基于高辐照环境下光导摄像管视频采集技术解决方案

2022-09-23程治峰

科技创新导报 2022年13期

程治峰

（苏州热工研究院有限公司江苏苏州 215000）

1 研究背景

目前，核电站所使用的耐辐射摄像头主要有两种类型，分别是光导摄像管和耐辐射的CCD/CMOS 摄像头。相较于耐辐射CCD/CMOS 摄像头，耐辐照光导摄像管虽然清晰度比不上CCD/CMOS 摄像头，但是其抗辐射能力很强，在中高辐照环境中成像清楚稳定，寿命长，是耐辐射摄像头中较为理想的选择。

目前，国内核电站光导摄像管存量逐渐减少，因此，也在中高辐射下采用耐辐射CCD/CMOS摄像头，但是其寿命不长，而且处理固废的代价很大。所以，现如今，在中高辐射环境中光导摄像管还是不可替代的。

2 耐辐射光导摄像管的研究现状

光导摄像管在20世纪中期出现，其制造精美但复杂，后来，随着CCD/CMOS技术的兴起，轻量、高清且分辨率高的照相机渐渐取代了光导摄像管。但是，在某些极端条件下，光导摄像管仍然有其独特的优势，如微光摄像或在高辐照环境中。

在高辐射环境中，普通CCD 受到高能射线照射，其成像质量会急剧下降，因为高能射线粒子轰击CCD/CMOS 中门极的隔离层SiO，会引起电子脱离或Si-O键断裂，从而隔离层导通，成像失效。在光导摄像管中，确定成像质量关键在于光电导膜，其一面接受外来图像和射线轰击，另外一面受到电子束扫描，所以靶面的选择对其抗辐射能力影响尤为关键。

现如今，针对CCD/CMOS的缺陷，也有国内外机构研发耐辐射的CCD/CMOS 相机。CCD/CMOS 相机像素高、重量轻、耐受冲击、工作电压小，相比光导摄像管具有很大优势，但在高辐射和超高辐射中，CCD/CMOS相机还无法满足耐辐射要求，相比之下，光导摄像管能够在此工作条件下正常工作。

3 耐辐射光导摄像管优势

耐辐射能力强：单小时最大抗辐射剂量最高可达到30 000Gy/h，总抗辐射剂量可达到200WGy，能够深入到常人不敢接近的高辐射区域监测核电站的运行。

结构紧凑，可靠性高：光导摄像管采用紧凑型设计，其产品尺寸小，便于安装。

使用寿命长：使用寿命和环境辐照强度有关，累计总量最高可达200WGy，在1000Gy/h 的高强辐射下连续工作2000h。

4 耐辐射光导摄像头成像原理分析

（1）反束光导摄像管前壁是光电阴极，进入系统的光像到达光电阴极后，产生光电效应，由光子激发出电子来，各点发出来的电子数目正比于光像的光照强度，在光电阴极上形成电子密度像。

（2）激发电子穿过金属栅栏打到靶极，靶极受高速电子的轰击产生二次电子发射。二次电子被金属栅网所捕获，靶极因逸出二次电子而带正电，形成电位像。靶上电位高处对应于景物的亮点，电位低处对应于景物的暗点。

（3）用电子枪准确地瞄准靶极上的点并对靶面进行扫描（所以又称电子扫描成像为像面扫描成像）。靶面上点从电子束中摄取电子，使靶极达到零电位。从电子枪中射出的电子束的电子数目是固定不变的，但靶面各点吸收电子的数目却因各点的电位高低而不同，返回的剩余电子数形成了图像信号，即图像的亮点，使靶面上对应点的电位高，则从电子束中吸收的电子数就多，剩余返回的电子数少；反之，电子数多。于是，返回电子数就反映了图像上各点的暗亮程度。

（4）为了提高输出信号的强度，在电子枪外套有一组电子倍增器。返回的电子被收集极吸取后，再一次利用二次电子发射效应，将电流逐级倍增。

5 耐辐射光导摄像头设计方案

5.1 机械设计

机械结构包括聚焦偏转线圈和对应的保持器，同时，还需要固定镜头和对应的电路板，最后整体组装成为一个设备。

机械机构中需要设计的主要是聚焦偏转器和对应的外壳体。镜头直接采用现有的成熟技术。

5.1.1 聚焦偏转器

聚焦偏转器具体的结构及其组成部分如图1，其中各部件名称具体如表1所示。

图1 聚焦偏转器结构

表1 聚焦偏转器各个部件名称

聚焦线圈在内部，主要作用是将电子束聚焦。聚焦线圈也可以设计在偏转线圈外部，但这会大大增大偏转线圈的体积，因为为了得到相同的中心磁场，半径越大，在线圈电流相同的情况下，需要的线圈匝数越多。将聚焦线圈放在内部，能够大大减小线圈的体积，但这意味着偏转线圈的体积会增大很多，但偏转线圈的匝数比聚焦线圈的匝数少得多，偏转线圈匝数的增大在一定程度上是可以接受的。

