CC BY
67
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2014 г. Выпуск 2 (33). С. 69-73
УДК 681.34
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЕШЕНИЯ
М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев
Введение
В настоящее время телевизионные измерительные системы (ТИС) на базе фотодиодных матриц (ФДМ) с параллельной обработкой сигнала надежно зарекомендовали себя в приборах и технике физического эксперимента [1, 2]. Они практически не имеют альтернатив при исследовании быстропротекающих процессов горения и взрыва [3], тепломассопереноса в гетерогенных потоках плазмы [4, 5], впрыска топлива [6], космических снимков [7], индуцированных лазером фототермических явлений [8] и пр. Таким образом, актуальной проблемой является разработка ТИС с такими параметрами быстродействия, чувствительности и динамического диапазона, которые позволят осуществлять регистрацию температурных полей с высоким пространственно-временным разрешением. Для решения этой задачи была взята ТИС на основе ФДМ производства компании Micron Technologies CMOS МТ9М413, оснащенная микроканальным фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), наносекундным оптическим затвором (ЭОЗ) NanoGate с электронно-оптическим преобразователем (ЭОП), позволяющими использовать видеокамеру в качестве высокоскоростного микропирометра.
Математическая модель оптико-электронного канала
В общем случае матричные твердотельные приемники сигналов обеспечивают преобразование в электрический видеосигнал двумерное оптическое изображение, спроецированное на его светочувствительную поверхность. Считывание сигнала происходит по истечении выбранного времени экспозиции. Особенность рассматриваемой ТИС состоит в том, что она может регистрировать излучение слабой интенсивности за счет усиления в микроканальных пластинах, а быстродействие и многокадровая экспозиция обеспечивается электронным затвором. Пространственное разрешение 30 пар линий на 1 мм, кадровая частота до 14000 кадров в секунду, экспозиция от 20 нс до 20 мкс. Схема элементарной ячейки CMOS-матрицы показана на рис. 1.
Рисунок 1. Архитектура логарифмического CMOS-сенсора.
Рисунок 2. Семейство калибровочных кривых сквозного канала ТИС
69
Приборы и методы контроля
Сенсор изображений состоит из набора фотоприемников - пикселов, которые образуют прямоугольную матрицу, элементарная ячейка которой включает фотодиод, и три транзистора: Т1 - нагрузочный ключ стирания; Т2 - считывающий электрометрический усилитель; Т3 - адресный ключ выбора строки. При обратном запирающем включении диода контактная разность потенциалов увеличивается и ток основных носителей практически прекращается. При освещении фотодиода светом с энергией квантов Eph, превышающей ширину запрещенной зоны собственного полупроводникового материала, в объеме полупроводника генерируются пары неравновесных носителей тока. В контактном электрическом поле p-n перехода образовавшийся заряд претерпевает пространственное разделение пар: основные заряды остаются в объеме той области, где они возникли; неосновные свободно проходят через p-n переход, так как для них контактное поле является ускоряющим. Таким образом, неосновные заряды создают внутри p-n перехода дополнительный фототок Iph:
!г„ - SDneP,
где SD - площадь диода, P\ - плотность светового потока на длине волны, n - эффективность преобразования фотонов в электроны.
