多探测器成像控制系统

多探测器成像控制系统（精选5篇）

多探测器成像控制系统 篇1

0 引言

我们设计了一种红外成像设备。该设备所采用的红外探测器是Infra Red Associates, Inc.提供的MCT-5-TE3-2.00型探测器。该探测器工作温度为-75℃, 芯片在制造时封装了制冷系统, 通过探测器底部金属部分导热, 因此在设计该探测器的相机结构时, 需要设计制造能够有效地将探测器制冷系统产生的热量排出的散热结构以保证探测器稳定工作。

1 散热器设计

1.1 散热方式选择

散热按照原理分为辐射、传导、对流。

根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律, 辐照度j*与温度T之间的关系为j*=εσT4, 式中:ε为黑体的辐射系数;σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数, 且σ=5.67×10-8W/ (m2·K4) 。通过模拟计算热辐射方式散出的热能小于整体热能的1%。因此相对于传导和对流, 辐射是较为次要的因素。

热传导公式为Q=KA△T/△L, 式中:Q为热传导的热量;K为热传导系数;A为传导面积 (或两个物体之间的接触面积) ;△T为热传导两端温度差;△L为热传导两端的距离。常见材料热传导系数如表1所示。

由表1中数据可知金银铜3种金属的导热系数比较高。金银是贵重金属不予考虑。铜本身较软, 加工难度大, 密度也大, 同样质量的情况下, 铜制的散热片体积和表面积都要远小于铝, 铜的散热也比铝差很多, 最终采用铝合金作为散热片材料。

对流散热的常见形式分为主动式散热和被动式散热。被动式散热又分为风冷散热、水冷散热、半导体散热、热导管散热和化学制冷散热等。考虑到设备的工作环境, 选择采用强制性风冷散热方式作为散热方法。

1.2 散热片设计

MCT-5-TE3-2.00型探测器有9根管脚, 使用时需要带有一个电路控制板, 大小为38 mm×38 mm。常见散热片的形式有直板式、柱状式、直肋太阳花式、弯肋太阳花式等, 考虑电路控制板的位置要求, 在散热片底座上要求加工探测器管脚孔, 以及镜头连接结构, 因此选用柱状式散热片结构, 如图1所示。

通过ANSYS对散热片进行分析。通过分析可知:散热片底座厚度对散热片散热性能的影响是线性的, 底座越厚散热效果越不好;散热片柱体宽度对散热片散热性能影响是二次曲线的, 柱体宽度在2~4 mm区间内的散热效果比较好;散热片柱体高度对散热片散热性能影响在较小值区间内成线性, 散热片柱体高度越高散热效果越好, 在超过某一阈值之后继续增加高度, 不再增强散热效果;散热片柱体数量在较少的时候, 增加散热片柱体数量能够显著提高散热效果, 达到一定数量之后, 增加散热片柱体数量的收益开始减少, 不再能够有效提高散热效果。最终设计的散热片尺寸如下:散热片底座厚度4 mm, 柱体16根, 为4 mm×4 mm, 高度35 mm。探测器组装如图2所示。

2 散热结构的优化

列车轴温红外成像系统由5个红外探测器视场拼接成一个具有一定宽度的扫描范围, 组装效果如图3所示。

对比实验中, 染黑散热片和自然金属色散热片的散热效果差异对红外探测器的温度影响达到3~4℃。因此将散热片染黑, 但是在红外探测器与散热片接触的表面不可以染黑, 会对导热效果造成削减, 接触面需要研磨保证表面的光洁度, 红外探测器与散热片接触处需要添加导热硅胶, 并且保证两者压紧。

最初采用一个风扇进行鼓风, 安装在5个红外探测器的一侧, 但在试验中, 风扇近端的探测器能够正常工作, 远端的探测器工作温度不够理想, 因此在探测器的另一端也安装一个风扇, 两个风扇一个进行鼓风, 一个进行抽风, 加强风冷效果。

3 结论

本文主要工作是设计一款应用于列车轴温红外成像系统的实验设备中使用的散热结构。红外成像探测器要求良好的散热系统, 通过对散热材料的选择, 散热片结构的设计, 并对其进行优化, 最终实现了要求, 保证了红外成像系统探测器在实验室条件下工作的稳定。

参考文献

[1]刘兵, 黄新民, 刘国华.基于功率型LED散热技术的研究[J].照明工程学报, 2008 19 (1) :69-73.

[2]谢健全.常用CPU散热方式及散热性能分析[J].电脑知识与技术, 2005 (17) :69-71.

[3]马洪霞, 钱可元, 韩彦军, 等.大功率氮化镓基白光LED模组的散热设计[J].半导体光电, 2007, 28 (5) :627-630.

[4]杨光.道路照明中大功率LED路灯散热方案的研究[J].照明工程学报, 2010, 21 (1) :40-47.

[5]张忠海.电子设备中高功率器件的强迫风冷散热设计[J].电子机械工程, 2005, 21 (3) :18-21.

[6]李庆友, 王文, 周根明.电子元器件散热方法研究[J].电子器件, 2005, 28 (4) :937-941.

