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脉冲连续摄影原理与超高速高动态成像验证

电子学报 2022年第12期50卷 2919-2927页

作者：黄铁军北京大学计算机学院多媒体信息处理全国重点实验室北京100871

传统相机采用定时曝光方式获得静态图像或图像序列形式的视频,不能有效表达极高速的光子流过程,而且导致高速和高动态相互对立的“两难困境”.基于光电传感器像素独立的特点,提出了连续摄影原理:每个像素各自把接收的光子流转换成电子流... 详细信息

传统相机采用定时曝光方式获得静态图像或图像序列形式的视频,不能有效表达极高速的光子流过程,而且导致高速和高动态相互对立的“两难困境”.基于光电传感器像素独立的特点,提出了连续摄影原理:每个像素各自把接收的光子流转换成电子流,连续测量光电流并转换成数字信息流,实现像素级别的连续表达,再按照像素空间排布组成序列阵列,就是对像素平面入射光子流过程的连续表达.截取序列阵列任何一个时刻的状态就可得到该时刻的图像,从而实现连续成像.进而,提出了把光电子流调制为脉冲序列的脉冲连续摄影原理:像素从清空状态开始积累电荷,达到额定阈值时产生一个脉冲作为积满标志并自动复位重新开始累积,如此重复.一个脉冲积满所经历的时间称为它的脉宽,与这个时段的光强成反比,据此可以估计这一时段的光强.脉冲按照自然时序排列而成的脉冲序列就是对光电子流过程的数字化表达.各像素产生的脉冲流按照像素空间分布排列而成的脉冲流阵列称为视象,蕴含了光过程丰富的时空信息,从中可以生成任意时刻的图像,实现超高速、高动态、无模糊连续成像,解决了定时曝光成像的“两难困境”.脉冲连续摄影原理的唯一参数是累积阈值Q,对应积满一个脉冲所需光子/电子数,唯一变量是脉冲累积时长τ,是最容易准确测量的物理量,并可以利用自然时序简练表达.任意时刻的光强为Q/τ,由所处脉冲的宽度τ决定,τ的取值范围是(0,∞),因此理论上可以表达任意强度的光,动态范围无穷大.实际物理实现中,强光表达的极限取决于电路最短读出时间,暗光表达极限就是暗电流强度,它累积为一个脉冲的时长■即相机的动态范围,采用常规光电器件和电路就能实现160 dB甚至180 dB超高动态成像.在要求成像时间灵敏度小于■时,可通过对累积电压亚阈值量化,实现超高动态成像.光子流和光电子流是符合泊松分布的离散随机过程,往往是一个“分段线性”过程光强瞬时突变,突变之间光强稳定.提出了实现脉冲流最简无损压缩的首脉冲编码方法:只在光强变化时输出首脉冲发放时刻及其脉宽,之后不输出脉冲就表示重复.采用首脉冲序列编码,可在几乎不增加输出数据量条件下,大幅提高时间计量精度,显著提升系统的动态范围和时间灵敏度.采用成熟CMOS光电器件和标准工艺,研制了两款脉冲连续摄影芯片和脉冲相机,空间分辨率分别为10万像素和100万像素,采用4万赫兹同步脉冲输出,即最短脉宽25μs.实拍试验验证了脉冲连续摄影原理的可实现性和超高速高动态无模糊成像性能.脉冲连续摄影视象蕴含了光子流的时空信息,替代图像和视频,将从根本上重塑计算机视觉和视觉信息处理技术和产业.创立了脉冲视觉开源算法体系SpikeCV,用较低计算复杂度实现了速度比人眼快千倍的超高速目标检测跟踪识别系统.作为脉冲连续摄影的对称过程,脉冲连续显示把超高速脉冲流调制为极高速光子流,能够实现类似自然光的高速变化,解决了传统显示系统因为低帧率带来的运动模糊和视觉疲劳眩晕等问题.连续摄影和连续显示相结合,可实现近似玻璃的单向透明显示和超高速无介质光通信.

