基于高輻照環(huán)境下光導攝像管視頻采集技術(shù)解決方案

程治峰

（蘇州熱工研究院有限公司 江蘇蘇州 215000）

1 研究背景

目前，核電站所使用的耐輻射攝像頭主要有兩種類型，分別是光導攝像管和耐輻射的CCD/CMOS 攝像頭。相較于耐輻射CCD/CMOS 攝像頭，耐輻照光導攝像管雖然清晰度比不上CCD/CMOS 攝像頭，但是其抗輻射能力很強，在中高輻照環(huán)境中成像清楚穩(wěn)定，壽命長，是耐輻射攝像頭中較為理想的選擇。

目前，國內(nèi)核電站光導攝像管存量逐漸減少，因此，也在中高輻射下采用耐輻射CCD/CMOS攝像頭，但是其壽命不長，而且處理固廢的代價很大。所以，現(xiàn)如今，在中高輻射環(huán)境中光導攝像管還是不可替代的。

2 耐輻射光導攝像管的研究現(xiàn)狀

光導攝像管在20世紀中期出現(xiàn)，其制造精美但復雜，后來，隨著CCD/CMOS技術(shù)的興起，輕量、高清且分辨率高的照相機漸漸取代了光導攝像管。但是，在某些極端條件下，光導攝像管仍然有其獨特的優(yōu)勢，如微光攝像或在高輻照環(huán)境中。

在高輻射環(huán)境中，普通CCD 受到高能射線照射，其成像質(zhì)量會急劇下降，因為高能射線粒子轟擊CCD/CMOS 中門極的隔離層SiO，會引起電子脫離或Si-O鍵斷裂，從而隔離層導通，成像失效。在光導攝像管中，確定成像質(zhì)量關鍵在于光電導膜，其一面接受外來圖像和射線轟擊，另外一面受到電子束掃描，所以靶面的選擇對其抗輻射能力影響尤為關鍵。

現(xiàn)如今，針對CCD/CMOS的缺陷，也有國內(nèi)外機構(gòu)研發(fā)耐輻射的CCD/CMOS 相機。CCD/CMOS 相機像素高、重量輕、耐受沖擊、工作電壓小，相比光導攝像管具有很大優(yōu)勢，但在高輻射和超高輻射中，CCD/CMOS相機還無法滿足耐輻射要求，相比之下，光導攝像管能夠在此工作條件下正常工作。

3 耐輻射光導攝像管優(yōu)勢

耐輻射能力強：單小時最大抗輻射劑量最高可達到30 000Gy/h，總抗輻射劑量可達到200WGy，能夠深入到常人不敢接近的高輻射區(qū)域監(jiān)測核電站的運行。

結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高：光導攝像管采用緊湊型設計，其產(chǎn)品尺寸小，便于安裝。

使用壽命長：使用壽命和環(huán)境輻照強度有關，累計總量最高可達200WGy，在1000Gy/h 的高強輻射下連續(xù)工作2000h。

4 耐輻射光導攝像頭成像原理分析

（1）反束光導攝像管前壁是光電陰極，進入系統(tǒng)的光像到達光電陰極后，產(chǎn)生光電效應，由光子激發(fā)出電子來，各點發(fā)出來的電子數(shù)目正比于光像的光照強度，在光電陰極上形成電子密度像。

（2）激發(fā)電子穿過金屬柵欄打到靶極，靶極受高速電子的轟擊產(chǎn)生二次電子發(fā)射。二次電子被金屬柵網(wǎng)所捕獲，靶極因逸出二次電子而帶正電，形成電位像。靶上電位高處對應于景物的亮點，電位低處對應于景物的暗點。

（3）用電子槍準確地瞄準靶極上的點并對靶面進行掃描（所以又稱電子掃描成像為像面掃描成像）。靶面上點從電子束中攝取電子，使靶極達到零電位。從電子槍中射出的電子束的電子數(shù)目是固定不變的，但靶面各點吸收電子的數(shù)目卻因各點的電位高低而不同，返回的剩余電子數(shù)形成了圖像信號，即圖像的亮點，使靶面上對應點的電位高，則從電子束中吸收的電子數(shù)就多，剩余返回的電子數(shù)少；反之，電子數(shù)多。于是，返回電子數(shù)就反映了圖像上各點的暗亮程度。

（4）為了提高輸出信號的強度，在電子槍外套有一組電子倍增器。返回的電子被收集極吸取后，再一次利用二次電子發(fā)射效應，將電流逐級倍增。

5 耐輻射光導攝像頭設計方案

5.1 機械設計

機械結(jié)構(gòu)包括聚焦偏轉(zhuǎn)線圈和對應的保持器，同時，還需要固定鏡頭和對應的電路板，最后整體組裝成為一個設備。

機械機構(gòu)中需要設計的主要是聚焦偏轉(zhuǎn)器和對應的外殼體。鏡頭直接采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。

