一种分幅相机双模式增益控制系统及方法与流程

本技术属于光电成像，更具体地，涉及一种分幅相机双模式增益控制系统及方法。

背景技术：

1、分幅相机通过多路像增强器同时成像，实现纳秒级时间分辨的瞬态过程记录。典型的4分幅相机系统包含4路像增强器、4路cmos相机及相应的光学分光系统。在现有技术中，4路像增强器的增益控制存在以下问题：由于mcp（微通道板）的制造工艺差异（通道直径、长度、二次电子发射系数等），即使施加相同的微通道板电压，4路像增强器的实际增益也存在10%～20%的差异；同时，4路独立高压电源存在温度漂移（50~100 ppm/°c）和负载变化，长时间工作后电压偏差可达1%～2%，对应增益偏差7%～18%。上述两个问题均导致4分幅画幅亮度不一致。

2、因此，如何实现多路像增强器分幅相机各通道增益的一致性，是当前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种分幅相机双模式增益控制系统及方法，能实现多路像增强器分幅相机各通道增益的一致性。

2、为实现上述目的，第一方面，本技术提供了一种分幅相机双模式增益控制系统，所述系统包含多路成像通道，各成像通道均包含像增强器，包括：

3、基准电压模块，用于产生一路共用的基准控制电压，为各成像通道建立统一的基础电平；

4、多个高压变换模块，各高压变换模块对应一个成像通道，用于将所述基准控制电压转换为该通道像增强器的微通道板工作电压；

5、电压检测模块，用于采集各成像通道的微通道板实际电压并输出对应的反馈量；

6、控制模块，内置有多个pid控制器，各pid控制器对应一个成像通道，用于根据该通道的反馈量与目标值的偏差产生调节量；

7、多个微调模块，各微调模块对应一个成像通道，响应于该通道的调节量，用于对该通道高压变换模块的输出电压进行独立微调；

8、图像获取模块，用于在标准激励下获取各成像通道的响应图像；

9、所述控制模块具有校准模式和闭环控制模式：在校准模式下，所述控制模块根据各成像通道响应图像的一致性偏差，迭代反推各成像通道所需的电压补偿量，并根据迭代结果更新各成像通道的目标值；在闭环控制模式下，所述控制模块以更新后的目标值作为各pid控制器的控制目标，维持各成像通道微通道板电压的一致性。

10、作为进一步优选的，所述pid控制器以1ms为控制周期，根据反馈量与目标值的偏差计算调节量，所述偏差的计算式为：

11、=-

12、所述调节量采用位置式pid算法计算，计算式为：

13、

14、其中，为成像通道序号，为比例增益，为积分增益，为微分增益，为上一控制周期的偏差；

15、当所述调节量δ达到预设限幅值时，所述pid控制器暂停积分累加。

16、作为进一步优选的，在校准模式下，所述控制模块驱动所述图像获取模块在标准激励下同步采集各成像通道的多帧图像，计算各通道图像感兴趣区域的灰度均值，计算公式为：，其中m×n为感兴趣区域的像素数，为第i通道图像中坐标处的像素灰度值；

17、以所有通道灰度均值的平均值作为基准，计算公式为：=，其中、、、对应为各通道的灰度均值；

18、计算各通道的偏差，计算公式为：

=

；

19、当偏差与数值1的差值的绝对值大于或等于2%时，所述控制模块反推该通道的微通道板电压补偿量并通过所述微调模块调节对应高压变换模块的输出电压，等待电压稳定后重新采集图像，重复上述过程直至所有通道的|- 1|小于2%。

20、作为进一步优选的，所述控制模块存储有各成像通道的增益电压映射表，所述增益电压映射表通过在微通道板额定工作电压区间内以预设电压步进对每个通道进行标定，并采用分段线性插值生成；

21、所述增益电压映射表包含正向表和反向表，正向表以微通道板电压为索引输出增益值，反向表以增益值为索引输出微通道板电压值；

22、在校准模式下，所述控制模块根据偏差通过反向表反推各成像通道的目标电压，所述目标电压的计算式为：

23、

24、其中，为反向映射函数，为该通道当前的增益值；所述控制模块根据目标电压与当前电压的差值确定所述电压补偿量。

25、作为进一步优选的，还包括过曝保护模块，所述过曝保护模块包括双冗余光电检测单元和高速比较器，所述双冗余光电检测单元设置于像增强器入射端，用于将光信号转换为电信号；所述高速比较器的输入端与所述双冗余光电检测单元的输出端连接，用于在检测到照度超过预设阈值时通过硬件旁路直接关断微通道板的门控，关断时间小于50ns；所述双冗余光电检测单元的输出经高速比较器判断后进行与逻辑判定，仅当两个光电检测单元均确认照度超标时触发保护；

