快门集成装置、控制系统及时序控制方法
阅读说明：本技术 快门集成装置、控制系统及时序控制方法 (Shutter integrated device, control system and time sequence control method ) 是由 黄振新 陈植 李腾骥 邓吉龙 熊贵天 李阳 于 2021-03-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了快门集成装置、控制系统及时序控制方法,快门集成装置包括集成装置底板、第一CCD相机、第二CCD相机、第一快门开关、第二快门开关和分光装置；第一CCD相机、第二CCD相机和分光装置均安装在集成装置底板上；第一快门开关设置在第一CCD相机上,第二快门开关设置在第二CCD相机上；第一快门开关、第二快门开关分别与控制系统连接等。本发明避免了因相机位置及状态差异导致的调试困难,提升了效率,消除了系统误差,实现了MHz曝光,且曝光图像之间互不干扰和影响,提升了系统整体精度及稳定性。(The invention discloses a shutter integrated device, a control system and a time sequence control method, wherein the shutter integrated device comprises an integrated device bottom plate, a first CCD camera, a second CCD camera, a first shutter switch, a second shutter switch and a light splitting device; the first CCD camera, the second CCD camera and the light splitting device are all arranged on the integrated device bottom plate; the first shutter switch is arranged on the first CCD camera, and the second shutter switch is arranged on the second CCD camera; the first shutter switch and the second shutter switch are respectively connected with the control system and the like. The invention avoids the debugging difficulty caused by the position and state difference of the camera, improves the efficiency, eliminates the system error, realizes the MHz exposure, does not interfere and influence the exposure images, and improves the integral precision and stability of the system.)
技术领域
本发明涉及激光测速领域，更为具体的，涉及快门集成装置、控制系统及时序控制方法。
背景技术
传统激光测速技术领域中的粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，PIV)技术，一般只能获取粒子的速度值，很难获取精度较高的粒子加速度值。四脉冲激光器能够依次发射四个脉冲激光束，再利用2台双曝光电荷藕合器件图像传感器（Charge CoupledDevice，CCD）相机分别拍摄四个脉冲激光束照亮的示踪粒子图像，根据获取的跨帧示踪粒子图像计算示踪粒子的速度，进一步计算得到加速度。
然而由于四个脉冲激光束之间的时间间隔很短，而传统的双曝光CCD相机的第二次曝光的时间较长，使得CCD相机在拍摄第二脉冲激光束照射的示踪粒子图像时会同时拍摄到第三脉冲和第四脉冲激光束照射的示踪粒子图像，导致获取的跨帧粒子对不准确，影响基于该跨帧粒子对计算的粒子速度的准确性和/或精度。并且由于需要至少两台双曝光CCD相机同步工作，如果两台CCD相机的光学中心的位置没有设置好，将会直接导致示踪粒子图像对之间存在位移误差，影响计算结果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供快门集成装置、控制系统及时序控制方法，避免了因相机位置及状态差异导致的调试困难，提升了效率，保证了同等能量的四次激光脉冲通过两台相机的透光率一致，消除了系统误差，实现了MHz曝光，且曝光图像之间互不干扰和影响，提升了系统整体精度及稳定性。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种快门集成装置，包括集成装置底板、第一CCD相机、第二CCD相机、第一快门开关、第二快门开关和分光装置；第一CCD相机、第二CCD相机和分光装置均安装在集成装置底板上；第一快门开关设置在第一CCD相机上，第二快门开关设置在第二CCD相机上；第一快门开关、第二快门开关分别与相机控制系统电性连接。
进一步地，所述集成装置底板包括六自由度可调节光学定位结构，用于辅助对第一CCD相机、第二CCD相机进行位置固定。
一种相机的控制系统，包括如上任一所述的快门集成装置，还包括同步控制器、接口装置和计算机，快门集成装置与同步控制器电性连接，同步控制器与接口装置电性连接，接口装置与计算机电性连接。
进一步地，所述同步控制器包括DG645同步控制器。
进一步地，所述接口装置包括以太网接口、GPIB接口和RS-232接口中的任一种或多种。
一种时序控制方法，基于如上任一所述快门集成装置或基于如上任一所述相机的控制系统，且还包括控制程序，用于执行如下步骤：控制第一快门开关，使得在第一脉冲激光和第二脉冲激光出光时第一快门开关处于开口状态，在第三和第四脉冲出光时第一快门开关处于关闭状态；控制第二快门开关处于常开状态。
本发明的有益效果是：
（1）本发明实施例中设计集成装置，可以通过合理设计分光装置的反射镜角度和CCD相机位置，使得激光脉冲光进入装置后到达相机的视场基本一致，再加上六自由度可调整精密机构进行微调，避免了因相机位置及状态差异导致的调试困难，提升了效率；