5.1.2 外壳体

外壳体主要是为镜头、光导管、电路板等结构提供支撑。

5.2 电路设计

电路结构包括高压升压电路、精密放大采集电路、聚焦偏转驱动电路、延时电路、信号处理电路、信号传输电路、图像存储电路。基本的设计框架如图2所示。

图2 电路设计框架

高压电路生成光导管正常工作所需要的电压，高压电路采用谐振电路，产生低纹波的电压源。光导管中的热阴极受热激发出电子，经过控制极、加速极，最后经过减速极，垂直入射在靶面上。当图像靶面受光照，产生起伏的电势，经电子束背面照射，发生放电过程，产生电流。最大信号电流为300nA，经过精密的跨阻放大器，最后被高速ADC采集。当控制x和y方向偏转线圈的电流时，能够控制电子束从左到右、从上到下扫描，最后将图像的强弱信号转化为电流的强弱信号。成像的精度与电子束的聚焦能力、扫描线性度及电子束的余辉迟滞特性有关。得到的图像信号和扫描时序相比较，加上延时的补偿，最后得到完成的图像。得到的图像经过数字化滤波，细节特征被强化，最后压缩成视频格式，并经过网口传输到成像端显示。

5.2.1 高压升压电路

采用两开关升压Forward 电路，DSP 输出精密的ePWM波，控制MOS的开断，从而在变压器中产生变化的电流，进而在次级线圈感应出高电势，感应的高电势经过不同的分压节点产生不同的电压，分别为光导管的控制极、加速极、聚焦极及减速极提供电压。

5.2.2 稳压电路

稳压电路需要足够精度的稳压源，高速采集电路的电源采用LDO 提供，其产生的噪声较小，对图像信号的影响较小。然而，在高压升压电路的电源可以采用BuckBoost电路保证电源的效率，为了防止高频电感发出的噪声对电路采集的影响，需要添加屏蔽层。

5.2.3 放大滤波采集电路

前置放大电路最重要的是消除噪声，将电流信号转化放大为电压信号，可能出现的噪声源如下。（1）电阻热噪声、散射噪声。（2）晶体管的闪烁噪声、突发噪声。（3）电源噪声。（4）放大器噪声。（5）信号线路引起的干扰噪声，如寄生电容、寄生电感、机械振动噪声。（6）电磁波干扰噪声。（7）接地回路引起的噪声。为了防止信号电流淹没在噪声信号中，需要合理地选型设计、滤波、合理布线布局、合理接地、外壳屏蔽、静电屏蔽。设计细则如下。

（1）电阻噪声。

（2）JFET噪声。

基极电流噪声：

总的噪声电压：

随着集电极电流增加，噪声电流增大，噪声电压减小，工作频率越高，噪声电流越低。

（3）电源噪声。简单的前端加LC或RC滤波器，高精度采用稳压源和LDO芯片，电压输出尽可以靠近放大器，原理高频信号源。

（4）信号接地。为了屏蔽干扰，采用屏蔽线，屏蔽线外壳接地。当传输信号线很长时，需要考虑接地回路的影响，可以采用信号耦合。电路的干扰源有很多，采用合理的布线布局可以避免，对于高频变压器，可以添加屏蔽罩，里面采用高导磁率的材质，外面采用低导磁率的材质。

（5）其他。恒温。为了使元器件工作在正常范围，必须保证环境温度在一定范围内，尤其是高温将导致放大器等器件失效，必须恒温。工作温度设置在45℃左右，可以采用电阻丝和温度传感器结合起来，工作温度超过45℃，将大大影响成像质量。另外，随时间和温度变化、记忆现象、介质吸收、周期循环、焊接时温度影响、撞击和振动，以及短期过载和湿度等，这些都会影响精度。电路处理采用好的器件外，还需要涂上三防胶，增加防振防潮的能力。

5.2.4 滤波电路设计

所提供的光导摄像管产生的图像为灰度图像，信号中心频率为3MHz。信号频率不能超过3MHz，过快的频率由于信号余辉迟滞的影响，将会失去信号质量，这意味电路图像25 帧/s 左右，再高将得不到信号。信号频率3MHz，信号中心频率为3MHz，采用Bessel 低通滤波器，截止频率为6MHz。采用带通滤波器对器件要求带宽较大，理想器件较难找寻。

5.2.5 ADC采样电路

ADC 的种类很多，图像采样频率为6M，MUC 内部的ADC 采样精度为12bit，对于8bit 编码的灰度图像，图像分辨度是足够的，但是ADC 时钟频率至少大于12M（根据二倍采样定理），采用外部高速ADC，经过高速并口读取数据，最后被DSP 采集。但需要注意的是电路的延时性，从扫描信号发出，到生成电磁场，再到光电成像，低噪放大，最后再被ADC采集，中间有时间被消耗，为了得到准确的图像信号，需要有对应的延时策略。

5.2.6 电流控制电路

聚焦偏转器需要恒定变化的磁场，为了简化设计，可以采用可控电流源。芯片根据所需要显示的图像TV 精度，输出控制电压，从而在聚焦偏转器中产生磁场，控制电子的运动。时序可以由单片机内部的定时器产生。但是有时电子扫描的频率较高，扫描一幅图像大概5 万个点，1s 扫描25 张，总共125 万点，需要用高速DAC，产生对应的控制电压。为了能够保证电子束的左右上下扫描，需要对应的电流偏置电路。

5.2.7 图像处理电路

这里采用工业常用的DSP 芯片处理图像，得到的图像信号需要进行数字滤波、Gamma 调节、图像增强等一系列的操作，以得到清晰的图像，最后还需要进行图像的压缩，变成视频格式，并通过网口传输出去。DSP浮点运算快，适合做图像处理，而选择STM32接口是因为其具有内置网口接口，设计可以得到简化，另外，可以分担一部分STM32处理图像的负担。