CN111308849A - 一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置和方法，该装置包括照明模块、摄像模块和触发模块；照明模块按照光线传播方向依次为：激光器、第一陷波滤光片和扩束镜；摄像模块按照光线传播方向依次为：第二陷波滤光片、窄带滤光片、相机和分析模块，相机和分析模块电连接；触发模块为延时控制器，延时控制器分别与激光器和相机电连接。本发明方法与装置可实现Gf/s的高帧频的图像采样，可应用于高峰值功率脉冲激光诱导靶材损伤研究过程中，高速羽流、爆轰波、冲击波等现象的观测，也可应用于超高速弹丸和爆炸瞬间弹丸碎片飞行特性的试验研究。

Description

一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置和方法

技术领域

本发明涉及图像采集技术领域，更具体的说是涉及激光诱导爆轰波的高速羽流、爆轰波波前探测、冲击波等现象的观测。

背景技术

激光对靶材的损伤是一个非常快的过程，强激光，特别是高峰值功率的窄脉冲激光辐照后的极短时间内，将产生强烈的爆轰现象，研究羽流喷射结构、冲击波、爆轰波膨胀速度和等离子体羽分布情况等，必须采用时间分辨率足够高的检测手段。

高峰值功率强激光诱导靶材过程中产生的爆轰波或者相爆炸过程，其喷射的羽流结构、冲击波、爆轰波膨胀速度和等离子体羽分布情况等，都与激光的脉冲时间尺度、功率密度、频率和材料特性等因素有着密切的关系。采用合适的测试方法，对爆轰波或者相爆炸过程的测试，分析激光诱导损伤现象的解析和损伤机理的研究具有重要意义。

目前，国内外对激光损伤过程中靶材表面损伤形貌的变化过程，通常采用分幅拍摄方式，即控制实验条件及环境，多次重复实验控制拍摄延时。受限于靶材的材料一致性、激光参数的波动、以及各类噪声的影响，显然这种方式在激光与物质相互作用现象观测，特别是在瞬态剧烈现象拍摄中存在一定的不可靠性。

纹影摄影技术是一种经典的光学显示技术，把具有高时间分辨本领的高速相机与纹影方法相结合，构成基于纹影技术的高速摄像系统，可实现瞬态物理过程的观测。这种方法，由于受限于高速相机的拍摄速度，而无法实现激光诱导相爆炸的拍摄。

因此，如何提供一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置和方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置和方法，可实现高时间分辨的物理过程拍摄，具有结构简单、响应速度快，不对流场形成干扰等优点，该方法和装置，可广泛应用于激光加工、强激光与物质相互作用的研究，以及高压火花放电等高速物理过程的拍摄和再现。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置，包括：照明模块、摄像模块和触发模块；

所述照明模块按照光线传播方向依次为：激光器、第一陷波滤光片和扩束镜；

所述摄像模块按照光线传播方向依次为：第二陷波滤光片、窄带滤光片、相机和分析模块，所述相机和所述分析模块电连接；

所述触发模块分别与所述激光器和所述相机电连接。

进一步，所述触发模块为延时控制器，所述延时控制器分别与所述激光器和所述相机电连接。

进一步，所述激光器为多台半导体激光器，所述半导体激光器的脉宽为纳秒量级，且多台所述半导体激光器的激光波长不同。

进一步，所述第一陷波滤光片、所述第二陷波滤光片、所述窄带滤光片和所述相机均设置为多个，且均与多个所述激光器一一对应设置。

进一步，所述第一陷波滤光片和所述第二陷波滤光片均为45°高反射的陷波滤光片，多个所述45°高反射的陷波滤光片的窄带峰值波段与多个所述激光器的激光波长一一对应，且谱间互不重叠。