关键词：光电传感器脉冲序列调制连续摄影高动态成像超高速成像相机视象

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开关变换器调制技术的分类与综述

中国电机工程学报 2018年第21期38卷 6383-6400页

作者：周国华赵泓博毛桂华周述晗徐顺刚磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室(西南交通大学)

对开关变换器的调制技术进行了系统性的归纳与总结,并给出了5种分类方式,即恒频调制和变频调制、连续调制和离散调制、模拟调制和数字调制、线性调制和非线性调制,以及基本型调制和组合型调制。将脉宽调制（pulse width modulation,PWM... 详细信息

对开关变换器的调制技术进行了系统性的归纳与总结,并给出了5种分类方式,即恒频调制和变频调制、连续调制和离散调制、模拟调制和数字调制、线性调制和非线性调制,以及基本型调制和组合型调制。将脉宽调制（pulse width modulation,PWM）和脉频调制（pulsefrequency modulation,PFM）视为基本型调制,则其余的调制技术均可以认为是基于PWM和/或PFM的组合型调制。根据对偶性与相通性,系统地分析了基本型调制和组合型调制（包括脉冲序列调制、脉冲跨周期调制、正弦脉宽调制、空间矢量脉宽调制等）的原理和特点,揭示了各种调制技术的区别与联系,推断出了脉冲ON调制、正弦脉频调制、空间矢量脉频调制等新颖调制技术。最后,给出了综述结论与研究展望。

关键词：开关变换器脉宽调制脉频调制脉冲序列调制脉冲跨周期调制正弦脉宽调制空间矢量脉宽调制

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脉冲连续摄影原理与超高速高动态成像验证

电子学报 2023年 2919-2927页

作者：黄铁军北京大学计算机学院多媒体信息处理全国重点实验室

传统相机采用定时曝光方式获得静态图像或图像序列形式的视频，不能有效表达极高速的光子流过程，而且导致高速和高动态相互对立的“两难困境”.基于光电传感器像素独立的特点，提出了连续摄影原理：每个像素各自把接收的光子流转换成... 详细信息

传统相机采用定时曝光方式获得静态图像或图像序列形式的视频，不能有效表达极高速的光子流过程，而且导致高速和高动态相互对立的“两难困境”.基于光电传感器像素独立的特点，提出了连续摄影原理：每个像素各自把接收的光子流转换成电子流，连续测量光电流并转换成数字信息流，实现像素级别的连续表达，再按照像素空间排布组成序列阵列，就是对像素平面入射光子流过程的连续表达.截取序列阵列任何一个时刻的状态就可得到该时刻的图像，从而实现连续成像.进而，提出了把光电子流调制为脉冲序列的脉冲连续摄影原理：像素从清空状态开始积累电荷，达到额定阈值时产生一个脉冲作为积满标志并自动复位重新开始累积，如此重复.一个脉冲积满所经历的时间称为它的脉宽，与这个时段的光强成反比，据此可以估计这一时段的光强.脉冲按照自然时序排列而成的脉冲序列就是对光电子流过程的数字化表达.各像素产生的脉冲流按照像素空间分布排列而成的脉冲流阵列称为视象，蕴含了光过程丰富的时空信息，从中可以生成任意时刻的图像，实现超高速、高动态、无模糊连续成像，解决了定时曝光成像的“两难困境”.脉冲连续摄影原理的唯一参数是累积阈值Q，对应积满一个脉冲所需光子/电子数，唯一变量是脉冲累积时长τ，是最容易准确测量的物理量，并可以利用自然时序简练表达.任意时刻的光强为Q/τ，由所处脉冲的宽度τ决定，τ的取值范围是（0，∞），因此理论上可以表达任意强度的光，动态范围无穷大.实际物理实现中，强光表达的极限取决于电路最短读出时间，暗光表达极限就是暗电流强度，它累积为一个脉冲的时长τ?，τ/?τ?即相机的动态范围，采用常规光电器件和电路就能实现160 dB甚至180 dB超高动态成像.在要求成像时间灵敏度小于τ?时，可通过对累积电压亚阈值量化，实现超高动态成像.光子流和光电子流是符合泊松分布的离散随机过程，往往是一个“分段线性”过程光强瞬时突变，突变之间光强稳定.提出了实现脉冲流最简无损压缩的首脉冲编码方法：只在光强变化时输出首脉冲发放时刻及其脉宽，之后不输出脉冲就表示重复.采用首脉冲序列编码，可在几乎不增加输出数据量条件下，大幅提高时间计量精度，显著提升系统的动态范围和时间灵敏度.采用成熟CMOS光电器件和标准工艺，研制了两款脉冲连续摄影芯片和脉冲相机，空间分辨率分别为10万像素和100万像素，采用4万赫兹同步脉冲输出，即最短脉宽25μs.实拍试验验证了脉冲连续摄影原理的可实现性和超高速高动态无模糊成像性能.脉冲连续摄影视象蕴含了光子流的时空信息，替代图像和视频，将从根本上重塑计算机视觉和视觉信息处理技术和产业.创立了脉冲视觉开源算法体系SpikeCV，用较低计算复杂度实现了速度比人眼快千倍的超高速目标检测跟踪识别系统.作为脉冲连续摄影的对称过程，脉冲连续显示把超高速脉冲流调制为极高速光子流，能够实现类似自然光的高速变化，解决了传统显示系统因为低帧率带来的运动模糊和视觉疲劳眩晕等问题.连续摄影和连续显示相结合，可实现近似玻璃的单向透明显示和超高速无介质光通信.

