CN108900834B - 一种高速相机曝光时间及失帧测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速相机曝光时间及失帧测量装置及方法。所述测量装置包括TTL同步信号触发器、光电探测设备、高重频激光器和采集分析设备。所述测量装置测量基准时钟频率高于被测高速相机频率4‑5个数量级时，测量误差小于高速相机曝光周期的万分之一至十万分之一；采用采样率为25GHz的采集分析设备采集高速相机的曝光信号，得到高精度的曝光时间和失帧率，为校准高速相机获取的试验参数提供数据基础。

Description

一种高速相机曝光时间及失帧测量装置及方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种高速相机曝光时间及失帧测量装置及方法。

背景技术

高速摄影是爆轰物理、冲击波物理、加速器物理和等离子体试验等研究中重要的测试手段，高速相机采用光学成像的方式对试验过程进行实时拍摄跟踪，获得相应的参数。高速相机不仅可以记录高速运动过程，而且可以进行视觉测量，是目前唯一可以同时获取目标图像和高精度轨迹的爆破参数测量设备。

目前，广泛应用于研究爆破过程试验的高速相机普遍面临着曝光时间不准确及失帧的问题。在时间上，曝光时间误差、失帧的存在会对爆破过程中碎片的速度、加速度及运行轨迹产生误判，对一次爆破和二次爆破之间的时间估计不准确；在空间上，高速相机所拍摄的图像如果存在畸变，则会导致碎片运动轨迹的误判，从而极大地影响对爆破威力的研究，已给武器性能评价及设计优化带来了困扰，影响该类武器系统的研制进度。

经分析，造成这种误差的主要原因是靶场缺乏对高速相机曝光时间不准、失帧以及目标成像畸变进行精确测量校准的技术手段，使得该类设备长期得不到有效的计量保障。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高速相机曝光时间及失帧测量装置及方法，为校准高速相机获取的试验参数提供数据基础。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种高速相机曝光时间及失帧测量装置，包括TTL同步信号触发器、光电探测设备、高重频激光器和采集分析设备；

所述TTL同步信号触发器分别与高速相机、光电探测设备相连，所述高速相机工作在外部触发模式，所述TTL同步信号触发器产生触发信号，使高速相机、光电探测设备同步触发；

所述高重频激光器产生高重频激光信号输出到所述光电探测设备和所述采集分析设备；

所述光电探测设备与所述高速相机、所述高重频激光器和所述采集分析设备相连接，在所述触发信号的控制下，将相机的曝光结果调制到高重频激光信号上，并将调制信号输出到采集分析设备；

所述采集分析设备采集处理所述光电探测设备输出的调制信号，计算高速相机的曝光时间和失帧率。

进一步地，TTL同步信号触发器产生触发信号与高速相机的帧速率一致。

进一步地，高重频激光信号比高速相机的帧速率高4～5个数量级。

进一步地，采集分析设备的信号采集与高重频激光信号同步。

进一步地，所述采集分析设备采集处理的带宽为5GHz，采样率为25GSa/s。

一种高速相机曝光时间及失帧测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、打开高重频激光器，发射激光脉冲信号；

步骤S2、TTL同步信号触发器产生一个与高速相机曝光时间相一致的触发信号触发光电探测设备工作；

步骤S3、当该触发信号处于高电平时，高速相机曝光进行拍摄，并输出曝光结果信号，同时，光电探测设备在TTL同步触发信号的控制下，将所述相机的曝光结果信号与所述高重频激光信号进行调制，并将调制后的信号发送至采集分析设备；

步骤S4、采集分析设备对光电探测器发送的激光脉冲信号进行处理，得到曝光时间、曝光周期、曝光系数和统计失帧率。

进一步地，步骤S4包括以下子步骤：

S401、对光电探测设备的输出信号进行高速采样；

S402、计算曝光时间、曝光周期、曝光系数和统计失帧率。

进一步地，所述采样信号与高重频激光信号保持同步。

进一步地，所述采样信号的采样带宽为5GHz，采样率为25GSa/s。

进一步地，曝光时间的测量：在每一个曝光周期内，采集分析设备采集到调制信号的高电平的时间宽度即为曝光时间；开始时刻t为采样后信号上升沿幅度一半时的时刻；结束时刻t’为采样后信号下降沿幅度一半时的时刻，曝光时间为Δt＝t'-t；

曝光周期的测量：上一个曝光周期曝光时间的开始时刻为t，下一个曝光周期曝光时间的开始时刻为T，曝光周期为ΔT＝T-t；

曝光系数：

统计失帧率：统计n个曝光周期，Δt_i为第i个曝光周期内的曝光时间，则n个曝光周期的失帧率所述是多次测量后Δt_i的算术平均值。

本发明有益效果如下：

1.测量基准时钟频率即高重频激光器的重复频率高于被测高速相机拍摄频率4-5个数量级时，测量误差小于高速相机曝光周期的万分之一至十万分之一；

2.采用采样率为25GHz的采集分析设备采集高速相机的曝光时间，因测量设备因素引起的测量误差在0.1‰以内；

3.测量得到高精度的曝光时间和失帧率，为校准高速相机获取的试验参数提供数据基础。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为高速相机曝光时间及失帧测量装置示意图；