进一步，所述相机为具有外触发功能的相机，包括CCD相机和CMOS相机。

进一步，多个所述窄带滤光片的峰值波长与多个所述激光器的激光波长一一对应，且谱间互不重叠。

进一步，所述延时控制器具有多个通道，多个所述通道之间能够按照预设时间要求产生纳秒量级的时延。

进一步，所述分析模块包括下位机和上位机，所述相机、所述下位机和所述上位机依次电连接。

一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像方法，包括以下步骤：

触发步骤：触发信号作为外触发源驱动延时控制器，所述延时控制器分别异步触发所述激光器和所述相机；

照明步骤：所述激光器接收触发信号后发出激光信号，经过所述第一陷波滤光片传输至扩束镜，经过所述扩束镜的多波段激光对待测目标进行辐照；

摄像步骤：辐照后的激光信号依次通过第二陷波滤光片和窄带滤光片传输至所述相机，所述相机将采集的激光信号转换为图像信息并传送给分析模块，所述分析模块通过对所述图像信息进行时序编码排序，构成常规视频信号，完成对高速采样情况下的变换存储，实现超高速摄像。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置和方法，通过触发模块控制激光器照明光源和相机的曝光，实现高时间分辨的物理过程拍摄，具有结构简单、响应速度快，不对流场形成干扰等优点。本发明方法和装置，可以广泛应用于激光加工、强激光与物质相互作用的研究，以及高压火花放电等高速物理过程的拍摄和再现，可以观测物理实验中的高速羽流、爆轰波、冲击波等现象。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置示意图。

其中，

1、激光器，2、第一陷波滤光片，3、扩束镜，4、第二陷波滤光片，5、窄带滤光片，6、相机，7、分析模块，71、下位机，72、上位机，8、延时控制器，9、底板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置，包括照明模块、摄像模块和触发模块；照明模块和摄像模块与底板连接，触发模块分别与照明模块和摄像模块电连接。

具体的，结合图1，照明模块按照光线传播方向依次为：激光器1、第一陷波滤光片2和扩束镜3，激光器1、第一陷波滤光片2和扩束镜3均与底板9固定连接；

摄像模块按照光线传播方向依次为：第二陷波滤光片4、窄带滤光片5、相机6和分析模块7，第二陷波滤光片4与底板9固定连接，窄带滤光片5固定于相机6镜头前，相机6分别用窄带滤光片5进行隔离，相机6和分析模块7电连接；

触发模块为延时控制器8，延时控制器8分别与激光器1和相机6电连接。

其中，激光器1为多台半导体激光器，半导体激光器的脉宽为纳秒量级，且多台半导体激光器波长不同；第一陷波滤光片2、第二陷波滤光片4、窄带滤光片5和相机6均设置为多个，且均与激光器1一一对应设置；第一陷波滤光片2和第二陷波滤光片4均为45°高反射的陷波滤光片，多个第一高反射的陷波滤光片2和多个第二高反射的陷波滤光片4的窄带峰值波段均与多个激光器1的激光波长相对应，且谱间互不重叠；多个窄带滤光片5的峰值波长与多个激光器1的激光波长一一对应。

延时控制器8具有多个通道，通道间可以产生纳秒量级的时间延时。相机6具有外触发功能，即通过延时控制器8异步时钟控制曝光，包括CCD相机和CMOS相机，调整相机曝光的先后次序和延迟时间，实现延时控制器8对相机6的触发控制。具体的，结合图1，延时控制器8分别异步触发多个激光器1和多个相机6，其触发时序为首先触发相机①，令其开门，经过短暂的延时，触发激光器①，激光器①给相机①拍摄的目标照明，令其曝光；再触发相机②和激光器②，以此类推；

或者首先依次触发相机①-相机

令其全部开门，经过短暂的延时，以预设的时间间隔，依次触发激光器①-激光器

分别令对应的相机曝光。且触发①信号、触发②信号......触发

信号之间具有时间延迟。

一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像方法，包括以下步骤：

触发步骤：触发信号作为外触发源驱动延时控制器8，延时控制器8分别异步触发多个激光器1及对应多个相机6外部触发快门开启；

照明步骤：多个激光器1发出的激光信号对应通过多个第一陷波滤光片2传输至扩束镜3，扩束镜3产生的多波段激光对测试区的待测目标进行照射；

摄像步骤：照射后的多波段激光信号通过第二陷波滤光片5一一对应传输至窄带滤光片5，经窄带滤光片5传输至相机6，此时相机6对激光信号进行采集，相机6与下位机71、上位机72依次电连接，相机6将采集的激光信号转换为图像信息，图像信号连接到下位机71图像采集系统，将多幅图像信息送至上位机72。

图像处理方面，通过下位机71图像采集系统将图像信息送至上位机72，上位机72结合图像处理算法，通过对其时序编码排序，构成常规视频信号，完成高速采样情况下的变换存储，实现超高速摄像。