关键词：光电传感器脉冲序列调制连续摄影高动态成像超高速成像相机视象

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单相全桥逆变器离散脉冲调制及控制技术研究

单相全桥逆变器离散脉冲调制及控制技术研究

作者：魏红昊西南交通大学

学位级别：硕士

随着社会的飞速发展，电能的消耗逐渐增大，能源的需求日益增加，化石能源的枯竭不可避免。大力发展新能源是实现可持续发展的一项重要举措。随着新能源的发展，不间断电源(Uninterruptible power supply,UPS)系统广泛应用于各行各业，... 详细信息

随着社会的飞速发展，电能的消耗逐渐增大，能源的需求日益增加，化石能源的枯竭不可避免。大力发展新能源是实现可持续发展的一项重要举措。随着新能源的发展，不间断电源(Uninterruptible power supply,UPS)系统广泛应用于各行各业，为通信系统、医疗设备、地铁运营、计算机数据处理系统等关键负载提供能量。单相全桥逆变器作为UPS与负载之间的电源转换接口，其稳定性、稳态以及瞬态性能直接影响了输出电能质量。为了同时获得无静态误差输出电压、低总谐波(Total harmonic distortion,THD)失真以及快速的瞬态响应，本文针对单相逆变器的调制及控制方法展开研究，基于脉冲序列调制(Pulse train modulation,PTM)技术，提出了离散脉冲调制及控制方法，为逆变器的高性能控制系统设计提供新思路。　　首先，针对传统单电压环PI控制单相全桥逆变器的输出电压稳态误差和瞬态响应速度慢的问题，提出了离散脉冲(Discrete pulse,DP)控制。论文构建了单相全桥逆变器具有正弦输出电压的目标占空比函数。基于此，结合PTM技术，提出了DP控制的原理与离散控制参数设计规则。通过建立DP控制单相全桥逆变器的离散时间模型，研究了DP控制的离散控制参数、滤波器参数误差以及不同负载情况对单相全桥逆变器系统的稳定性和稳态性能的影响。搭建了实验样机，对所提出的DP控制与传统单电压环PI控制进行了实验对比研究。实验结果表明DP控制可以有效降低单相全桥逆变器的输出电压稳态误差，提升变换器系统的瞬态性能，同时具有较强的鲁棒性。　　其次，针对不同负载情况造成的DP控制单相全桥逆变器输出电压纹波大、THD高的问题，提出了电流型离散脉冲(Current mode discrete pulse,CMDP)控制。论文重新构建了单相全桥逆变器具有正弦输出电压的目标占空比函数。通过引入电感电流与输出电流采样，得到不同输出负载情况下统一的目标占空比函数，并提出了CMDP控制的控制原理与离散控制参数设计规则。通过建立离散时间模型，详细分析离散控制参数对单相全桥逆变器在不同负载工作时输出电压RMS和系统稳定性的影响。搭建实验样机进行实验验证，并与DP控制实验结果进行对比研究。实验结果表明CMDP控制可以有效减小输出电压纹波、降低输出电压THD与稳态误差，同时保持输出电压瞬态性能不变。　　最后，为了进一步优化CMDP控制单相全桥逆变器的输出电压纹波和降低THD，提出了改进电流型离散脉冲(Improved current mode discrete pulse,ICMDP)控制。通过改进离散控制参数的构建方式，有效提升了ICMDP控制单相全桥逆变器的稳态及瞬态性能。通过建立离散时间模型，详细分析离散控制参数对单相全桥逆变器系统在不同输出负载工作时输出电压RMS、稳定性的影响。实验结果对比了DP控制、CMDP控制与ICMDP控制的稳态与瞬态性能。实验结果表明ICMDP控制的离散控制参数能够精确拟合目标占空比函数，具有三种控制方式中最低的输出电压THD;CMDP控制与ICMDP控制由于电流控制环路的引入，其输出电压稳态误差均较小;三种离散脉冲控制方法的瞬态性能基本一致，均可实现非常快速的瞬态响应。

关键词：单相逆变器脉冲序列调制离散脉冲控制瞬态性能

CCM Boost PFC变换器离散脉冲调制及控制技术研究

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CCM Boost PFC变换器离散脉冲调制及控制技术研究