Фототок Iph, достаточно мал, чтобы нагрузочный транзистор Т1 работал в подпороговой области тока отсечки. При этом, напряжение на фотодиоде зависит логарифмически от
Т ТT1
освещенности Ido: 1 о
V - V -
уPD уDD
nkT т (Inh Л
-Ln
ph
V TD 0 J
-IV
th b
Нагрузочный МД1 l-транзистор T1 работает в режиме слабой инверсии. Из-за экспоненциальной вольт-амперной характеристики фотодиода, выходное напряжение на затворе T2 логарифмически зависит от фототока Iph. Напряжение на затворе транзистора Т2 имеет вид:
VG2 - Vog - Vdd - nT 1V - VT1,
Т о
Ti
где I0 - ток, соответствующий пороговому напряжению, VDD - напряжение питания, Vt -температурный потенциал, V0T1 - пороговое напряжение, Is-ток утечки обратного смещения диода. Таким образом, три транзистора пикселя непрерывно преобразуют падающий свет в напряжение, которое пропорционально логарифму интенсивности света. Эта схема преобразователя в активном пикселе не требует сброса и работает непрерывно. Когда на T3 подан сигнал, то подобный переключатель выключен для всех других пикселей в столбце и напряжение на затворе Vo"5 транзистора T5, равняется напряжению истока VST2 транзистора T2. Транзисторы T2 и T4 имеют тот же самый ток истока утечки, когда T3 включен, и поскольку оба работают в насыщения, разность их напряжения на затворе и порогового напряжения линейно зависят от отношения текущих усилений K и K :
T 4
ут 5 - ут 2 - ут 2 -
у G у G у T
—(VT4 - VT4)
I K_T2' GS yT J
Каждый пиксель сенсора содержит помимо самой оптической матрицы собственный усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и логические устройства. Все пиксели выбранной строки соединены с их соответствующими шинами столбца и с помощью транзистора T7 последовательно подключаются к общей шине, на которой видеосигнал равен:
V - VT 5 - VT5 - K_____(VT7 - VT7)
VADC VG VT \ KT5 GS VT >'
Затем сигнал каждого пикселя преобразуется в цифровой вид и видеофайл несжатых цифровых данных сохраняется в персональном компьютере в формате *.avi разрядностью 8 бит:
70
М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев. Метрологические характеристики телевизионной измерительной системы...
у = round (clip( Fadc + GadcVadc ))•
Таким образом, математическая модель передаточной функции данной измерительной системы, носит логарифмический характер:
уг = a + b • ln(c + xt).
Все аппроксимированные по экспериментальным данным кривые являются логарифмическими функциями яркости пикселей изображения в зависимости от времен накопления, как показано на рисунке 2. При этом погрешность аппроксимации не превышает 2 %.
Экспериментальная установка и методика калибровки
Экспериментальное исследование спектральной чувствительности ТИС проводилось по тепловому спектру эталонной лампы ТРУ 1100-2350 при постоянной яркостной температуре [3], излучение которой пропускалось через монохроматор МУМ-2. На всех длинах волн в диапазоне от 400 до 850 нм с шагом 1 нм регистрировался сигнал отклика оптикоэлектронного тракта ТИС. Экспериментальный стенд и результат регистрации теплового спектра эталона, представлены на рис. 2 и 3 соответственно.
Рисунок 3. Калибровочный стенд на базе эталонной лампы ТРУ-1100
Рисунок 4. Спектр эталонной лампы при яркостной температуре Т=2000°С
Анализ сигнала отклика системы показал наличие смещения спектрального диапазона чувствительности сквозного канала системы ФЭУ-ЭОП-ФДМ в коротковолновую область с эффективной длиной волны максимума 503 нм.
Таблица 1. Пересчет яркостной температуры эталонной лампы на эффективную длину волны ТИС
Эталон ТРУ-1 00 (Х= 650 нм) Термодинамическая Х=503 нм
Т 0С Т 0к А ярк, ^ Т 0К Т 0к А ярк, ^
1000 1273 1335 1292
1100 1373 1447 1390
1200 1473 1556 1491
1300 1573 1671 1596
1400 1673 1783 1698
1500 1773 1901 1805
1600 1873 2016 1908
1700 1973 2134 2014
1800 2073 2255 2121
1900 2173 2373 2225
2000 2273 2496 2333
При исследовании темнового фона был выявлен геометрический шум, обусловленный утечкой электронов на экране ЭОП и представленный на рис. 5.
71
Приборы и методы контроля
Рисунок 5. Распределение темнового фона ЭОП Рисунок 6. Параболический вид неоднородности вдоль оси Х ЭОП
Параболическая аппроксимация неоднородности ЭОП показана на рис. 6. Неравномерность фона по полю изображения составила более 50 %.
Выводы
Практическое применение ТИС наносекундного разрешения с оптоэлектронным трактом, включающим последовательное преобразование ФЭУ-ОЭЗ-ЭОП-ФДМ, имеет ряд следующих специфических особенностей:
- зависимость выходного видеосигнала от интенсивности оптического излучения носит принципиально нелинейный характер и требуется предварительная калибровка по эталонным источникам типа А;
- логарифмическая зависимость чувствительности ТИС от времени накопления позволяет получить линейное преобразование светового потока в сигнал яркостной температуры и максимально расширить динамический диапазон;
- спектральный максимум чувствительности тракта ФЭУ-ЭОП в смещен в коротковолновую область с эффективной длиной волны равной 503 нм;
- в темновом видеосигнале присутствует геометрический шум, вызванный утечкой заряда на краях мишени ЭОП.
