超高速CCD正交阴影照相系统的研究与应用

    0 引  言

    在对高速或超高速运动目标可视化测量研究系统中,火花闪光阴影照相、脉冲X射线闪光阴影照相技术、高速摄影等技术是常用的方法[1-4]。火花闪光阴影照相的主要缺点是光源闪光持续时间较长(为亚Ls数量级),造成高速目标成像拖尾较长,模糊量较大。脉冲X射线闪光阴影照相技术穿透能力强,能广泛应用于不透明介质内部的各种高速现象,如被火、烟、尘、雾锁笼罩的高速现象[2],然而脉冲X射线闪光阴影照相无法研究高速被测目标所形成流场状况。高速摄影虽然摄像速度很高,但分辨率低,价格昂贵,无法满足对高速运动目标进行高分辨率单幅照相的要求。近年来,CCD成像器件技术发展迅速,它采用电子记录方式,分辨率高,响应快,已成为新型记录设备。脉冲激光亮度高、单色性好、脉宽短[4](一般为纳秒数量级到皮秒数量级,甚至达到飞秒数量级),用作阴影照相光源时,纳秒级的脉冲宽度时间可以/冻结0高速运动目标而得到清晰的图像[5-6],因此,基于激光照明光源的高分辨率CCD照像技术,成为对高速或超高速运动目标可视化研究的有效手段。而利用这一技术对高速运动目标进行照相从而对目标进行姿态分析及定位分析,尚无成熟可行的技术。项目组对此进行了探索和研究,研制了由高分辨率CCD相机[7-8]、窄脉冲光源及照相箱体等构成的超高速CCD正交阴影照相系统,高速运动目标成像分辨率高,照相结果可满足对高速运动目标运动姿态、定位及流场状况进行分析要求。

    1  系统结构

    为了能较好地观察目标在照相时点的姿态、以及判读计算其质心空间坐标,照相系统采用两CCD相机进行正交照相。整个高速照相系统工作原理如图1所示。

    图1所示为超高速CCD正交阴影照相系统的原理框图。当超高速目标触及区截装置时,产生一个触发信号,此触发信号启动时序控制器,产生系统各部件的时序控制信号。当高速运动目标进入视场中部时,计算机产生激光器触发信号,激光器发出激光。激光经50/50分光后,再由两根导光臂将两束激光导入两个扩束镜,照明运动目标。与此同时,时序控制器发出照相启动信号,使2个CCD相机同时处于照相状态。照相结束后,两CCD相机捕获图像由高速网线传输至计算机。其中,CCD相机工作模式由计算机通过软件进行设置。

    照相箱体为不锈铁正方体。两正交CCD相机置于照相箱体上面和侧面。照相箱体能极大地减少自然光、杂散光对照相系统的影响,且使照相系统能在复杂环境下正常工作。

    2 系统组成

    2.1 高分辨率CCD相机