高速转镜相机转速测量的同步传感系统

    高速转镜扫描相机有ns级的时间分辨本领、良好的空间分辨率,具有与被摄目标准确同步、使用可靠、操作简单等优点。因此它在高速摄影仪器中占据重要的地位,被广泛应用于爆炸力学、高压物理、等离子体、火花放电以及新型激光光源和激光光谱学的研究[1-2]。实验测试工作中,转镜相机主要用于测量被摄事件各部分间的微小时间差异或几个独立事件之间的时间间隔。相机像面上的扫描速度是时间测量的基准[3]。现代实验科学对时间信息参量的测量提出了极为严格的要求,测量相对标准差应小于0.1%。由于相机机械设计本身不可能做得足够精确,相机反射镜在转动过程中不可避免地产生一定的误差,采用传统的相机转速传感器(如电机磁场传感器)已不能满足对目标瞬变现象时间精度的严格要求。

    本文提出的同步传感系统新方法可以克服现有方案时间精度不高的问题,能够满足事件分析过程中对时间信息参量的严格要求。新方法的主要原理是利用光的抗电磁干扰及可高速处理的性能得到转镜的时间信息参量,再经过光电转换的手段来实现的[4-6]。

    1 系统原理及基本结构

    1.1 转速不确定度的起因

    由于转镜式高速摄影机中采用的反射镜都有一定的厚度,在反射镜旋转过程中,经镜面反射后的扫描像在胶片面上表现为非匀速运动,像的轨迹是一条巴斯加蜗线[7],扫描速度方程为

v =2LX[1+(a/L)cosH] (1)

    式中:L为相机的结构常量;a为转镜厚度的1/2;H为入射主光轴与镜面法线之间的夹角;X为转镜角速度。在转镜相机中,为了机械加工的方便,胶片面采用与蜗线密合的圆周线代替蜗线。

    此外,转镜在电机驱动下,由于其本身机械性能的原因,在转动过程中,转速不可避免地产生一定的偏差。

    针对以上情况,为了精确地测量胶片面上两成像之间的时间参量,我们提出了光电探测法,其基本原理表达式为

v = Lc/T (2)

    式中:Lc为相邻两个探测器之间沿胶片面的弧线长度;T为相应两个探测器之间的时间间隔。

    传感器位置在某一相机上是确定值,即在安装完探测器后,Lc值也就确定了,问题的关键就转向了解决T。

    1.2 光电信号转换

    该传感系统包括光电信号的转换和脉冲信号的计数两个模块。光电信号转换的具体实现方法是在相机光路中,人为地加入一路激光,通过相机的狭缝后经转镜反射,成像在胶片上方,在成像轨迹上依次安置四个光电探测器,相机整体结构和探测器的安置见图1和图2(图示中只画出两个探测器)。