[7]陈立恒, 李延春, 罗志涛, 等.空间相机大功率CCD器件的热设计与热试验[J].光学精密工程, 2011, 19 (9) :2117-2122.

[8]郭亮, 吴清文, 黄勇, 等.热管理技术在紫外成像光谱仪热控制中的应用[J].光学精密工程, 2014, 22 (7) :1877-1855.

[9]张远波.风冷式CPU散热片的热分析机器优化设计[D].武汉:华中科技大学, 2006.

[10]杨育良.大功率器件的散热系统设计与研究[D].北京:华北电力大学, 2012.

[11]张景柳.CPU风扇散热器散热效果分析[D].北京:南京理工大学, 2006.

[12]张雪粉.大功率LED散热研究及散热器设计[D].天津:天津大学, 2007.

多探测器成像控制系统 篇2

目前X射线数字成像技术飞速发展,出现了图像增强器技术、平板探测器技术、线扫描成像技术、计算机层析技术等,这些技术都具有可以实时成像的优点。其中平板探测器则是当今世界上第一个具有实时成像功能的非晶硅平板式探测器,它具有图像分辨率和灰度级都比较高的特点,可以满足多种无损检测的要求。本文在研究了 Paxscan2520特点的基础上,开发了基于Paxscan2520平板探测器的X射线实时成像系统。

1 PaxScan2520平板探测器的结构与工作原理

平板探测器集成了一个大面积非晶硅传感器阵列和闪烁晶体屏。其结构示意图如图1所示。闪烁体屏将X射线光子转换成可见光,再通过非晶体面阵将可见光转换成电子,然后由读出电路将其电信转换成数字信号,最后把数字信号发送到计算机。

2 基于PaxScan2520平板探测器的X射线实时成像系统

2.1 成像系统硬件组成

PaxScan2520平板探测器是一种新型X射线数字成像装置,可以代替图像增强器和电视照相机。简单的系统组成如图2所示。

该系统含射线源、PaxScan 2520图像系统、计算机等主要组成部分。

(1)PaxScan 2520图像系统(平板探测器、命令处理器、电源):接收照射工件之后的X射线信号,并将此信号转变为为数字信号,经预处理后,发送到计算机供用户使用。

(2)计算机:接收图像信号,并实现显示、处理、保存等功能,同时控制PaxScan 2520图像系统的工作状态。

2.2 基于VC++的成像系统软件设计

由于PaxScan 2520平板只提供以太网接口,所以PaxScan 2520的全部功能只能以socket为基础的接口通讯来获取。PaxScan 2520平板探测器的实时成像系统对实时的精度要求比较高,普通定时器是难以满足要求的。在此,可以利用VC++6.0作为开发工具,实现多媒体定时器来启动工作线程,根据平板探测器的帧率,实现数据采集并发送到主线程。具体说明如下:

(1)定义多媒体定时器参数

UINT wTimerRes; //定义时间间隔

UINT wAccuracy; //定义分辨率

UINT TimerID; //定义定时器句柄

(2)通过多媒体定时器设备函数timeGetDeviceCaps获得本PC机的最大分辨率。

wTimerRes=3; //为时间间隔变量赋值

TIMECAPS tc; //定义定时器分辨率结构

If(timeGetDeviceCaps(&tc,sizeof(TIMECAPS))= = TIMERR_NOERROR)

{

//分辨率的值不能超出系统的取值范围

wAccuracy=min(max(tc.wPeriodMin,TIMER_ACCURACY),tc.wPeriodMax);

//调用timeBeginPeriod函数设置定时器的分辨率

timeBeginPeriod(wAccuracy);

}

(3)初始化和启动定时器事件:使用timeSetEvent函数

TimerID=timeSetEvent(wTimerRes,wAccuracy,

(LPTIMECALLBACK)OneMilliSecondProc,

(DWORD)this,TIME_PERIODIC);

(4)声明一个定时器函数

virtual void TimerFunction(UINT uTimerID);

按设定的时间来执行,设定的值与平板帧率设定函数有关。

(5)删除完成任务定时器的后,以免定时器占用太多内存,造成系统过慢。首先删除定时器句柄(timeKillEvent函数),然后删除定时器的分辨率(timeEndPeriod函数)。具体应用如下:

timeKillEvent(Timer_ID);

timeEndPeriod(wAccuracy);

2.3 多线程实现数据的采集和图像的显示

目前大多数的计算机都是双处理器,可以实现多线程的并行运行并缩短了CPU时间,这为实时成像系统提供了良好的平台,这里可以运用多线程来进行并行处理,避免了某项任务长时间占用CPU时间。具体分析实现过程:

基于PaxScan1313平板探测器的实时成像系统的工作示意图如图3所示。

(1)数据采集线程:

配合多媒体定时器在后台运行,等待数据采集以及相应的PaxScan2520采集帧率。

(2)数据处理与分析线程:

完成将PaxScan2520采集回来的14bit灰度图像转化成8bit的灰度图像。

(3)主线程:

负责实时显示图像、保存图像和监控对探测器的操作。

3 实验结果分析

该系统通过实验验证,完全满足实时成像的要求。其实验的结果如图4所示。平板探测器Pax-Scan2520以30帧率显示,图4为遥控小车移动视频序列图的部分画面。

通过实验得出,利用VC++多媒体定时器和多线程技术提高了数据采集的实时性与精确性,可以满足X射线实时成像系统的要求。该系统已在国内数家X射线检测生产线上使用,得到了用户较高评价。

参考文献

[1]周正干,腾升华,江巍,等.X射线平板探测器数字成像及其图像校准[J].北京航空航天大学学报,2004,30(8):698-701.

