CCD摄像机在瞬变喷雾可视化中的应用

    引   言

    高速运动图像的实时采集技术在燃烧学、航空动力学等领域的研究中具有重要的意义。如对高速运动的内燃机喷雾、航空发动机液体燃料的燃烧、燃煤锅炉中煤粉颗粒的运动以及子弹飞行轨迹的研究,无一不涉及高速运动图像的采集。

    传统上常采用高速摄影法,即用连续光作光源,用高速摄影机将某一运动过程记录到底片上[1,2]。目前,常用的高速摄影机每秒能拍摄几千张图像,更好一些的能达到几万张,即以万分之一秒的速度拍摄,但成本很高。

    另一种是采用单脉冲或多脉冲红宝石激光器作光源,将高速运动图像记录至底片[3]。上述两种方法的共同特点是先将信息记录到底片上,然后通过对底片的处理和分析得到所需结果。每次处理底片的条件不同,势必会影响分析的结果,而且工作量也较大。

    将CCD用于燃油喷雾图像的研究,实现了喷雾图像的实时采集,虽然有较多优点,但并不意味着CCD完全可以取代干板记录图像。用干板记录图像的空间分辨率比CCD高,在某些场合,比如研究图像的细微结构,还必须采用干板记录图像。所以,高速摄影和激光全息方法在以往的燃烧和流动测量等科学领域中发挥了巨大的作用,在今后仍将发挥其重要作用。

    随着微电子和CCD视频摄像机的进步,使得实时采集高速运动图像技术成为现实,近年来,其在燃油喷雾研究领域的应用得到了飞速发展。

    1 CCD特性的研究

    CCD是70年代初发展起来的新型半导体器件。近年来,随着微电子技术的进步,CCD的研究取得惊人的进展。目前,它已成为现代测试技术中最活跃、最富有成果的新兴领域之一,尤其在像感器方面发展迅速。

    本系统采用Philips 1101CCD摄像机采集图像,其光敏面由795@596个光敏像素组成,光谱响应范围在0.4~1.1Lm,最低敏感光照度为0.02 lx。因此,可在暗光条件下拍到较清晰的图像。光强信号直接由CCD接收,并将测得的信号经图像板转换成8bit数送至计算机进行处理。

    CCD摄像机通过连续不断地向图像系统传送图像来实现实时显示图像的特点,其传送一帧图像的速度是40ms,每一帧图像都由两场图像组成,即由奇数场和偶数场组成,每场采集图像的时间是1814ms,传送信号的时间是116ms,通常称之为消隐期。如果以脉冲激光作光源,发光期正好落在消隐期上,则CCD采集不到任何信号。设红宝石激光器发出激光的脉冲宽度t=30ns,则误采率P=(t+1.6)/20=8.15%,即采中图像的几率在90%以上,一般来说,误采率小于10%对实验过程影响不大。