5.1.1 聚焦偏轉(zhuǎn)器

聚焦偏轉(zhuǎn)器具體的結(jié)構(gòu)及其組成部分如圖1，其中各部件名稱具體如表1所示。

圖1 聚焦偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)

表1 聚焦偏轉(zhuǎn)器各個部件名稱

聚焦線圈在內(nèi)部，主要作用是將電子束聚焦。聚焦線圈也可以設計在偏轉(zhuǎn)線圈外部，但這會大大增大偏轉(zhuǎn)線圈的體積，因為為了得到相同的中心磁場，半徑越大，在線圈電流相同的情況下，需要的線圈匝數(shù)越多。將聚焦線圈放在內(nèi)部，能夠大大減小線圈的體積，但這意味著偏轉(zhuǎn)線圈的體積會增大很多，但偏轉(zhuǎn)線圈的匝數(shù)比聚焦線圈的匝數(shù)少得多，偏轉(zhuǎn)線圈匝數(shù)的增大在一定程度上是可以接受的。

5.1.2 外殼體

外殼體主要是為鏡頭、光導管、電路板等結(jié)構(gòu)提供支撐。

5.2 電路設計

電路結(jié)構(gòu)包括高壓升壓電路、精密放大采集電路、聚焦偏轉(zhuǎn)驅(qū)動電路、延時電路、信號處理電路、信號傳輸電路、圖像存儲電路?；镜脑O計框架如圖2所示。

圖2 電路設計框架

高壓電路生成光導管正常工作所需要的電壓，高壓電路采用諧振電路，產(chǎn)生低紋波的電壓源。光導管中的熱陰極受熱激發(fā)出電子，經(jīng)過控制極、加速極，最后經(jīng)過減速極，垂直入射在靶面上。當圖像靶面受光照，產(chǎn)生起伏的電勢，經(jīng)電子束背面照射，發(fā)生放電過程，產(chǎn)生電流。最大信號電流為300nA，經(jīng)過精密的跨阻放大器，最后被高速ADC采集。當控制x和y方向偏轉(zhuǎn)線圈的電流時，能夠控制電子束從左到右、從上到下掃描，最后將圖像的強弱信號轉(zhuǎn)化為電流的強弱信號。成像的精度與電子束的聚焦能力、掃描線性度及電子束的余輝遲滯特性有關。得到的圖像信號和掃描時序相比較，加上延時的補償，最后得到完成的圖像。得到的圖像經(jīng)過數(shù)字化濾波，細節(jié)特征被強化，最后壓縮成視頻格式，并經(jīng)過網(wǎng)口傳輸?shù)匠上穸孙@示。

5.2.1 高壓升壓電路

采用兩開關升壓Forward 電路，DSP 輸出精密的ePWM波，控制MOS的開斷，從而在變壓器中產(chǎn)生變化的電流，進而在次級線圈感應出高電勢，感應的高電勢經(jīng)過不同的分壓節(jié)點產(chǎn)生不同的電壓，分別為光導管的控制極、加速極、聚焦極及減速極提供電壓。

5.2.2 穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路需要足夠精度的穩(wěn)壓源，高速采集電路的電源采用LDO 提供，其產(chǎn)生的噪聲較小，對圖像信號的影響較小。然而，在高壓升壓電路的電源可以采用BuckBoost電路保證電源的效率，為了防止高頻電感發(fā)出的噪聲對電路采集的影響，需要添加屏蔽層。

5.2.3 放大濾波采集電路

前置放大電路最重要的是消除噪聲，將電流信號轉(zhuǎn)化放大為電壓信號，可能出現(xiàn)的噪聲源如下。（1）電阻熱噪聲、散射噪聲。（2）晶體管的閃爍噪聲、突發(fā)噪聲。（3）電源噪聲。（4）放大器噪聲。（5）信號線路引起的干擾噪聲，如寄生電容、寄生電感、機械振動噪聲。（6）電磁波干擾噪聲。（7）接地回路引起的噪聲。為了防止信號電流淹沒在噪聲信號中，需要合理地選型設計、濾波、合理布線布局、合理接地、外殼屏蔽、靜電屏蔽。設計細則如下。

