应用分享-超声波信号在水中的传输状态

超声波是一种波长极短的机械波，不仅具备方向性好、传播距离远的特点，还凭借其易被探测及超强穿透力（如可穿透非透明材料）的优势广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术开发等诸多领域。超声学是一门专注研究超声波产生、传播 、接收，以及各类超声效应和应用的声学分支。通过探究超声波的传输特性和物质对超声波的吸收规律，科研学者可进一步拓展超声波在超声探测和超声成像等领域的应用。本实验采用中智科仪逐光IsCMOS像增强相机对超声波信号在水中的传输状态进行拍摄。超声装置产生的超声波信号进入水池，激光从垂直方向上照射水池，借助相机外触发同步功能以及纳秒级快门控制和延迟，IsCMOS相机可精准捕获超声波信号在水中传输的状态。测试设备：中智科仪逐光IsCMOS像增强相机，型号：TRC411-S-S20-U。测试流程：图1、实验光路原理图测试搭建的实验光路原理图如图1所示，具体实验步骤如下：1、在光路中放置蓄满水的水池，将超声装置垂直安装于水池上方使超声波呈现向下传输的状态。2、将520nm的照明激光经过扩束准直后照射于水池侧面，调整IsCMOS相机位置使激光光束透过水池后正对于相机探测面中心。3、调节照明激光的功率，保证合适的照明激光强度。IsCMOS相机工作为内触发模式，将相机的触发输出端口连接到超声波装置的触发输入端口，以1Hz的频率进行拍摄。实操时进一步优化相机增益、门控时间宽度和曝光时间，获得不同相机参数下的超声波信号图像。以下是逐光IsCMOS像增强相机在不同增益，不同门控时间宽度的参数下所拍摄到的水中超声波信号图像。图2、增益3000；门宽100ns图3、增益3000；门宽50ns图2、图3分别是相机增益值为3000时，门宽分别为100ns和50ns时的超声信号照片。数据表明，门宽由100ns降为50ns时，图像质量有明显提升。图4、增益3000；门宽50ns；累加10张，Zero noise模式图4是相机在增益值为3000，门宽50ns时，启动Zero noise模式，并累加10张后获得的超声信号。数据表明，较图3而言，启动Zero noise模式后，图像的质量有明显提升。上述结果表明，利用中智科仪逐光IsCMOS像增强相机的内触发功能来触发超声波发射装置，利用520nm激光进行照明，通过调节相机增益、曝光时间及门控时间可以对水中的超声信号清晰成像。累加模式和Zero noise模式可以进一步提高信噪比，优化成像质量。中智科仪逐光IsCMOS像增强相机在触发外部设备工作的同时可进行超窄门宽的快门控制，触发抖动小于35ps，延迟精度可达10ps量级，超窄门宽满足高时间分辨成像拍摄。独特的Burst累加功能、多帧累加功能和Zero noise功能，可以进一步提高成像质量。中智科仪逐光IsCMOS像增强相机在保证超高灵敏度，分辨率的同时，功能设计灵活，丰富，紧密贴合实验研究需要，已然成为超声波传输特性研究的高效优选方案。由中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒；全分辨率帧速高达98幅/秒；内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。1.  500皮秒光学快门以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声。2．超高采样频率逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供告诉数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。3．精准的时序控制逐光IsCMOS像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10皮秒，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。4. 创新“零噪声”技术得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。中智科仪Intelligent Scientific Systems MEASURE THE WORLDWITH LIGHT 逐 光 IsCMOS 像增强相机 500皮秒光学门宽 快门重复频率高达5MHz 帧频98FPS 内置三通道同步时序控制器 先进的Hi-QE及GaAs光阴极 更高增益的双层MCP选项 无需制冷的低噪声探测技术 中智科仪国内首推逐光系列IsCMOS相机，采用高 量 子效 率低噪声的Hi-QE以及GaAs像增强器，针对皮秒时间分辨光谱 及成像实验优化设计，光学门宽短至500皮秒；采用 1600×1088分辨率相机芯片，全分辨率帧速高达98幅 /秒；内 置 皮秒精 度 的多通道同步时序控 制 器，由Sma r tCapture软件 进行可视化时序设 置 。 特征及优势 500皮秒光学门宽 98幅/秒帧频 内置三通道同步时序控制器 同步精度高达10皮秒的三通道独立同步/延时输出 无需制冷的低噪声探测技术 内在低噪声芯片及完全自主开发的低噪声电路 快门重复频率高达5MHz 同步高重频激光器，更高的信噪比 光纤锥耦合技术 先进的Hi-QE及GaAs光阴极 Windows及Linux SDK支持 ●技术参数 sCMOS 分辨率 1600*1088 像素尺寸 量子效率 >70%@525nm 有效探测面积 14.4mm*9.79mm 采集帧频 98fps@1600*1088，>200fps@1600*500 ADC 12bit 电子快门 Global 前置增益 0-24dB 读出模式 高灵敏度模式 增益(e-/ADU) 0.31 1.55 满井容量 19643 98965 读出噪声(e-) 4.68 23.1 光阴极 GaAs HotS20 Hi-QE Blue Hi-QE UV Solar Blind 量子效率 >33%@600-850nm >16%@510nm >30%@250-400nm >27%@200-400nm >21%@260nm 等效背景噪声(EBI) <0.25 ulx <0.05 ulx <0.05 ulx <0.05 ulx <0.05 ulx 波段范围 400nm-920nm 200nm-900nm 185-700nm 185nm-730nm 200nm-325nm 有效尺寸 光锥耦合比例 1：1 增益 >8000 Photons/Photon@1MCP；>150000 Photons/Photon@2MCP 分辨率 55-65 Ip/mm@1MCP；>25 Ip/mm@2MCP 荧光屏 P43 最短光学快门 U：500ps，F：3ns 快门驱动方式 高速电学脉冲驱动；-200V(开)/+50V(关) 快门重复频率 连续-10KHz(500ps)； 连续-300KHz，5MHz@Burst (3ns) 同步时序控制器 工作模式 内触发；随机触发；单发外触发；Burst外触发；连续 同步接口 外触发输入*1，触发输出*3，快速触发*1，曝光信号输出*1 外触发输入 最大触发频率125MHz，支持任意分频；触发阈值0.3V-3.3V可设置；输入阻抗50欧/10K欧可设置； 同步触发输出 A、B、C三通道；输出幅值5V，内阻50欧；输出脉冲宽度2ns-10s，最小调整步距10ps 外触发延迟 内触发频率 ·光阴极量子效率曲线· 强大易用的SmartCapture软件 操作界面 应用 选 型 TRC41111一 S： 单层MCP D：双层MCP 安装尺寸 151 146.5 143 100 6-M 3下8 4 侧 面 安 装 孔 (左右两侧 对称) 47 视图A 3-1/4-20 UN G 深5.5mm (相 机 底 板安 装孔 ) 一 1图 图 0 重 量 2.8Kg 电气需求 90-240V 50Hz AC，功耗<25W 推荐配置 ·2.5GHz多核处理器，4线程并行运算能力 自 ·LUSB 3.0可扩展主机控制器， ·4GB内存 支持300MB/s高速传输 ·100MB剩余硬盘空间以安装软件 ·Windows (7，8，8.1，10) MEASURE THE WORLD WITH LIGHT 中智科仪(北京)科技有限公司 地址：北京市昌平区龙域中心A座710室 中智科仪(西安)研发中心 地址：陕西省西安市高新区锦业路69号创业开发园A区17号楼三楼