[2]肖永顺,陈志强,张丽,等.基于数字平板探测器的高能X射线成像实验研究[J].北京航空航天大学学报,2003,29(6):660-663.

[3]李净,杨俊武,钱旭.用多媒体定时器精确控制采样频率[J].计算机应用,2000,20(12):67-68.

[4]宋植官.图像增强与复原方法在X射线图像处理中的应用[D].大连:大连理工大学,2007.

多探测器成像控制系统 篇3

1 国内外激光主动探测系统成像仿真情况

1.1 国外的成像仿真情况

国外比较重视成像仿真在空间目标地基激光主动探测系统中的应用价值, 开发的仿真系统已经直接应用到实际研究中。比较典型的是卫星可视化和信号工具SVS T (Satellite Visualization and Signature To ol) 和高级跟踪时域分析仿真工具TASAT。

美国波音公司开发的应用于地基激光主动探测系统的可视化工具软件SVST, 能够提供良好的用户操作界面和可视化仿真环境, 生成原始图像和焦平面图像, 实现新型激光武器系统体系结构的可视化, 在较短时间内解决系统设计问题。

波音公司通过成像仿真进一步验证了激光主动成像探测的技术优势, 指出激光主动成像与可见光被动成像相比, 能够获得亮度更高、细节更清楚、质量更好的空间目标图像, 因此部署激光主动成像系统是十分必要和有效的。目前, SVST已经应用到了波音公司武器系统概念和设计仿真的实际研究中 (如天基激光雷达) , 能够辅助制定打击敌方卫星/导弹的作战方案, 以可视化形式模拟太空作战环境, 且可进行系统升级和功能扩展。

T A S A T由美国空军研究实验室 (A F R L) 开发, 目的是高精度仿真地基光电探测系统和动能武器系统对卫星、导弹等目标进行被动/主动式光电跟踪过程和成像过程, 评估系统性能, 优化系统设计。TASAT能够仿真精确的卫星运行轨道、导弹弹道、大气及光学系统模糊效果、传感器噪声、自适应光学的大气效应等, 具有轨道/弹道动态分析、图像渲染与生成、点扩散函数分析、光学传感器分析、图像处理算法研究、视轴干扰与控制等功能。

经多次外场试验, 验证了TASAT的有效性与正确性。AFRL也在不断扩展TASA T的功能, 修正仿真理论模型, 最终提高仿真精度。TASAT在对目标进行跟踪、成像试验中发挥了积极作用。Logicon Technol ogy Solutions公司和波音公司利用TASAT详细研究了不同轨道高度卫星在被动成像和主动照明成像条件下的偏振特征 (Stoke s参数、偏振度、三维Mueller矩阵等) , 发现主动照明下目标的偏振特性更加明显, 由此提出了在地基平台利用偏振特征对目标卫星进行识别的方法。

1.2 国内的成像仿真情况

目前国内没有开展空间目标地基激光主动探测系统成像仿真研究的报道。在针对一般地面目标的激光成像雷达仿真方面, 国内大部分主要是分析激光雷达系统性能, 给出数值结果及关系式等, 而给出仿真图像的很少。成像仿真理论模型较为简单, 主要做法是从原始图像到焦平面图像的变换, 即给定一幅原始图像后, 考虑各种效应和影响 (模糊、噪声等) , 用图像处理的方法生成新的图像, 而没有研究“原始图像如何生成”这一关键性问题。此外, 目标大都是二维平面物体。

2 成像仿真的意义和价值

从国内外的相关研究发展现状可以看出, 成像仿真在整个激光主动探测系统的研究、开发与实际应用中具有重要意义: (1) 在系统整体开发设计方面, 实现整个成像场景和激光照明的可视化, 实时演示典型空间目标运动过程和成像过程, 实现卫星轨道参数和相关数据的收集管理和分析, 使仿真环境具备沉浸感, 有利于研究人员建立清晰的全景构思;为系统参数的优化确定、顶层设计提供必要依据, 有利于缩短研究和开发周期, 提高试验和研制质量, 节省资源和经费。 (2) 在具体分析研究方面, 提高数值仿真的可信度和工作效率, 为研究人员提供了有效的分析工具和观察数据交互作用的手段, 使其能够研究系统中参变量与外部环境之间的关系, 获得探测系统的静态和动态特征;为研究合作式、非合作式空间目标的探测、识别方法提供了多样性的素材和量化参数, 奠定了数据基础, 使得图像处理算法稳定性和可靠性的测评更有说服力。