（2）本发明实施例中同时集成两个快门开关，保证了同等能量的四次激光脉冲通过两台相机的透光率一致，消除了系统误差；
（3）本发明实施例中通过同步控制器结合时序控制，实现了两台相机的MHz曝光，且曝光图像之间互不干扰和影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方案实施例的结构示意图；
图2为本发明方案实施例的时序控制示意图；
图中，1-四脉冲激光器，2-导光臂，3-集成装置底板，4-第一CCD相机，5-第二CCD相机，6-第一快门开关，7-第二快门开关，8-分光装置。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
本发明中，MHz描述的是相机的曝光频率，即相机帧与帧之间的时间间隔为微秒量级，所以帧频为MHz。
如图1~2所示，一种快门集成装置，包括集成装置底板3、第一CCD相机4、第二CCD相机5、第一快门开关6、第二快门开关7和分光装置8；第一CCD相机4、第二CCD相机5和分光装置8均安装在集成装置底板3上；第一快门开关6设置在第一CCD相机4上，第二快门开关7设置在第二CCD相机5上；第一快门开关6、第二快门开关7分别与相机控制系统电性连接。
进一步地，所述集成装置底板3包括六自由度可调节光学定位结构，用于辅助对第一CCD相机4、第二CCD相机5进行位置固定。
一种相机的控制系统，包括如上任一所述的快门集成装置，还包括同步控制器、接口装置和计算机，快门集成装置与同步控制器电性连接，同步控制器与接口装置电性连接，接口装置与计算机电性连接。
进一步地，所述同步控制器包括DG645同步控制器。
进一步地，所述接口装置包括以太网接口、GPIB接口和RS-232接口中的任一种或多种。
一种时序控制方法，基于如上任一所述快门集成装置或基于如上任一所述相机的控制系统，且还包括控制程序，用于执行如下步骤：控制第一快门开关6，使得在第一脉冲激光和第二脉冲激光出光时第一快门开关6处于开口状态，在第三和第四脉冲出光时第一快门开关6处于关闭状态；控制第二快门开关7处于常开状态。
针对背景中提出的问题，可选的，可以通过沿着垂直激光片光平面的方向，在拍摄区域两侧分别布置一台CCD相机，通过调整所述两台CCD相机镜面的中心点位于一条直线上，调整视场大小使两台CCD相机放大率相同。然后在其中一个相机上增加快门开关装置，控制快门开关在第三脉冲和第四脉冲时关闭，使得第一台相机的第二幅图像只拍摄到第二脉冲。但是，上述方案存在如下不足：两台CCD相机分别置于三脚架上，灵活度较差，而测速技术要求镜面的中心点位于一条直线上，并且视场大小即放大率要求保持一致，这给相机位置的调整带来了极大的难度，效率低并且精度较差；快门开关本身存在自重，安装快门开关导致相机视场及焦点平面发生偏移，系统整体的稳定性较差，同时光开关本身对光线的透过率存在一定影响，也导致了两台CCD相机的透光率误差。
在本发明的实施例中，如图1所示，四脉冲激光器1依次发射四个脉冲激光束，导光臂2将脉冲激光束以片光形式打在观测区域上，集成装置底板3包含六自由度可调节精密光学定位结构，可以辅助对2台CCD相机进行位置固定；第一CCD相机4负责拍摄第一个和第二个激光脉冲；第二CCD相机5负责拍摄第三个和第四个激光脉冲；第一快门开关6在控制装置控制下关闭，使得脉冲光不再进入第一CCD相机4；第二快门开关7在控制装置控制下处于常开状态；分光装置8将接收到的脉冲光信息分别输出给第一CCD相机4和第二CCD相机5。
在工作过程中，观测区域大量示踪粒子随流场做跟随运动，在脉冲激光作用下发生散射，散射光进入快门集成装置，首先在分光装置8作用下分别进入第一CCD相机4和第二CCD相机5，此时第二CCD相机5尚未响应，第一CCD相机4开始工作，2次曝光分别拍摄激光的第一脉冲和第二脉冲照射下的示踪粒子图像，在激光第三脉冲前，第一快门开关6在控制装置信号下响应并关闭，因此第一CCD相机4不会拍摄到第三脉冲和第四脉冲激光束照射的示踪粒子图像。
在本发明的其他实施例中，用于控制四脉冲激光器每次发出的四个激光脉冲照射到示踪粒子，并被2台CCD相机拍摄的控制装置包含两台DG645同步控制器，DG645是一种八通道数字延时脉冲发生器，通过高精度电路产生TTL幅值的脉冲并进行数字化控制其延迟时间进行输出，并提供四个独立控制的脉冲输出，最多八个延时逻辑转换，所有通道的延时分辨率为5ps，并且每个通道之间的抖动小于25ps，脉冲频率高10MHz。DG645可以通过以太网、通用接口总线(General Purpose Interface Bus，GPIB)和RS-232接口与计算机相连。由于DG645能够提供更低的抖动，更高的精度，更快的触发频率和更多的输出，因此非常适用于本发明实施例中同时对四脉冲激光器的脉冲激光、CCD相机曝光时间以及快门开关之间的时序控制。
具体时序控制如图2所示，其中t0为系统起始时间，t1和t2分别为第一CCD相机4和第二CCD相机5开始第一幅曝光的时间，t3、t4、t5、t6分别是四脉冲激光器四次脉冲的时间，通过控制程序调整上述6个时间参数，使得四个脉冲分别落在四幅曝光中。如果没有快门开关，显而易见，第三和第四脉冲激光会一起出现在第一CCD相机4的第二次曝光中，显然不利于后续的计算。因此要利用t7和t8，控制快门开关1，使得在第一和第二脉冲激光出光时处于开口状态，在第三和第四脉冲出光时处于关于状态，而快门开关2则处于常开状态，其作用是保证相同能力的激光脉冲在两台相机有相同的透光率。
在加速度测量过程中，由于采用了两台八通道数字延时脉冲发生器，分别控制双曝光CCD相机和四脉冲激光器，使得二者相互配合，可以获取到时间间隔极短（通常为微秒级）的脉冲激光照射下的示踪粒子图像，进而得到MHz曝光四幅粒子图像，进而获取三个示踪粒子速度值和二个示踪粒子加速度值。本发明实施例已经过初步调试和试验验证，方案可行，结果达到预期目标。
本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试或者实际的数据在程序实现中存在于只读存储器（Random Access Memory，RAM）、随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）等。
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