（1）電阻噪聲。

（2）JFET噪聲。

基極電流噪聲：

總的噪聲電壓：

隨著集電極電流增加，噪聲電流增大，噪聲電壓減小，工作頻率越高，噪聲電流越低。

（3）電源噪聲。簡單的前端加LC或RC濾波器，高精度采用穩(wěn)壓源和LDO芯片，電壓輸出盡可以靠近放大器，原理高頻信號源。

（4）信號接地。為了屏蔽干擾，采用屏蔽線，屏蔽線外殼接地。當傳輸信號線很長時，需要考慮接地回路的影響，可以采用信號耦合。電路的干擾源有很多，采用合理的布線布局可以避免，對于高頻變壓器，可以添加屏蔽罩，里面采用高導磁率的材質(zhì)，外面采用低導磁率的材質(zhì)。

（5）其他。恒溫。為了使元器件工作在正常范圍，必須保證環(huán)境溫度在一定范圍內(nèi)，尤其是高溫將導致放大器等器件失效，必須恒溫。工作溫度設置在45℃左右，可以采用電阻絲和溫度傳感器結(jié)合起來，工作溫度超過45℃，將大大影響成像質(zhì)量。另外，隨時間和溫度變化、記憶現(xiàn)象、介質(zhì)吸收、周期循環(huán)、焊接時溫度影響、撞擊和振動，以及短期過載和濕度等，這些都會影響精度。電路處理采用好的器件外，還需要涂上三防膠，增加防振防潮的能力。

5.2.4 濾波電路設計

所提供的光導攝像管產(chǎn)生的圖像為灰度圖像，信號中心頻率為3MHz。信號頻率不能超過3MHz，過快的頻率由于信號余輝遲滯的影響，將會失去信號質(zhì)量，這意味電路圖像25 幀/s 左右，再高將得不到信號。信號頻率3MHz，信號中心頻率為3MHz，采用Bessel 低通濾波器，截止頻率為6MHz。采用帶通濾波器對器件要求帶寬較大，理想器件較難找尋。

5.2.5 ADC采樣電路

ADC 的種類很多，圖像采樣頻率為6M，MUC 內(nèi)部的ADC 采樣精度為12bit，對于8bit 編碼的灰度圖像，圖像分辨度是足夠的，但是ADC 時鐘頻率至少大于12M（根據(jù)二倍采樣定理），采用外部高速ADC，經(jīng)過高速并口讀取數(shù)據(jù)，最后被DSP 采集。但需要注意的是電路的延時性，從掃描信號發(fā)出，到生成電磁場，再到光電成像，低噪放大，最后再被ADC采集，中間有時間被消耗，為了得到準確的圖像信號，需要有對應的延時策略。

5.2.6 電流控制電路

聚焦偏轉(zhuǎn)器需要恒定變化的磁場，為了簡化設計，可以采用可控電流源。芯片根據(jù)所需要顯示的圖像TV 精度，輸出控制電壓，從而在聚焦偏轉(zhuǎn)器中產(chǎn)生磁場，控制電子的運動。時序可以由單片機內(nèi)部的定時器產(chǎn)生。但是有時電子掃描的頻率較高，掃描一幅圖像大概5 萬個點，1s 掃描25 張，總共125 萬點，需要用高速DAC，產(chǎn)生對應的控制電壓。為了能夠保證電子束的左右上下掃描，需要對應的電流偏置電路。

5.2.7 圖像處理電路

這里采用工業(yè)常用的DSP 芯片處理圖像，得到的圖像信號需要進行數(shù)字濾波、Gamma 調(diào)節(jié)、圖像增強等一系列的操作，以得到清晰的圖像，最后還需要進行圖像的壓縮，變成視頻格式，并通過網(wǎng)口傳輸出去。DSP浮點運算快，適合做圖像處理，而選擇STM32接口是因為其具有內(nèi)置網(wǎng)口接口，設計可以得到簡化，另外，可以分擔一部分STM32處理圖像的負擔。

6 結(jié)論和展望

6.1 結(jié)論

本文基于磁偏轉(zhuǎn)磁聚焦模式下的光導攝像管，提出了機械設計和成像電路設計初步方案。實際調(diào)試過程中，需要針對聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)線圈進行不同工況下的微調(diào)，確保電子束在靶面上形成一個極細的點，并完成電子束的左右上下掃描，從而獲得圖像信號，最終顯示為圖像，但整個系統(tǒng)的抗輻照性能需要所有部件均具備較高的耐輻照壽命。

6.2 展望

隨著未來我國核電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，高耐輻射相機在核電領域的應用將會越來越廣泛，可適用于核工業(yè)、核電站、高放射性實驗室等中或高放射性應用領域的視頻監(jiān)控及錄像采集等，高耐輻照相機的成功研制對核安全設備的監(jiān)測具有重要意義。