实现方波特性输出的脉冲氙灯光源、控制方法及测试系统与流程

1.本发明涉及脉冲氙灯光源技术领域，具体涉及一种实现方波特性输出的脉冲氙灯光源、控制方法及测试系统。


背景技术：

2.脉冲氙灯光源作为爆轰实验中高速摄影诊断研究的背景照明手段，具有高亮度、高效率和长寿命等优点。与传统的氩气弹等炸药照明光源相比，脉冲氙灯光源的最大优势体现在两点：一是与炸药照明仅为一次性照明不同，脉冲氙灯光源可以在实验前多次、重复预照明，能够确保高速摄影诊断在爆轰实验中获得理想的实验数据；二是脉冲氙灯光源是由高压大电流放电驱动氙灯发出高亮度闪光，替代炸药照明后，可显著降低爆轰实验的安全防护等级和实验压力。
3.但是，传统的脉冲氙灯光源大多采用l
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c电路拓扑放电输出半正弦波电流的技术路线，其缺点有二：一是氙灯作为一种典型的电流驱动型器件，当电流呈半正弦波变化时，氙灯闪光的光强也随着不同放电时刻而变化，该方法为高速摄影诊断提供了实际光强不一致的背景照明，造成不同时刻的分幅照相呈现或明或暗的效果，不利于实验数据的解读与分析；二是半正弦波输出电流在上升和下降期间有较长的时间范围，由于幅值较低导致光强不能满足高速摄影要求，在实际应用中不能利用，造成脉冲氙灯光源的能量使用效率很低。