本发明以多台不同波长的半导体激光器作为照明光源，利用延时控制器控制多台激光器，按一定时序产生脉宽为纳秒级照明激光脉冲，脉冲光经第一陷波滤光片，将与激光器对应的激光反射，而其余波长的激光小损耗或者无损耗的透过，实现不同波长激光的共轴传输。多波长激光束通过扩束镜，将激光进行扩束，扩大采样区域。经扩束的激光对待测目标进行照明，其中，待测目标位于靶面上方区域，用于测量所产生气体及靶面上方区域的溅射物图像信息。含有图像信息的激光传输至第二陷波滤光片时，被第二陷波滤光片分成多束不同波长的激光束，采用与照明光源对应的窄带滤光片，对通道之间进行光隔离。单波长激光束传输至对应相机，使照明光源异步触发相机，实现相机的分时曝光。通过下位机图像采集系统将CCD采集的图像信息送至上位机，结合图像处理算法，实现瞬时信息图像的高速采样和变换储存。

本发明的方法与装置可实现Gf/s的高帧频的图像采样，可应用于高峰值功率脉冲激光诱导靶材损伤研究过程中，高速羽流、爆轰波、冲击波等现象的观测，也可应用于超高速弹丸和爆炸瞬间弹丸碎片飞行特性的试验研究。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置，其特征在于，包括：照明模块、摄像模块和触发模块；

所述照明模块按照光线传播方向依次为：激光器(1)、第一陷波滤光片(2)和扩束镜(3)；

所述摄像模块按照光线传播方向依次为：第二陷波滤光片(4)、窄带滤光片(5)、相机(6)和分析模块(7)，所述相机(6)和所述分析模块(7)电连接；

所述触发模块分别与所述激光器(1)和所述相机(6)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置，其特征在于，所述触发模块为延时控制器(8)，所述延时控制器(8)分别与所述激光器(1)和所述相机(6)电连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置，其特征在于，所述激光器(1)为多台半导体激光器，所述半导体激光器的脉宽为纳秒量级，且多台所述半导体激光器的激光波长不同。

4.根据权利要求3所述的一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置，其特征在于，所述第一陷波滤光片(2)、所述第二陷波滤光片(4)、所述窄带滤光片(5)和所述相机(6)均设置为多个，且均与多个所述激光器(1)一一对应设置。

5.根据权利要求4所述的一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置，其特征在于，所述第一陷波滤光片(2)和所述第二陷波滤光片(4)均为45°高反射的陷波滤光片，多个所述45°高反射的陷波滤光片的窄带峰值波段与多个所述激光器(1)的激光波长一一对应，且谱间互不重叠。

6.根据权利要求1所述的一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置，其特征在于，所述相机(6)为具有外触发功能的相机，包括CCD相机和CMOS相机。

7.根据权利要求4所述的一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置，其特征在于，多个所述窄带滤光片(5)的峰值波长与多个所述激光器(1)的激光波长一一对应，且谱间互不重叠。

8.根据权利要求1所述的一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置，其特征在于，所述延时控制器(8)具有多个通道，多个所述通道之间能够按照预设时间要求产生纳秒量级的时延。

9.根据权利要求1所述的一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像装置，其特征在于，所述分析模块(7)包括下位机(71)和上位机(72)，所述相机(6)、所述下位机(71)和所述上位机(72)依次电连接。

10.一种基于纹影技术的超高速时间分辨摄像摄像方法，其特征在于，包括以下步骤：

触发步骤：触发信号作为外触发源驱动延时控制器(8)，所述延时控制器(8)分别异步触发所述激光器(1)和所述相机(6)；

照明步骤：所述激光器(1)接收触发信号后发出激光信号，经过所述第一陷波滤光片(2)传输至扩束镜(3)，经过所述扩束镜(3)的多波段激光对待测目标进行辐照；

摄像步骤：辐照后的激光信号依次通过第二陷波滤光片(4)和窄带滤光片(5)传输至所述相机(6)，所述相机(6)将采集的激光信号转换为图像信息并传送给分析模块(7)，所述分析模块(7)通过对所述图像信息进行时序编码排序，构成常规视频信号，完成对高速采样情况下的变换存储，实现超高速摄像。

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