Использование наносекундного ЭОЗ существенно расширяет функциональные возможности измерения треков нагретых частиц, что особенно важно при исследовании коллективного движения двухфазных потоков [9-14].
Список литературы
22. Преобразование динамических оптических полей интегральными МДП-фотодиодными матрицами МФ-16 в режиме прямого детектирования сигнала [Текст] / П. И. Госьков, Р. М. Га-лиулин, П. Ю. Гуляев // Изв. вузов. Физика. - 1981. - № 3. - 17 с.
23. Бороненко, М. П. Телевизионная измерительная система наносекундного разрешения [Текст] / М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2014. - № 1 (31). - С. 60-64.
24. Гуляев, П. Ю. Оптическая диагностика процессов горения и взрыва в порошковой металлургии [Текст] / П. Ю. Гуляев // Вестник Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова. - 1998. - № 1. - С. 33-36.
25. Gulyaev I. P., Ermakov K. A., Gulyaev P. Yu. New high-speed combination of spectroscopic and brightness pyrometry for studying particles temperature distribution in plasma jets // European Researcher. - 2014. № 3-2 (71). - P. 564-570.
72
М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев. Метрологические характеристики телевизионной измерительной системы...
26. Gulyaev I. P. Production and modification of hollow powders in plasma under controlled pressure // Journal of Physics: Conference Series. - 2013. - Volume 441, № 1. - P. 012033.
27. Свистула, А. Е. Экспериментальное исследование характеристик топливных струй дизельных форсунок [Текст] / А. Е. Свистула, Д. Д. Матиевский, П. Ю. Гуляев, А. В. Еськов // Двигателестроение, 1999. - № 1. - С. 29-31.
28. Методы стабилизации восстановления температурного распределения частиц в плазменных струях по их тепловому спектру [Текст] / П. Ю. Гуляев, В. В. Демьянов, А. В. Тань-ков // Ползуновский альманах, 2000. - № 3. - С. 13- 15 ; Гуляев, П. Ю. Физические принципы диагностики в технологиях плазменного напыления [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2009. - Т. 11, № 5(2). - С. 382-385 .
29. Photothermal effects of laser heating iron oxide and oxide bronze nanoparticles in cartilaginous tissues / Gulyaev P. Y., Kotvanova M. K., Pavlova S. S. et al. // Nanotechnologies in Russia, 2012. - Volume 7, № 3-4. - P. 127-131.
30. Бороненко, М. П. Модель движения и нагрева частиц в плазменной струе [Текст] / М. П. Бороненко, И. П. Гуляев, А. Е. Серегин // Вестник Югорского государственного университета. - 2012. - № 2. - С. 7-15.
31. Бороненко, М. П. Определение фундаментальной диаграммы потока ламинарного плазмотрона с постоянной подачей порошка [Текст] / М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев,
A. Л. Трифонов // Вестник Югорского государственного университета. - 2012. - № 2. - С. 16-20.
32. Измерение скорости и температуры частиц в потоке низкотемпературной плазмы [Текст] / М. П. Бороненко, И. П. Гуляев, П. Ю. Гуляев // Изв. вузов. Физика. - 2014. - Т. 57, № 3-2. - С. 73-77.
33. Обобщенная схема стабилизации режима и система автоматического управления в режиме низкотемпературного напыления [Текст] / П. Ю. Гуляев, М. В. Полторыхин // Вестник Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова. - 1999. -№ 2. - С. 81-82.
34. Solonenko O. P., Gulyaev I. P., Smirnov A. V. Plasma processing and depositions of powdered metal oxides consisting of hollow spherical particles // Technical Physics Letters. - 2008. - Т. 34. - № 12. - P. 1050-1052.
35. Гуляев, П. Ю. Функция распределения частиц по размерам для определения степени искажения оптического сигнала ТВ-диагностики [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Еськов,
B. М. Коротких // Вестник Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова. - 1999. - № 2. - С. 59-60.
73