3 可行的仿真思路和方法

国外的空间目标地基激光主动探测成像仿真情况, 对于我国研发部署针对空间目标的激光主动探测系统和开发针对地面目标的激光雷达成像仿真软件, 都有较好的参考价值。

关于地基激光主动探测成像仿真研究, 可行的仿真思路为:采用模块化的思想, 针对具体的探测体制建立系统仿真模型, 见图1所示, 包括激光雷达、空间目标、大气三个模块, 每个模块都有描述其物理特征的相应参数和理论模型。激光雷达模块包括激光器、光学系统和像探测器三部分, 目的是分析系统的成像性能、初始激光状态以及系统电子噪声等。大气模块包括大气衰减和大气湍流两部分。大气衰减会引起激光光束能量衰减, 大气湍流主要引起光束抖动和扩展, 改变光斑光强均匀度, 使得目标图像失真或模糊。空间目标模块包括目标的几何信息和表面材质特性信息, 目的是分析和研究目标的激光散射特性。

成像仿真的核心内容是生成空间目标成像的灰度图。当卫星进入主动探测系统的观测范围时, 开始进行主动成像仿真。仿真流程见图2所示, 首先根据初始参数生成初始激光高斯光束, 模拟大气衰减和大气湍流对光束传输的影响, 获得光束传输至目标处的光强分布, 根据空间目标几何信息及表面材质特性求得经目标反射后的光强分布, 将结果进行归一化处理转化为灰度值, 生成原始图像。根据成像系统的点扩散函数对原始图像进行卷积运算以及添加系统噪声, 模拟成像系统的成像模糊效应和噪声的影响, 最终生成焦平面图像。为有效兼顾仿真精度和计算速度, 需要设定合适的仿真参数。

4 结语

21世纪的外层空间是各世界大国谋求未来战争主动权的战略制高点。地基激光主动成像探测系统在空间目标监视与识别方面具有显著的技术优势。深入开展空间目标激光主动探测成像仿真技术, 实时显示典型空间目标的运行过程和激光主动照明成像结果, 优化探测系统参数指标, 开发空间目标跟踪识别算法, 指导激光主动探测系统的研发和部署, 对于我国国防安全有着重要的现实意义和深远的军事利益。

摘要：成像仿真技术能够解决地基激光主动成像探测系统研发部署过程复杂的问题, 有效指导工程实践。本文介绍了国内外成像仿真在地基激光主动探测系统中的应用情况, 在此基础上分析了成像仿真技术的重要作用和现实价值, 并结合目前的仿真研究现状提出了开展激光主动探测系统成像仿真研究的可行的思路和方法。

关键词：成像仿真,地基激光雷达,主动探测系统

参考文献

[1]倪树新.远程激光雷达的发展和应用[J].电光系统, 2007 (12) :15～19.

[2]刘长久, 杨华军.空间激光雷达信息测量计算机仿真[J].光电工程, 2006, 33 (2) :12～15.

[3]Sun Huayan, Xiong Fei, Gu Suolin.Ranging performance of active laserdetection, SPIE Vol.6344.

[4]Gregg A.Crockett, Richard L.Brunson.Visualization tool for advancedlaser system development, SPIE Vol.4724:69～77.

[5]Jim F.Riker, J.T.Roark.Satellite Im-aging Experiment tracking simulationresults, SPIE Vol.2221:235～247.

[6]Jim F.Riker, etc.Time-domain analysissimulation for advanced tracking, SPIEVol.1697:297～309.

[7]Gregg A.Crockett, Richard L.Brunson.Visualization tool for advancedlaser system development, SPIE Vol.4724:69～77.

[8]Barbara T.Landesman, etc.Simulation ofimaging of space-based objects throughcirrus clouds, SPIE Vol.4167:147～156.

多探测器成像控制系统 篇4

煤矿生产形成的采空区严重威胁煤矿的安全生产, 采空区冒落容易造成伤亡事故, 并且采空区引起的塌陷也造成地表环境的破坏。井下采空区还会引起上覆岩层变形、断裂形成裂隙。对周围的建筑以及环境产生巨大的威胁。因此, 选择合适的地球物理方法对煤矿采空区进行探测, 确定采空区的边界以及其影响的浅部裂隙带的范围有十分重要的意义。

EH4电磁成像系统是由美国GEOMTRICS公司和EMI (ElectroMagnetic Intruments) 公司联合生产的主要用于10～1 000 m深度范围内的大地电磁测深勘探仪器, 是目前国际上同类勘探仪器中最先进的一种勘探设备。EH4电磁成像系统采用人工场源与天然场源共同作用的方式, 对天然信号和人工信号进行采集, 所以EH4电磁成像系统既稳定又灵活。而且人工场源有天然场源所没有的优势, 能使该系统获得连续有效信号[1]。EH4电磁测量系统的观测时间短, 能很快探测一个深1 000 m的测点, 提高了探测效率。目前, EH4电磁成像系统已被应用到很多工程当中, 具有良好的应用效果。

1 EH4电磁成像系统基本原理

EH4电磁系统通过天然的和人工的电磁信号对探测区内进行探测, 在地下的地层上产生电导率连续剖面。该系统测量天然场源和人工场源电磁信号, 通过天然背景场源成像 (MT) 来探测深部的构造, 其讯息源为10～1 000 Hz, 而采用一个新型的便携式低功率发射器发射1～100 kHz人工电磁讯号来探测浅部构造。进而得到精度比较高的电磁信号, 来进行电阻率成像。

