【虹科應用】虹科 IDS 多相機成像方案 – 攻克高速動態等離子體 3D 精準觀測難題 - 虹科電子有限公司

虹科最新文章

HongKe

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit.Ut elit tellus, luctus nec ullamcorper mattis, pulvinar dapibus leo.

【虹科應用】IDS 多相機成像技術，攻克高速動態等離子體高精度觀測難題

觀測難題

超高速微尺度等離子射流成像瓶頸

等離子射流是一種匯聚型自發光電離氣體束流，廣泛應用於材料加工、等離子醫療等領域。但其具備尺度微小、動態劇烈、演變迅速的特點，全過程僅數微秒，高精度實驗觀測難度極大。

針對這一難題，德國萊布尼茨等離子體科學與技術研究所（INP）MPS 課題組，聚焦自研 kINPen 常壓低溫等離子射流開展實驗研究。該裝置可產生高動態等離子絲狀體，放電週期僅 1 微秒、直徑約 0.1 毫米、長度不足 10 毫米，是研究等離子放電空間形貌與傳播規律的理想模型。為精準捕捉瞬態放電三維結構，團隊搭建了同步多相機成像系統，並採用虹科合作夥伴 IDS 工業相機作為核心成像設備。

當前研究工作的核心，正是等離子體的這一空間尺度問題。萊布尼茨等離子體科學與技術研究所研究員阿圖爾・維蒂希（Artur Wittich）解釋道：「我們的研究重點在於等離子放電的三維空間結構。對該結構開展實驗觀測，是深入理解等離子射流及其作用機理、進而實現精準調控的關鍵一步。」

極限成像要求

微秒級超短曝光與全域同步擷取

高速瞬態的等離子放電對成像系統提出了極致嚴苛的要求：其演化週期僅數微秒、空間尺度極小，必須依靠微秒級超短曝光才能捕捉完整獨立的放電通道。本實驗採用 9.35–30.03 微秒曝光區間，擷取 8 位元單色單幀圖像，適配超快放電場景成像需求。

整套系統的核心難點在於多相機高精度同步觸發，只有全域相機在同一極短時間窗口同步擷取，才能精準捕捉同一瞬態放電特徵。僅依靠傳統二維單幀圖像，無法還原等離子絲狀體彎曲、偏移、纏繞等真實三維形態，只能依靠多視角同步拍攝，實現放電結構的精準三維重構。

另外，精準捕捉同源等離子絲狀體，需要系統具備超高時序控制精度，同時依託穩定可複現的等離子放電工況，才能保障實驗數據的精準度與可靠性。

依託設備性能

實現高動態等離子穩定複現成像

無靶面工況下单次測量會生成多根等離子絲，這類絲體被稱作引導流光（Guided Streamer），是等離子體內壽命極短、呈線狀的放電通道；而存在接觸靶面時的觀測中，通常只會出現一條佔絕對主導的放電路徑。該現象源於所謂衍生放電模式：引導流光會在等離子源與靶面之間搭建導電通道，隨後瞬態輝光放電會沿這條通道無規律地閃爍。受記憶效應影響，前一次放電產生的亞穩態粒子能夠促進後續引導流光再次起弧，新生成的流光基本會沿原有路徑傳播，僅會因氣流作用發生小幅偏移。

當 kINPen 等離子射流採用高頻激勵時，該效應會讓多次放電形成的可見等離子體結構具備空間可複現性，從而實現穩定可視化觀測。

這一物理特性，為採用基於圖像處理的測量技術系統研究高動態等離子放電奠定了核心基礎。

IDS 多相機視覺方案

等離子三維重建核心支撐

為通過實驗表徵等離子放電的空間結構，萊布尼茨等離子體科學與技術研究所搭建了一套多目立體視覺成像系統，採用 5 台虹科合作夥伴 IDS 工業相機 同步擷取數據，從多個角度同步捕捉等離子放電形貌。想要實現穩定可靠的三維空間重建，除了對相機系統完成高精度標定外，另一核心要求是儘可能無畸變地還原精細放電結構。

系統搭載 IDS 大光圈 75 毫米鏡頭，適配 1.2 英吋大像面，光圈可達 f/2.8。選用該光學配置的原因在於：等離子放電軸向長度不足 10 毫米，徑向寬度不足 1 毫米，對鏡頭光學性能要求嚴苛。

在该研究所完成碩士課題的指導審核工程師菲利普・馬特恩博士（Dr. Philipp Mattern）解釋道：「觀測距離約 500 毫米時，等離子絲狀體自發光強度極低，亮度幾乎和螢火蟲相當。」