技术实现要素：

4.本发明要解决现有脉冲氙灯光源放电期间输出光强不一致造成高速摄影照相效果不佳和实际能量使用效率不高这一技术问题，因此，本发明提供一种实现方波特性输出的脉冲氙灯光源、控制方法及测试系统，基于多级脉冲形成网络和特征阻抗匹配，以输出具有良好方波特性的脉冲，保证驱动氙灯闪光的光强在一定时间段内稳定输出，另外，方波具有较快的上升和下降沿输出特性，可以有效提高氙灯光源系统的能量使用效率，降低氙灯光源的设计能量，提高氙灯光源运行的安全性和可靠性。
5.本发明通过下述技术方案实现：一种实现方波特性输出的脉冲氙灯光源，包括远程控制终端、高压脉冲电源和脉冲氙灯负载；所述高压脉冲电源包括两个整流升压电路、触发电路、高压脉冲回路和脉冲形成网络；其中一个整流升压电路连接至高压脉冲回路的输入端，所述高压脉冲回路的输入端还连接有触发电路，所述高压脉冲回路的输出端连接至脉冲氙灯负载；另一个整流升压电路连接至脉冲形成网络的输入端，所述脉冲形成网络的输出端连接至脉冲氙灯负载；所述远程控制终端与两个所述整流升压电路连接，通过两个整流升压电路分别对高压脉冲回路中的储能电容充电，对脉冲形成网络中的储能电容充电；同时，所述远程控制终端通过光纤与触发电路连接，将远程控制终端发出的触发
信号送入触发电路，触发高压脉冲电源对脉冲氙灯负载放电，在氙灯灯管上形成预电离，脉冲形成网络对脉冲氙灯负载放电，提供脉冲放电能量；所述脉冲氙灯负载基于预电离和脉冲放电能量，输出具有方波特性的脉冲闪光。
6.进一步地，所述脉冲形成网络包括个并联的脉冲形成网络子单元，；每个脉冲形成网络子单元包括一组串联的电容和电感，各脉冲形成网络子单元中的电容值大小相同、电感值大小相同。
7.进一步地，所述高压脉冲回路为预电离电源。
8.进一步地，所述远程控制终端通过调压器旋转调节，经整流升压电路对所述脉冲形成网络进行充电控制。
9.进一步地，所述脉冲氙灯负载的等效阻抗与所述脉冲形成网络的特征阻抗大小相同。
10.一种根据上述实现方波特性输出的脉冲氙灯光源的控制方法，包括：高压脉冲电源中的两个整流升压电路分别获取远程控制终端发送的充电指令，并基于各自接收到的所述充电指令对高压脉冲回路中的储能电容充电，对脉冲形成网络中的储能电容充电；高压脉冲电源中的触发电路通过光纤获取远程控制终端发送的触发信号，触发高压脉冲回路中的高压开关，此时，高压脉冲电源对脉冲氙灯负载放电，在氙灯灯管上形成预电离；当脉冲氙灯负载形成预电离时，脉冲形成网络对脉冲氙灯负载放电，提供脉冲放电能量，以使脉冲氙灯负载形成具有方波特性的脉冲闪光输出。
11.进一步地，所述控制方法还包括：根据所述脉冲氙灯光源的实际工作参数计算脉冲形成网络中需要设置的工作电容参数和工作电感参数；所述实际工作参数包括脉冲氙灯光源的储能、工作电压和放电脉宽；具体计算过程为：具体计算过程为：具体计算过程为：式中：为脉冲氙灯光源的脉冲放电能量，为脉冲形成网络的工作电容参数，为脉冲氙灯光源的工作电压，为脉冲氙灯光源的放电脉宽，为脉冲形成网络的工作电感参数，为脉冲形成网络的特征阻抗。
12.进一步地，所述脉冲形成网络中每个脉冲形成网络子单元的电容值大小通过脉冲形成网络中设置的级数和需要的工作电容参数确定，对应计算公式为：，其中，为工作电容参数，为脉冲形成网络中设置的级数，为脉冲形成网络子单元的电容值大小；所述脉冲形成网络中每个脉冲形成网络子单元中的电感值大小通过脉冲形成网
络中设置的级数和需要的工作电感参数确定，对应计算公式为：，其中，为工作电感参数，为脉冲形成网络中设置的级数，为脉冲形成网络子单元的电感值大小。
13.一种测试系统，包括脉冲信号发生器、电流环、光电探头和示波器和上述实现方波特性输出的脉冲氙灯光源；所述电流环放置在高压脉冲电源与脉冲氙灯负载之间的连接电缆上；所述脉冲信号发生器分别与实现方波特性输出的脉冲氙灯光源和示波器连接，通过输出触发信号触发实现方波特性输出的脉冲氙灯光源，同时，将该触发信号接入至示波器上显示；所述高压脉冲电源通过脉冲放电，在脉冲氙灯负载上产生放电电流，并通过所述电流环测量获得电流信号并接入至示波器上显示；所述脉冲氙灯负载释放脉冲闪光并通过光电探头采集，形成光信号接入至示波器显示；所述示波器，用于显示所述电流信号和所述光信号，以验证脉冲氙灯光源为可输出方波特性的脉冲氙灯光源。
14.本发明提供了一种实现方波特性输出的脉冲氙灯光源、控制方法及测试系统，通过采用多级脉冲形成网络、每级分别包含具有相同参数的电容和电感，并合理设计单级网络的电容和电感参数，保证其特征阻抗与设计的氙灯灯管的等效阻抗一致，从而实现具有良好方波特性的光源输出，不仅保证了放电期间光强的高稳定性输出，进而为高速摄影等应用场景提供光强一致的背景照明，而且较快的上升和下降沿输出特性，还能够大幅提升氙灯光源系统的能量使用效率，降低氙灯光源的设计能量，有效提高氙灯光源的运行安全和可靠性，特别适合于大型爆轰实验中高速摄影的背景照明等应用场景。
附图说明
15.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：图1为本发明一种实现方波特性输出的脉冲氙灯光源的整体结构示意图。
16.图2为本发明一实施例中实现方波特性输出的多级脉冲形成网络电路拓扑图。
17.图3为本发明一实施例中可实现方波特性的脉冲氙灯光源输出仿真结果图。
18.图4为本发明一种实现方波特性输出的脉冲氙灯光源的控制方法的流程图。
19.图5为本发明一种对图1中实现方波特性输出的脉冲氙灯光源进行测试的系统示意图。
20.图6为本发明一实施例中实现方波特性输出的脉冲氙灯光源的实际输出电流和光波形图。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
22.实施例1如图1所示，本发明提供一种实现方波特性输出的脉冲氙灯光源，包括远程控制终端、高压脉冲电源和脉冲氙灯负载。