EH4电磁成像技术所涉及的物理量是物质的电阻率参数, 它与直流电法的不同之处, 在于它是通过观测记录电磁场信号, 然后经傅里叶变换将时间域的电磁信号变成频谱信号, 得到地表电磁Ex、Ey、Hx、Hy值, 以此计算卡尼亚电阻率。其计算公式:

式中, ρ为电阻率, 它反映了地下地层的电性特征;f为频率;Ex为电场x分量, Ey为电场y分量, Hx为磁场x分量, Hy为磁场y分量。

考虑到地下介质的不均匀性, 通常用视电阻率值来表示电阻率, 探测深度理论上为一个趋肤深度δ, 计算公式为:

式 (2) 表明, 趋肤深度δ将随电阻率ρ和频率f变化而变化。上式表明, 电阻率增加和频率降低时, 电磁波的透入深度会增大[2]。反之, 电磁波的透入深度降低。

对于不均匀大地, 表面阻抗是空间座标的函数, 完整的描述应当是含有4个元素的张量, 每个元素与场的正交分量有关[3]:

测量中会记录互相垂直的磁场和电场, 由此计算阻抗张量, 进而得到视电阻率, 可得出地下介质的地电信息, 据此确定一定范围内地下介质结构情况[3], 这就是EH4电磁频率测深的基本原理。

2 工作方法研究

EH4电磁成像系统由发射系统、接收系统和控制系统三大部分组成。控制系统由主机及系统软件构成, 系统软件有数据采集系统和数据处理系统两大功能[3,4]。

2.1 数据的采集

在野外进行数据采集时, 数据是时域采集, 然后通过傅里叶变化转化为频率域信号[5]。

在进行处理解释时对数据的要求比较高, 这就需要在数据采集时采集到质量比较好的原始数据。为此, 在野外应该首先进行准备试验工作, 需要调查干扰、选择采集的参数以及电极距的选择等。

2.2 数据采集技术措施

(1) 测量控制工作采用GPS定位系统, 对每条测线50 m及100 m桩号点坐标、各测线起始点坐标以及不规则测点的坐标, 逐个进行控制测量, 测量精度满足规程要求。

(2) 为最大限度地减小干扰的影响, 改进数据质量, 缩短测量时间, 测站尽可能远离干扰区。如果难以避免, 应在采集结果之前进行检验数据的可靠性。

(3) 每测站必须有一对电极沿测线布置, 另一对则垂直于测线。

(4) 为保证获得信噪比高的资料, 电极距长度不小于10 m。

2.3 数据的处理与解释

数据处理主要有三个方面[6]:

(1) 剔除干扰信号。在进行野外数据采集时, 由于各种原因可能会出现干扰信号。这些干扰信号会影响视电阻率的曲线, 最终影响反演解释结果。所以剔除干扰信号十分重要。

(2) 校正近场源。在测量现场附近可能会出现一些未知的强信号源, 或者发射天线离测量点太近而产生的信号, 这些都是近场源干扰, 有时这些干扰是无法避免的, 这就需要在后期的数据处理过程中消除[7]。

(3) 反演计算。反演主要采用Bostick反演, 深度标定视电阻率剖面频率轴。Bostick反演是以低频区视电阻率曲线尾支渐近线的特征为基础的, 使用起来非常方便, 这种方法根据大地电磁测深视电阻率曲线上任意一个频率及其对应的视电阻率计算探测深度, 并且根据其视电阻率值和视电阻率曲线的变化趋势, 计算对应深度的地层电阻率, 将表示视电阻率随周期变化曲线变换成为电阻率随深度变化曲线。

现场采集结束后, 在室内进行二维数据处理, 通过处理得出测线的二维视电阻率成像断面图, 该断面反映了该测线下方竖直方向上的电性特征。

3 工程实例

为了检验EH4电磁成像系统对采空区边界以及浅层隐伏裂隙带的探测效果, 在某矿进行了以采空区为物探目标的试验, 取得了良好的勘探效果。

3.1 矿区地质概况与地球物理特征

某矿井田测区主要含煤地层是太原组及山西组。

根据选择的方法来确定需要考虑的因素, 此次采用的是电磁法勘探, 所以要考虑该区地层的电性特征, 测区电性表现为低电阻, 局部由于存在干砂而电阻率略高。

采后电阻率的不同是识别采空区的依据。采区某些地区受到采空区的影响, 造成上覆的岩层产生裂缝和新生裂隙, 都使岩层受到了破坏。而岩体的电阻率与它的破坏程度与含水性有关。如果这些裂缝及裂隙充水时, 电阻率会升高很多, 有的高达几千几万欧姆, 然而如果这些裂缝和裂隙中没有充水, 由于水具有低电阻率的特征, 地层的电阻率会有所降低, 降低的程度与富水性有关。根据这个原理, 可以探测地下岩层的电阻率及其变化, 根据其电阻率判断岩层的结构状态和含水状况, 这是本次电磁法探测的物理前提。