图2为高速相机曝光时间及失帧测量方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明实施例提供了一种高速相机曝光时间及失帧测量装置，如图1所示，包括TTL同步信号触发器、光电探测设备、高重频激光器及采集分析设备；

所述TTL同步信号触发器分别与高速相机、光电探测设备相连，在高速相机的曝光外部触发模式下，所述TTL同步信号触发器产生一个与高速相机帧速率一致的方波触发信号，使高速相机、光电探测器工作在同一时钟下。

所述高重频激光器在时钟信号的控制下产生高重频激光；所述时钟信号比高速相机的曝光频率高4～5个数量级，还输出到采集分析设备，使采集分析设备对信号的采集和处理与高重频激光信号同步；具体地，所述时钟信号的产生可利用高重频激光器FPGA内部锁相环实现，也可通过分相多路(多路等相位差)技术产生。

所述光电探测设备与所述高重频激光器、采集分析设备相连，在TTL同步信号触发器的触发信号的控制下，探测所述高重频激光器发出的高重频激光信号；高速相机将相机的曝光结果发送至所述光电探测设备；在所述光电探测设备中，将相机的曝光结果调制到高重频激光信号上，并将调制后的信号输出到采集分析设备，进行数据采集和信号处理。

所述采集分析设备采集处理所述光电探测设备输出的调制信号，计算高速相机的曝光时间误差和失帧率；所述采集分析设备采集处理的带宽为5GHz，采样率为25GSa/s。

如图2所示，所述光电探测设备的输入信号为相机的曝光结果信号、和高重频激光信号；所述相机的曝光结果信号与所述高重频激光信号进行调制，输出信号为以相机的曝光结果信号作为信号包络的高重频激光信号。所述输出信号中包含激光信号载波的脉冲信号宽度反映高速相机的曝光时间，具有激光信号载波的脉冲信号之间的时间间隔反映高速相机的曝光周期，当一个曝光周期内，相机的曝光时间小于曝光时间阈值时，即认为是高速相机失帧。

高速相机的曝光时间通过外部触发控制，而曝光时间在测量中决定了曝光时间误差和失帧率测量的不确定度(如较长的曝光时间会减小不确定度和失帧的虚警概率)，所述曝光时间阈值指示了在一定的不准确度指标要求下此测量系统的极限水平。

例如，曝光时间均值为300ns，不确定度(即标准差)为0.057ns，其概率密度函数符合高斯分布。根据探测概率大于99.9％，虚警概率小于0.01％的设计要求，将判断失帧的曝光时间阈值设置在100～200ns。

实际测量中，所述光电探测设备探测的相机曝光时间测量结果误差为一个激光器的驱动时间周期，激光器的驱动频率越高，对应单个周期越短。测量引起的误差越小。测量基准时钟频率即高重频激光器的重复频率高于被测高速相机频率4-5个数量级时，测量误差小于高速相机曝光周期的万分之一至十万分之一。

例如，所述高重频激光器的脉冲重频为1GHz，脉宽约为3～5ps；所述光电探测设备的探测脉冲上升沿时间为1.4ps；所述采集分析设备的采样率为25GSa/s，采集时间间隔0.04ns。对于帧速率为10000帧/秒、曝光时间为300ns的高速相机，曝光时间和曝光周期的测量精度可以达到0.14‰。

采集分析设备采样率为25GHz，采样点之间的时间间隔为0.04ns。假设曝光开始时刻为t1，曝光结束时刻为t2，则t1和t2的测量不确定度均为0.04ns，根据误差传递公式σ_a+b＝(σ² _a+σ² _b)²，所述σ_a为t1时刻测量不确定度，所述σ_b为t2时刻测量不确定度；采集分析设备的曝光时间测量的不确定度为0.057ns。假设高速相机的帧速率为10000帧/秒，每帧曝光时间为300ns，则曝光时间测量相对不确定度为0.18‰。实际上，现在的高速相机曝光时间通常都大于300ns，因此曝光时间测量的相对不确定度优于0.1‰。因此，采用采样率为25GHz的采集分析设备采集高速相机的曝光时间可得到很高的测量精度，即因测量设备因素引起的测量误差在0.1‰以内。

一种采用上述装置进行高速相机曝光时间及失帧测量方法，包括以下步骤：

步骤S1、打开高重频激光器，发射激光脉冲信号；

步骤S2、TTL同步信号触发器产生一个与高速相机曝光时间相一致的触发信号触发光电探测设备工作；

具体地，使用高速相机的曝光外部触发模式(边沿或电平)，利用TTL同步信号触发器来同步这个外部触发信号，从而同步高速相机和光电探测设备。

步骤S3、当该触发信号处于高电平时，高速相机曝光进行拍摄，并输出曝光结果信号，同时，光电探测设备在TTL同步触发信号的控制下，将所述相机的曝光结果信号与所述高重频激光信号进行调制，并将调制后的信号发送至采集分析设备；

