量的温度范围。     

双目视觉检测技术在自由曲面测量中的应用

提出一种由三坐标测量机和视觉形貌测头组成的自由曲面非接触测量系统。利用虚拟三维靶标完成了包括水平方向不确定比例因子和主点坐标在内的摄像机各项参数的标定。对圆柱正截面和量块表面的测量试验验证了该测量系统对自由曲面和金属强反射表面测量的可行性。     

In-cycle monitoring of tool nose wear and surface roughness of turned parts using machine vision

Tool wear has been extensively studied in the past due to its effect on the surface quality of the finished product. Vision-based systems using a CCD camera are increasingly being used for measurement of tool wear due to their numerous advantages compared to indirect methods. Most research into tool wear monitoring using vision systems focusses on off-line measurement of wear. The effect of wear on surface roughness of the workpiece is also studied by measuring the roughness off-line using mechanical stylus methods. In this work, a vision system using a CCD camera and backlight was developed to measure the surface roughness of the turned part without removing it from the machine in-between cutting processes, i.e. in-cycle. An algorithm developed in previous work was used to automatically correct tool misalignment using the images and measure the nose wear area. The surface roughness of turned parts measured using the machine vision system was verified using the mechanical stylus method. The nose wear was measured for different feed rates and its effect on the surface roughness of the turned part was studied. The results showed that surface roughness initially decreased as the machining time of the tool increased due to increasing nose wear and then increased when notch wear occurred.