3.2 数据处理与解释

本次探测采用EH4专用数据处理系统EMAGE-2D进行处理, 主要采用Bostick反演的方法, 深度标定视电阻率剖面频率轴。本次探测共设计了5条测线, 根据异常解释原则对勘探区域的某条探测剖面解释分析, 在对物探异常进行判别解释时, 还应考虑到地形、静态效应、干扰源等因素的影响, 经过反复的数据处理和反演过程。

图1为EH4测量A7测线视电阻率断面色谱图。从图1中可以看出, 整个断面视电阻率由浅至深基本上呈现出由低到高的电性特征。图1中最上部 (150 m以浅) 视电阻率值相对较低但变化范围较大, 其中, 在0～20 m桩号段、100～150 m深度范围内其视电阻率值约在300～900Ω·m之间, 波动范围较大, 推断此处是由于地面干扰引起的视电阻率值增大;但在40～120 m桩号段、80～150 m深度范围内其视电阻率值约在150～400Ω·m之间, 推断为由于地下采空区塌陷在浅部地层形成的隐伏裂缝引起视电阻率的增大。

图1中中段 (150～350 m层段) 对应的视电阻率变化范围较大, 其中, 在0～80 m桩号段其视电阻率值约在100～300Ω·m之间, 为正常地层反应;但在80～120 m桩号段其视电阻率值约在400～1 000Ω·m之间, 判断为该高阻区是由地下采空区及冒裂带影响引起的视电阻率的增大, 据此, 划定采空区边界在地面投影位于85 m点处。

图1中下段 (350～500 m层段) 对应的视电阻率值较高, 为深部地层的电性特征反映, 基本正常。

根据上述解释, 划定测线采空区边界, 并根据其电性特征划定采空区在地面上方所对应的范围。详述为:A7线根据其电性特征划定其采空EH4区范围在85～120 m桩号段, 160～320 m深度范围内, 划定采空区边界在地面投影位于85 m点处。

另外, 根据测线在最深部的采空边界及视电阻率变化情况, 推断出采空区浅部地层的冒落裂隙带的大体范围, 并在断面解释图中给圈定出来。

4 结论

通过EH4电磁成像系统在探测某矿采空区及浅层裂隙带的应用实例表明, EH4电磁成像系统在深部勘探中能很好地确定采空区及其边界的电性特征, 利用高频探测在浅部地层也能较好地探测出浅部地层隐伏裂隙带的发育情况。说明EH4电磁成像系统能够准确地探测煤矿采空区边界以及对应的浅层裂隙带的范围, 而且该系统仪器轻便, 测量速度较快, 对环境要求低, 工作效率高, 可见EH4电磁成像法在探测地下采空区的边界以及对应的浅层裂隙带的范围方面是一种行之有效的技术方法。

参考文献

[1]王海芹, 王虹, 王玉和, 等.EH4电磁测量在化马湾地区金矿找矿中的应用[J].山东国土资源, 2008 (增刊) :63-67

[2]樊战军, 卿敏, 于爱军, 等.EH4电磁成像系统在金矿勘查中的应用[J].物探与化探, 2007, 31 (增刊) :72-76

[3]王玉和, 王厚臣, 程久龙, 等.EH4电磁方法在断层定位及导水性探测中的应用[J].山东科技大学学报, 2010, 29 (4) :35-39

[4]刘黎, 张吉振.EH4电导率成像系统在铁路长大隧道中的应用[J].铁道勘察, 2007 (2)

[5]李磊, 王建新, 马安丽, 等.EH4电磁成像系统在云南干旱地区地下水勘查中的应用[J].地下水, 2012, 34 (2) :96

[6]柳建新, 刘小东, 王昆, 等.EH4电磁成像系统在水库大坝隐患探测中的应用[J].工程地球物理学报, 2011, 8 (1) :2-3

多探测器成像控制系统 篇5

关键词：菲涅尔光学助降系统,成像式照度探测装置

1 引言

菲涅尔光学助降系统(Fresnel Lens Optical Landing System,FLOLS)是当代航母上典型的光学着舰引导系统,而菲涅尔光学助降系统的检测和校准研究对保证舰载机的着舰安全起着至关重要的作用[1]。菲涅尔透镜光学助降系统作为基本的目视助降设备,最显著的优点就是在空中提供了光学下滑道,所谓的光学下滑道是指菲涅尔透镜光学助降系统发出的相对海平面保持一定倾斜角的5层光波束[2],让着舰变得相对安全。所以研究菲涅尔光学助降系统的检测和校准对于舰载机安全着舰有着重要的意义。

2 菲涅尔光学助降系统检测装置技术指标

菲涅尔灯发光强度检测系统要求可远距离对大口径、大发光角度的菲涅尔灯进行发光强度的探测,得到光强的空间分布,并且具有测量速度高和消除背景光干扰的特点。具体技术指标[3]:光强测量范围:0~5000cd,测量分辨率:4cd,杂光衰减率:80%,口径:>0.5m,水平角度测量范围:>20°,垂直角度测量范围:>20°。根据技术指标研究下述测量方案。