圖像分析階段會提取等離子放電內部特徵顯著的結構，將其作為跨圖像匹配特徵點，再基於這些匹配點重建出放電的三維點雲結構。並且通過該方法得到的點雲數據，首次為研究放電路徑提供了可靠依據。不僅能夠可視化等離子體結構，還可對其開展系統化分析。

嚴苛選型標準

同步觸發能力成核心關鍵

整套圖像處理系統搭載 5 台虹科合作夥伴 IDS uEye CP U3‑31J0CP Rev.2.2 工業相機，該相機支援高性能觸發、同步功能，適配多相機並行擷取場景。菲利普・馬特恩博士完成該成像方案整體設計，並確定選用 IDS 硬件設備；其創立的 M.E.S.S. 馬特恩工程軟件解決方案公司為本項目提供相關科研与技術支援。該相機系統可適配嚴苛光學標準與時序同步需求。

本次相機選型聚焦三大核心指標：高精度硬件觸發、極致同步性能、微秒級超短曝光穩定控制。針對等離子放電超快動態特性，唯有依託三項核心性能，才能確保多相機同步捕捉同源放電特徵，保障實驗數據一致性。

所選虹科合作夥伴 IDS 工業相機搭載索尼 Pregius S 系列 IMX546 方形 CMOS 感應器，擁有 813 萬像素解像度。設備結合全域快門與背照式感光（BSI）技術，可在弱光環節下實現穩定微秒級短時曝光，有效消除瞬態等離子體成像畸變，完美適配自發光、超短壽命等離子結構的高精度成像需求。

研究人員阿圖爾・維蒂希充分肯定了 IDS 的技術支援：品牌完備的技術文檔與專業服務，為多相機同步擷取方案設計、參數調試及系統搭建提供了重要保障。

整套系統依託虹科合作夥伴 IDS peak 軟件開發工具包（SDK）集成，支援多相機統一配參、同步運行與參數固化複用，確保各組實驗工況統一、數據可對比。同時藉助 Python 版 IDS peak API，可便捷實現多相機並行擷取、同步觸發、圖像存儲全流程自動化，大幅提升實驗效率與穩定性。

技術落地驗證

IDS 成像方案實現高精度等離子解析

本套自研多相機成像方法並不僅僅用於觀測展示，更是一套通過實驗驗證的可行性技術方案。研究首次證實，可將 kINPen 射流這種高動態等離子放電重建為三維點雲模型，並開展後續結構量化分析，為進一步研究等離子射流放電的空間傳播規律奠定了實操基礎。

此外，該方法並不局限於 kINPen 等離子射流，稍加調試即可應用於其他小型放電結構。

應用展望

IDS 成像技術可應用於各類放電研究

本研究持續探究不同工況下的等離子射流放電特性，依託多相機成像系統實現高時空解像度動態觀測，該方法通用性強，可拓展至各類動態結構研究。團隊同步推進紋影（Schlieren）、BOS 等光學技術研究，用以捕捉放電周邊氣流與密度變化，完善實驗分析體系。

本研究高精度觀測體系的實現，核心得益於虹科合作夥伴 IDS 高性能圖像處理方案，突破了傳統等離子觀測的技术瓶頸。據虹科合作夥伴 IDS 產品市場經理介紹，針對等離子放電的超高動態特性，設備依託全域快門感應器與高精度硬件同步觸發技術，可實現微秒級可複現曝光，有效消除成像畸變，保障多相機系統同步擷取。

該核心技術可輸出高一致性、高解像度的圖像數據，精準支撐等離子三維點雲重建與結構量化分析，保障了實驗的精度與可重複性，也為後續等離子體、動態流體的多參數拓展研究提供了可靠的技術支援。

結語

本次等離子觀測項目充分驗證虹科合作夥伴 IDS 相機成像方案在超快微尺度瞬態場景的核心優勢，依託高精度同步觸發、BSI 全域快門感應器與配套開發工具，解決低溫等離子絲狀體三維捕捉難題。該成像系統實現放電結構三維點雲重構與量化分析，適配 kINPen 射流及多種小型放電裝置。依託 IDS 技術配套服務，整套方案調試便捷、複用性強。這套成熟成像體系打破傳統二維觀測局限，為等離子醫療、材料加工相關機理研究提供高可靠觀測工具，也為高速流體、瞬態發光物體多視角檢測提供通用技術參考。