作者：胡嘉豪西南交通大学

学位级别：硕士

功率因数校正（Power Factor Correction,PFC）变换器被用于解决谐波污染和电能质量问题。平均电流模式（Average Current Mode,ACM）控制连续导通模式（Continuous Conduction Mode,CCM）Boost PFC变换器因具有功率因数（Power Factor,PF）高、输入电流总谐波畸变（Total Harmonic Distortion,THD）低、电磁干扰（Electronmagnetic Interference,EMI）小等优点，广泛应用于中大功率场合。但是，ACM控制的电压和电流控制环路相互耦合，电压控制环路的输出电压二倍工频纹波会被引入到电流控制环路中，造成输入电流畸变，PF降低。为了避免二倍工频纹波对输入电流的影响，通常将ACM控制的电压控制环路带宽设计为10~20Hz。然而，较低的带宽导致变换器系统较慢的动态响应速度。因此，本文基于脉冲序列调制（Pulse Train Modulation,PTM）方法，提出一类离散占空比（Discrete Duty Cycle,DDC）控制方法，旨在保证变换器具有高功率因数的前提下，大幅提升系统的动态性能。　　首先，考虑电压和电流控制环路解耦，构建了CCM Boost PFC变换器具有单位功率因数的统一的目标占空比函数。基于PTM原理，提出了CCM Boost PFC变换器的离散电压和电流控制环路的设计规则。通过对目标占空比函数进行离散化，获得离散占空比，并根据离散占空比选取规则，实现对目标占空比函数的精确快速拟合。　　其次，提出了CCM Boost PFC变换器的双环离散占空比(Double Loop Discrete Duty Cycle,DL-DDC)控制方法。研究了离散脉冲系数KV和KI的设计方法和单位功率因数目标占空比函数的拟合曲线，以指导KV和KI的设计。搭建了输入电压110Vac，输出电压400V，输出功率320W的CCM Boost PFC变换器实验样机，与传统ACM控制方法相比，DL-DDC控制的电压与电流控制环路解耦，其控制的CCM Boost PFC变换器能够实现更高的PF（＞0.998）、更低的THD（＜5%）和更快的动态响应速度（＜1ms）。　　再次，提出了CCM Boost PFC变换器的电压环离散占空比(Voltage Loop Discrete Duty Cycle,VL-DDC)控制方法。研究了离散脉冲系数KV对输入功率范围、PF、THD、输出电压纹波和寄生参数容错性等稳态性能的影响，以指导KV的设计。实验对比分析了电流环离散占空比（Current Loop Discrete Duty Cycle,CL-DDC）控制、DL-DDC控制、VL-DDC控制和ACM控制的稳态及动态控制性能，相较于CL-DDC控制和DL-DDC控制方法，VL-DDC控制方法大大改善了电感电流的正弦度，其控制的CCM Boost PFC变换器具有更高的PF（＞0.999）和更低的THD（＜3%）。　　最后，建立了DL-DDC控制和VL-DDC控制CCM Boost PFC变换器的离散时间迭代模型。通过时域频闪映射、分岔图和相轨图等动力学分析研究方法，研究了离散脉冲系数分布方式对CCM Boost PFC变换器系统稳定性、稳态和动态控制性能的影响机制，从动力学行为角度解释了DL-DDC控制和VL-DDC控制CCM Boost PFC变换器具有高功率因数和快速动态响应的原理。

关键词： Boost变换器连续导通模式功率因数校正脉冲序列调制离散占空比

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不连续导通模式PSM PT控制开关变换器

通信电源技术 2012年第5期29卷 17-19页

作者：牟清波王金平南车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛266111 西南交通大学电气学院四川成都610031

脉冲跳周期调制(Pulse Skip Modulation,PSM)采用ON/OFF控制对输出电压进行调整,提高了开关变换器的轻载效率,但存在输出电压纹波大的缺点。文中结合开关变换器的脉冲序列调制(Pulse Train,PT)控制与PSM技术,提出了开关变换器的PSM PT... 详细信息

脉冲跳周期调制(Pulse Skip Modulation,PSM)采用ON/OFF控制对输出电压进行调整,提高了开关变换器的轻载效率,但存在输出电压纹波大的缺点。文中结合开关变换器的脉冲序列调制(Pulse Train,PT)控制与PSM技术,提出了开关变换器的PSM PT控制技术,其降低了输出电压的纹波,并使PT控制开关变换器在空载时能稳定工作。

关键词：脉冲跳调制脉冲序列调制变换器