3 菲涅尔灯发光强度测量方案

3.1 总体测量方案

菲涅尔灯的发光强度检测方法很多,多数检测系统中都采用了大口径的反射镜,使检测系统设备承重,空间需求大,而且反射镜的面形误差、安装精度对系统的检测精度影响非常大。而选用旋转灯具的方式以便于进行光强检测。

如图1所示,菲涅尔灯安装在二维转动平台之上,实现二维转动。照度探测系统由三个部分组成:(1)分光成像模块,主要包含成像透镜与分光棱镜,分别将菲涅尔灯成像并分光用于照度探测与图像采集;(2)图像采集模块,包括彩色CCD与显示器,用于显示菲涅尔灯的像,并瞄准对中,使探测系统正对菲涅尔灯;(3)照度探测模块,包括照度探头、信号放大、A/D转换和计算机,照度探头采集到菲涅尔灯发出的光,依次通过信号放大、模数转换,最后传送给计算机,并由计算机进行数据处理和相关光度参数的计算分析。

3.2 成像式照度探测方案分析

为了使菲涅尔灯发光强度测量达到一定的精度,以及分布曲线测量准确性达到一定的高度,需要测量的相对距离越远越好。光强度的测量通常是通过照度测量实现的[4],菲涅尔灯发光强度与测量距离的关系为:I=E·l2,发光强度I正比于距离l的平方和照度E,可见距离l越远,照度E越小,对照度探测的精度要求也越高。而成像式照度探测就能满足上述要求,如图2所示。

成像式照度探测具有以下几个优点:提高到达照度探头的光通量(SA/SB倍,SA为成像透镜的通光面积,SB为照度探头的光敏面面积)。由于测量距离较远,用照度计直接测量时,达到照度探头的光线少,光电流小,在照度探头灵敏度一定的情况下,测量得到的照度精度较低,从而无法保证菲涅尔灯的发光强度精度。提高检测系统对杂散光的抗干扰能力。由于杂散光是使用分布光度计测量中影响测试精度最重要的因素之一,在环境较差,特别是在室外工作时,环境光的干扰是难以避免的。采用成像式照度探测结构,只有视场中的物(即菲涅尔灯)发出的光才能到达照度探头,而对于杂散光,如果对光学系统内表面做了发黑处理或者加工消杂光螺纹,这些杂散光都被镜管吸收,不再反射,可以有效避免杂散光的干扰。系统简化,便于使用。进行光强检测时,还需要对菲涅尔灯进行瞄准,如果测量和对焦共用一个光学系统,则可以使系统简化;采用CCD相机进行瞄准时,CCD相机的中心和照度探头的中心都在光轴上,使对准准确可靠,不用随距离变化修正瞄准轴,使用方便。

4 成像式照度探测装置设计

4.1 光学设计

成像式照度探测系统中包含两个接收元件,分别是CCD和照度探头。CCD的尺寸选择不能过大也不能过小,尺寸太大时在显示器上看到的菲涅尔灯相对较小,不利于瞄准对中,尺寸过小也不好,不利于视场中灯具的搜索。选用1/2″(6.4mm×4.8mm)的CCD,光斑大小约占CCD的1/14,在使用时,能在视场范围内较好地搜索菲涅尔灯所在位置以及对准。同样对于照度探头尺寸的选择不能过大也不能过小。如果过大,进入到照度探头的杂散光增多,造成测量误差;如果过小,菲涅尔灯发出的光不能完全被照度探头接收。综合考虑本检测系统的成像放大倍率以及光源的尺寸,选择尺寸2.7mm×2.7mm的照度探头。照度探头光通量接收面、显示器以及菲涅尔灯的像对应的位置关系如图3所示。

检测仪器工作距离为10~400m,如果使用同一种焦距的成像透镜,那么在远距离测量时,光斑非常小。由于探测器接收面上,各个位置的响应度存在差异,光斑过小时测量误差大。基于上述分析,采用三种不同焦距的透镜,焦距分别为:40mm、160mm、300mm,测量距离分别为:近场光度标定和目标搜索50~200m、100~400m。如果采用过多焦距数值的镜头,使用不便,成本增加,经优化采用上述三种焦距的镜头较为合理。

对于焦距为40mm的透镜,相对孔径D/f′=7/20,孔径D=14mm,对于物距s=13.3m,尺寸为DL×DL=500×500的菲涅尔灯在CCD和探测器上成像示意图如图3所示,当透镜为理想透镜时,像斑边长满足DL/s=DL′/f

即CCD与照度探头上的光斑边长

DL′=DL·f′/s=1.5mm

对于500mm×500mm的菲涅尔灯,使用焦距f′=160mm的镜头,测量距离s为50~200m时,CCD与照度探头上的光斑边长DL′=DL·f′/s=1.6~0.4mm