23.其中，高压脉冲电源包括两个整流升压电路、触发电路、高压脉冲回路和脉冲形成网络；其中一个整流升压电路连接至高压脉冲回路的输入端，为高压脉冲回路中的储能电容充电；高压脉冲回路的输入端还连接有触发电路，用于触发高压脉冲回路中的高压开关导通，高压脉冲回路的输出端连接至脉冲氙灯负载，当高压开关触发导通时，高压脉冲回路对脉冲氙灯负载放电，使得氙灯灯管中的氙气形成预电离；另一个整流升压电路连接至脉冲形成网络的输入端，为脉冲形成网络中的储能电容充电；脉冲形成网络的输出端连接至脉冲氙灯负载，当脉冲氙灯负载形成预电离时，脉冲形成网络的能量释放至脉冲氙灯负载上，形成具有方波特性的脉冲闪光输出。
24.远程控制终端与两个整流升压电路连接，通过两个整流升压电路分别对高压脉冲回路中的储能电容充电，对脉冲形成网络中的储能电容充电。
25.同时，远程控制终端通过光纤与触发电路连接，将远程控制终端发出的触发信号送入触发电路，触发高压脉冲电源对脉冲氙灯负载放电，在氙灯灯管上形成预电离，脉冲形成网络对脉冲氙灯负载放电，提供脉冲放电能量。
26.脉冲氙灯负载基于预电离和脉冲放电能量，输出具有方波特性的脉冲闪光。
27.具体地，远程控制终端通过电磁继电器和隔离变压器双重隔离后为高压脉冲电源进行交流220v供电，并根据实际情况通过调压器旋转调节对脉冲形成网络的充电控制。本实施例的220v交流电通过整流升压电路进行整流升压，得到输送给高压脉冲回路的15kv直流电，输送给脉冲形成网络的0~1200v直流电。本事实例中的高压脉冲回路为预电离电源。进一步地，脉冲形成网络中的储能电容电压通过分压器，可以测量电容电压，并对远程控制终端进行电压反馈。
28.进一步地，如图2所示，脉冲形成网络包括个并联的脉冲形成网络子单元，；每个脉冲形成网络子单元包括一组串联的电容和电感，各脉冲形成网络子单元中的电容值大小相同、电感值大小相同。上述脉冲形成网络中还包括开关和脉冲氙灯光源lamp。
29.脉冲形成网络的级数根据对方波平顶特性的要求确定，一般情况下，级数越多，方波特性越好。考虑实际操作的可行性，本实施例将脉冲形成网络的级数设置在5~10之间。
30.为实现脉冲形成网络与脉冲氙灯光源的良好匹配，本实施例脉冲氙灯负载的等效阻抗与脉冲形成网络的特征阻抗z大小相同，以确保具有良好方波特性的脉冲氙灯光源输出。通过电路软件pspice进行仿真，可以获得如图3所示的具有一定方波特性的脉冲氙灯光源输出。
31.实施例2如图4所示，本实施例提供一种根据上述实现方波特性输出的脉冲氙灯光源的控制方法，具体包括如下步骤：s10：高压脉冲电源中的两个整流升压电路分别获取远程控制终端发送的充电指令，并基于各自接收到的充电指令对高压脉冲回路中的储能电容充电，对脉冲形成网络中的储能电容充电。
32.s20：高压脉冲电源中的触发电路通过光纤获取远程控制终端发送的触发信号，触发高压脉冲回路中的高压开关，此时，高压脉冲电源对脉冲氙灯负载放电，在氙灯灯管上形成预电离；当脉冲氙灯负载形成预电离时，脉冲形成网络对脉冲氙灯负载放电，提供脉冲放电能量，以使脉冲氙灯负载形成具有方波特性的脉冲闪光输出。
33.进一步地，上述控制方法还包括：根据脉冲氙灯光源的实际工作参数计算脉冲形成网络中需要设置的工作电容参数和工作电感参数；实际工作参数包括脉冲氙灯光源的储能、工作电压和放电脉宽；具体计算过程为：具体计算过程为：具体计算过程为：式中：为脉冲氙灯光源的脉冲放电能量，为脉冲形成网络的工作电容参数，为脉冲氙灯光源的工作电压，为脉冲氙灯光源的放电脉宽，为脉冲形成网络的工作电感参数，为脉冲形成网络的特征阻抗。
34.进一步地，脉冲形成网络中每个脉冲形成网络子单元的电容值大小通过脉冲形成网络中设置的级数和需要的工作电容参数确定，对应计算公式为：，其中，为工作电容参数，为脉冲形成网络中设置的级数，为脉冲形成网络子单元的电容值大小。
35.脉冲形成网络中每个脉冲形成网络子单元中的电感值大小通过脉冲形成网络中设置的级数和需要的工作电感参数确定，对应计算公式为：，其中，为工作电感参数，为脉冲形成网络中设置的级数，为脉冲形成网络子单元的电感值大小。
36.为便于理解，本实施例采用10级脉冲形成网络（即包括个并联的脉冲形成网络子单元），单级（即各脉冲形成网络子单元）电容值大小为40μf，单级（即各脉冲形成网络子单元）电感值大小为1.1μh，设计的脉冲形成网络特征阻抗为0.17ω。根据特征阻抗匹配的原则，考虑放电回路具有一定杂散参数（约0.03ω），设计的氙灯等效阻抗为0.14ω。
37.实施例3如图5所示，本实施例提供一种测试系统，包括脉冲信号发生器、电流环、光电探头和示波器和一种基于上述实现方波特性输出的脉冲氙灯光源；电流环放置在高压脉冲电源与脉冲氙灯负载之间的连接电缆上。
38.具体地，脉冲信号发生器分别与实现方波特性输出的脉冲氙灯光源和示波器连接，通过输出触发信号触发实现方波特性输出的脉冲氙灯光源，同时，将该触发信号接入至示波器上显示。高压脉冲电源通过脉冲放电，在脉冲氙灯负载上产生放电电流，并通过电流环测量获取电流信号并接入至示波器上显示。脉冲氙灯负载释放脉冲闪光并通过光电探头采集，形成光信号接入至示波器显示。本实施例中的示波器用于显示电流信号和光信号，以
验证脉冲氙灯光源为可输出方波特性的脉冲氙灯光源。
39.具体地，通过测试系统测试，上述脉冲氙灯光源的实际输出电流波形和光波形如图6所示。由图6可知，上述脉冲氙灯光源具有约100μs的脉冲平顶电流和光强波形输出。
40.上述实现方波特性输出的脉冲氙灯光源不仅保证了放电期间光强的高稳定性输出，能够为高速摄影等应用场景提供光强一致的背景照明，其较快的上升和下降沿输出特性，还能够大幅提升氙灯光源系统的能量使用效率，降低氙灯光源的设计能量，有效提高氙灯光源的运行安全和可靠性。
41.以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。