步骤S4、采集分析设备对光电探测器发送的激光脉冲信号进行处理，得到曝光时间、曝光周期、曝光系数和统计失帧率。

S401、对激光脉冲信号进行高速采集

对光电探测器的探测信号进行高速采样，所述采样带宽为5GHz，采样率为25GSa/s。

S402、计算曝光时间、曝光周期、曝光系数和统计失帧率。

对曝光周期内的高速采样数据进行计时处理得到精确的高速相机的曝光时间；采用高重频激光信号作为光电探测信号的载波，采用高速数据采集降低了曝光时间的误差。

曝光时间的测量：在每一个曝光周期内，采集分析设备采集到调制信号的高电平的时间宽度即为曝光时间；开始时刻t为采样后信号上升沿幅度一半时的时刻；结束时刻t’为采样后信号下降沿幅度一半时的时刻，曝光时间为Δt＝t'-t；

曝光周期的测量：上一个曝光周期曝光时间的开始时刻为t，下一个曝光周期曝光时间的开始时刻为T，曝光周期为ΔT＝T-t；

曝光系数：

统计失帧率：统计n个曝光周期，Δt_i为第i个曝光周期内的曝光时间，则n个曝光周期的失帧率所述是多次测量后Δt_i的算术平均值。

综上所述，本发明实施例提供的高速相机曝光时间及失帧测量装置及方法，具有以下有益效果：

1.测量基准时钟频率即高重频激光器的重复频率高于被测高速相机频率4-5个数量级时，测量误差小于高速相机曝光周期的万分之一至十万分之一；

2.采用采样率为25GHz的采集分析设备采集高速相机的曝光时间，因测量设备因素引起的测量误差在0.1‰以内；

3.测量得到高精度的曝光时间和失帧率，为校准高速相机获取的试验参数提供数据基础。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速相机曝光时间及失帧测量装置，其特征在于，包括TTL同步信号触发器、光电探测设备、高重频激光器和采集分析设备；

所述TTL同步信号触发器分别与高速相机、光电探测设备相连，所述高速相机工作在外部触发模式，所述TTL同步信号触发器产生触发信号，使高速相机、光电探测设备同步触发；

所述高重频激光器产生高重频激光信号输出到所述光电探测设备和所述采集分析设备；

所述光电探测设备与所述高速相机、所述高重频激光器和所述采集分析设备相连接，在所述触发信号的控制下，将相机的曝光结果调制到高重频激光信号上，并将调制信号输出到采集分析设备；

所述采集分析设备采集处理所述光电探测设备输出的调制信号，计算高速相机的曝光时间和失帧率。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，TTL同步信号触发器产生触发信号与高速相机的帧速率一致。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，高重频激光信号的重复频率比高速相机的曝光频率高4～5个数量级。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，采集分析设备的信号采集与高重频激光信号同步。

5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述采集分析设备采集处理的带宽为5GHz，采样率为25GSa/s。

6.一种采用权利要求1-5中任一所述装置进行高速相机曝光时间及失帧测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、打开高重频激光器，发射激光脉冲信号；

步骤S2、TTL同步信号触发器产生一个与高速相机曝光时间相一致的触发信号触发光电探测设备工作；

步骤S3、当该触发信号处于高电平时，高速相机曝光进行拍摄，并输出曝光结果信号，同时，光电探测设备在TTL同步触发信号的控制下，将所述相机的曝光结果信号与所述高重频激光信号进行调制，并将调制后的信号发送至采集分析设备；

步骤S4、采集分析设备对光电探测设备发送的激光脉冲信号进行处理，得到曝光时间、曝光周期、曝光系数和统计失帧率。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，步骤S4包括以下子步骤：

S401、对光电探测设备的输出信号进行高速采样；

S402、计算曝光时间、曝光周期、曝光系数和统计失帧率。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述采样信号与高重频激光信号保持同步。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述采样信号的采样带宽为5GHz，采样率为25GSa/s。

10.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，

曝光时间的测量：在每一个曝光周期内，采集分析设备采集到调制信号的高电平的时间宽度即为曝光时间；开始时刻t为采样后信号上升沿幅度一半时的时刻；结束时刻t’为采样后信号下降沿幅度一半时的时刻，曝光时间为Δt＝t'-t；

曝光周期的测量：上一个曝光周期曝光时间的开始时刻为t，下一个曝光周期曝光时间的开始时刻为T，曝光周期为ΔT＝T-t；

曝光系数：

统计失帧率：统计n个曝光周期，Δt_i为第i个曝光周期内的曝光时间，则n个曝光周期的失帧率所述是多次测量后Δt_i的算术平均值。