同理使用焦距f′=300mm的镜头,测量距离s为100~400m时,CCD与照度探头上的光斑边长

DL′=DL·f′/s=1.5~0.375mm

综合上述分析,照度测量由f160和f300镜头完成,f40镜头主要进行近距离光度标定,以及远距离测量时用于菲涅尔灯搜索和对准。因为使用长焦镜头进行光强检测时,由于测量距离很远,检测仪器的角度方向略微调整都会产生很大的位移,在显示器上不易找到目标,此时换用短焦镜头可以扩大显示器的显示视场并初步对中,然后换用长焦镜头进行细微的对中。

由于测量的菲涅尔灯具有多种颜色[5],因此采用的消色差双胶合透镜,双胶合透镜可以使菲涅尔灯发出的不同颜色的光在像面上的球差最小,保证成像质量。设计的三种不同焦距的消色差双胶合透镜参数如表1所示。

4.2 结构设计

照度探测系统的结构如图4所示,镜筒与管座之间采用梯形螺纹连接。一方面由于整个探测系统包含三种不同焦距的透镜,常需要相互替换,梯形螺纹螺距大,能够实现快速装卸;另一方面,由于要通过显示器来对菲涅尔灯瞄准对中,需要菲涅尔灯在CCD上成像清晰,梯形螺纹还能够实现调焦的功能。将镜头、管座的连接和调焦机构合二为一,简化了结构。照度探测系统中要求光学系统的光轴正对菲涅尔灯的光度中心,手动角位台和旋转台就是用于调节光轴指向的。

为了保证照度探测中的角度精度,要求菲涅尔灯的光度中心与探测系统的光轴同高,因此使用高度可调的三角架来支撑检测装置,不仅能够固定检测装置,而且还能调整探测系统光轴的高度。照度探测中使用了分光棱镜,转接模块主要用于安装分光棱镜,同时连接了CCD和照度计,分别用于成像显示和照度探测。

5 成像式照度探测装置试验

成像式照度探测,配备三种焦距的成像镜头,有四种测量档位状态。试验中使用大动态点光源用作成像式照度探测装置的辐射源,其具有辐射发光强度高,发光强度可调和色温不变等特点,具有水平、俯仰调节机构,由视频图像对准被测光源,光电采集探头进行照度探测,经数模转换后由串口输出测量结果。

5.1 发光强度测量动态范围试验

成像照度计的发光强度动态范围试验结果如表2。

由成像照度探测各档的最大读数Dm得出发光强度测量的动态范围Dm∶1。由表2可以看出,成像照度计各档发光强度测量的动态范围均为3209∶1,大于要求的测量动态范围5000cd∶4cd=1250∶1。

5.2 照度和发光强度分辨率试验

设各档的照度量程Em及最大度数Dm,由式(1)计算各档的照度分辨率:

设定测量距离l,可由式(2)计算发光强度的测量分辨率:

各档的照度分辨率△E及不同测量距离下发光强度的量程Im和发光强度测量分辨率△I如表3。

由表3可以看出,成像照度计的发光强度量程和分辨率不仅与档位有关,也与测量距离密切相关。对于不同的测量距离,应选择合适的档位进行测量。当被测目标较远时应选择较为灵敏的档位,如×1档以提高分辨率;当被测目标较近时应选择较高档位,如×1000档,以扩大测量范围。

5.3 照度测量重复性试验

由五次标定数据统计出成像照度计同一读数对应的照度重复性曲线如图5所示。

由图5可以看出,成像照度计读数在0~2500范围内,标准照度E与成像照度计读数D间基本线性。若仅使用0~2500之间的线性区域,其测量动态范围也可达2500∶1,为要求测量动态范围5000cd∶4cd=1250∶1的2倍,足以满足要求。在成像照度计读数D为0~2500的近似线性区间内(约占全量程的80%),照度E测量的平均重复性由式(3)得出,为0.14lux。

其中,Ei为各次标准照度计读数。

5.4 杂光衰减率

主要试验成像照度计中遮光罩及镜筒的消杂光能力,分析环境杂散光对测量精度的影响。成像照度计读数E1=13,非成像照度计读数E2=1965,得到的杂光衰减率为:,优于要求的杂光衰减率80%。

6 结论

根据提出的基于成像式照度探测法的菲涅尔灯发光强度测量方案,研制了成像式照度探测装置。通过试验,结果表明,成像式照度测量发光强度的测量范围及分辨率与测量距离有关,随着测量距离的增大,测量范围增大,同时测量分辨率降低;反之,随着测量距离的减小,测量范围减小,同时测量分辨率提高。要求的测量动态范围(测量范围上限∶测量分辨率)为1250∶1,成像式照度探测装置测量动态范围为3209∶1,其中线性区测量动态范围为2500∶1,优于相关技术指标要求;线性区范围内,光照度测量的重复性为0.14lux;杂光衰减率大于99%,均满足菲涅尔光学助降系统检测装置技术指标的要求。

参考文献

[1]彭秀艳,赵希人.舰载机起降指导技术研究现状及发展趋势[J].机电设备,2006,23(2):12-15.

[2]Carrier Qualification Flight Procedures[Z].Texas:NavalAirCommand,2001.

[3]杨一栋.舰载飞机着舰引导与控制[M].北京:国防工业出版社,2007:54-64.

[4]金伟其,胡威捷.辐射度、光度与色度及其测量[M].北京:北京理工大学出版社,2011.