高速摄像在火焰传播研究中的应用

    1 引言

    气体火焰的传播速率比较快，研究火焰形状是极具细致的工作，必须借助于特定的测试仪器才能实现，采用火焰的可视化方法（高速摄像法、纹影法、阴影法及干涉法等）和激光诊断技术是目前最有效的研究手段。通过火焰的可视化方法能够直接获取丰富的火焰信息，其中高速摄像可以在很短的时间内完成对高速目标的快速、多次采样，当以常规速度放映时，所记录目标的变化过程就清晰、缓慢地呈现在我们眼前。高速光电成像技术具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等突出优点，是其他技术手段所难以替代的，开展这方面的研究对解决火焰加速传播中许多悬而未决的技术难题具有重要意义，目前国内已有学者从事这方面的研究并应用[1-3]。

    2 高速光电成像系统的组成和工作原理

    高速摄像系统工作原理是：高速运动目标受到自然光或人工辅助照明灯光的照射产生反射光，或者运动目标本身发光,这些光的一部分透过高速成像系统的成像物镜。经物镜成像后，落在光电成像器件的像感面上，受驱动电路控制的光电器件，会对像感面上的目标像快速响应，即根据像感面上目标像光能量的分布，在各采样点即像素点产生响应大小的电荷包，完成图像的光电转换。带有图像信息的各个电荷包被迅速转移到读出寄存器中。读出信号经信号处理后传输至电脑中，由电脑对图像进行读出显示和判读，并将结果输出。因此，一套完整的高速成像系统由光学成像、光电成像、信号传输、控制、图像存储与处理等几部分组成。

   （1）光学成像系统包含成像物镜。成像物镜将运动目标进行成像，并保证使目标像落在光电成像器件的成像面上，同时还要保证有足够大的口径，以满足在很短的曝光时间内成像面仍有足够的光照度，能满足光电成像器件的响应需要。此外，成像物镜的分辨率、像差、焦距等参数也必须与光电成像器件相匹配。

   （2）光电成像系统包含光电成像器件及信号处理系统，其中光电成像器件无疑是高速光电成像系统中的关键，它很大程度上决定了整个成像系统性能的优劣。光电成像器件主要完成对落在其成像面上的高速运动目标像的多次、快速采样，而每次采样过程又包括光生电荷的积累、含有图像信息的电荷包的转移和读出、输出信号的处理等过程。它最为主要的指标是像元素数和响应时间，因为这决定了图像的分辨率和拍摄频率；光电成像器件现多采用高速成像 CCD〔电荷耦合器件〕及其与其他光电成像器件的组合来构成适用于特定场合应用的光电成像系统，如在 CCD 像感面前加上像增强器而构成的工 CCD能更好地适应暗光环境。