皮秒级条纹相机电子系统的研制

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条纹相机是一种探测皮秒级、飞秒级甚至阿秒级超快现象的尖端设备,在国家各项重大科研中发挥着重要作用,研发难度大、工作原理复杂、工艺实现困难、技术封锁严重,长期受到国外的压制。随着我国科研水平的进步、军用领域工程的需要、国家高技术及前沿科学领域的需求,我国在研制条纹相机方面的需求也日益迫切。条纹相机结构主要包含条纹管、高压供电模块、像增强器和电子系统,本文主要讲述一款皮秒级条纹相机电子系统的研制。经过调研文献并分析具体需求,设计了电子系统总体方案。该方案采用STM32F103VET6作为电子系统的核心控制器,核心控制器通过串口接收上位机下发的指令,解析指令后通过SPI通信发送给相应的指令完成单元实现控制功能。指令完成单元包括FPGA模块、A/D转换模块、D/A转换模块等。其中,FPGA模块的主要职责为采用数字延时方式产生延时、脉宽动态可调的条纹相机控制信号,包括扫描信号、CCD门控信号、阴极门控信号、像增强器门控信号,同时完成条纹相机工作模式控制以及工作状态监测等;D/A转换模块对像增强器增益进行控制,从而增强得到的条纹图像能量,以保证条纹图像能被CCD相机正确捕获;A/D转换模块完成条纹相机工作电压监测,确保条纹相机的正常工作。本文研制的电子系统控制皮秒级条纹相机实现了以下功能:(1)具备内同步、外同步两种同步模式,在外同步模式下支持光触发和电触发两种触发方式;(2)具备条纹管阴极门控功能,门控控制信号可通过专用接口输入,亦可由扫描触发信号在电子系统内部产生;(3)动态可调的阴极门控信号配合动态可调的扫描信号,控制条纹相机扫描记录时间分24档可调;(4)具备单次扫描、重频扫描和静态对焦三种工作模式。相较于现有研究,本研究具有以下创新点:(1)实现了更灵活的同步模式与触发方式,使条纹相机能应用的场景更多;(2)实现了更丰富的扫描档位,使得同一台条纹相机既能记录皮秒级的超快物理现象,又能记录纳秒级的光学过程;(3)整合了阴极门控、像增强器门控、CCD门控与扫描控制,使得电子系统功能完善,减少条纹相机系统中的模块划分,方便研究人员使用。最后,本文对电子系统进行了模块功能测试和系统功能测试,测试结果表明整体方案设计合理,功能正常,电子系统工作稳定,性能良好,满足应用需求。
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