26、所述控制模块内置有三级防护状态机，包括正常状态、警告状态和危险状态；当所述双冗余光电检测单元检测到照度超过第一阈值且持续时间超过预设时长时，所述状态机从正常状态切换至警告状态，所述控制模块降低微通道板电压；当检测到照度超过第二阈值时或所述高速比较器触发时，所述状态机从警告状态切换至危险状态，所述控制模块通过硬件旁路关断微通道板门控；当照度降至第二阈值的回滞值以下且持续时间超过预设时长时，所述状态机切换至恢复状态并逐级恢复至正常状态。

27、作为进一步优选的，所述电压检测模块包括多个分压采样网络和四通道同步模数转换器，各分压采样网络对应连接于一个高压变换模块的输出端，所述四通道同步模数转换器的输入端与各分压采样网络的输出端连接，用于同步采集各通道的模拟反馈电压并转换为数字量输出至所述控制模块。

28、作为进一步优选的，所述高压变换模块包含推挽变换器和线性调整管，所述推挽变换器用于将输入直流电压升压至直流母线电压，所述线性调整管连接于所述推挽变换器的输出端与像增强器微通道板供电端之间，由误差放大器驱动，用于将直流母线电压稳压至所述基准控制电压所对应的微通道板工作电压。

29、作为进一步优选的，所述微调模块包含数模转换器、衰减运放和叠加电阻，所述数模转换器的输出端连接所述衰减运放的输入端，所述衰减运放的输出端通过所述叠加电阻连接至对应高压变换模块中误差放大器的同相输入端，用于将调节量以电压形式叠加至该高压变换模块的控制端。

30、作为进一步优选的，所述图像获取模块包含标准均匀光源和多个相机，所述标准均匀光源设置于分幅相机入射窗口前方，用于提供均匀照明；各相机对应一个成像通道，用于在标准均匀光源开启时同步采集各通道的响应图像并输出至所述控制模块。

31、第二方面，本技术提供了一种分幅相机双模式增益控制方法，采用上述中任一项所述的系统，包括以下步骤：

32、通过基准电压模块产生一路共用的基准控制电压，经多个高压变换模块分别转换为各成像通道像增强器的微通道板工作电压；

33、通过电压检测模块采集各成像通道的微通道板实际电压并输出对应的反馈量至控制模块；

34、所述控制模块以1ms为控制周期，通过多个pid控制器根据各通道反馈量与目标值的偏差产生调节量，经多个微调模块对各高压变换模块的输出电压进行独立微调，形成闭环负反馈控制；

35、在校准模式下，通过图像获取模块在标准激励下获取各成像通道的响应图像，所述控制模块计算各通道响应图像的一致性偏差，根据所述一致性偏差迭代反推各成像通道所需的电压补偿量并更新各通道的目标值；

36、在闭环控制模式下，所述控制模块以更新后的目标值作为各pid控制器的控制目标，维持各成像通道微通道板电压的一致性。

37、本技术的有益效果如下：

38、（1）通过共用基准电压模块为各通道建立统一的基础电平，并结合各通道独立的微调模块对各高压变换模块的输出电压进行独立微调，同时通过控制模块的校准模式根据各通道响应图像的一致性偏差迭代反推电压补偿量并更新各通道目标值，在闭环控制模式下以更新后的目标值作为各pid控制器的控制目标，有效解决了现有技术中因微通道板制造工艺差异导致各通道实际增益不一致以及因高压电源温度漂移和负载变化导致电压偏差的问题，实现了多通道分幅相机各通道增益的一致性和画幅亮度的均衡；

39、（2）采用共用高精度数模转换器与多路独立微调数模转换器相结合的双层控制架构，实现了mcp电压±1mv的高精度均衡，对应增益一致性小于±1%，图像灰度一致性小于±2%；

40、（3）实现全自动校准与运行，无需人工干预，开机自动加载校准参数，异常时自动进入保护状态；

41、（4）采用双冗余光电检测结合硬件旁路快速关断机制，过曝保护响应时间小于50ns，系统可靠性得到提升。