CN1494038A - 瞬态现象二维序列图像多用途记录系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种瞬态现象二维序列图像多用途记录系统，其特征在于，包括目标图像信息发生单元、图像成像单元、控制所述目标图像信息发生单元和图像成像单元工作的控制单元；在系统中设置有转镜式超高速记录装置，在控制单元的控制下，既能对起爆时刻随机性大的瞬变现象进行等待记录，亦能对零点漂移不大的瞬变现象进行同步摄影；既能用于瞬变现象时间短于记录时间等待记录，亦能用于瞬变现象时间大于记录时间的等待记录。能实现在其他条件不变的情况下，画幅尺寸大，在时间方向的信息量高；小体积的超高速电驱动转镜系统，使用方便，易于自动控制；快门系统齐全，电控系统可靠，能实现虚拟控制和实时可视化监测；测速精度和触发延时精度高。

Description

瞬态现象二维序列图像多用途记录系统

技术领域

本发明涉及图像记录技术，具体涉及一种能超高速记录瞬态现象二维序列图像记录系统。

背景技术

在进行爆轰、高压放电、高速风动、激波物理、涡流、弹道与穿甲、爆炸和碎裂、高速运动和变形、化学反应、细观和微观等超快变化过程的技术研究时，需要以序列图像的方式记录这些瞬变现象；现在所采用的超高速图像记录技术主要有以下几种：

变像管技术、网格技术、鼓轮技术、特种CCD技术和激光电光快门技术；上述技术存在以下缺点：

变像管技术能实现超高速、光增强，但是像质差、画幅小和画幅数少(≤8幅)；网格技术是摄影频率高，但画幅数少、像质差，要“再现”不方便使用，用户极少；鼓轮技术难以做到频率高，应用受到局限；特种超高速CCD技术尚不成熟、激光电光快门技术局限于特定的研究领域。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种瞬态现象二维序列图像多用途记录系统，这种系统的记录频率高(＞10⁴～10⁷pps)、象质优良(摄影空间分辨率＞20～30lp/mm)、画幅大(φ24mm)、画幅数多(100～200幅)、可实现光学等待，能满足高速瞬变现象(约占60％)对时间、空间分辨细节的要求。

本发明提供的技术方案是：构造一种瞬态现象二维序列图像多用途记录系统，其特征在于，包括目标图像信息发生单元、图像成像单元，控制所述目标图像信息发生单元和图像成像单元工作的控制单元。

在上述瞬态现象二维序列图像多用途记录系统中，所述图像成像单元包括依序由物镜、目镜、场镜、真空球罩转镜和排镜构成的光学成像系统、设置在所述光学成像系统中的快门系统，控制所述快门系统工作的快门控制电路，控制所述真空球罩转镜工作的控制和驱动装置，所述快门控制电路和控制和驱动装置分别与所述控制单元连接。

在上述瞬态现象二维序列图像多用途记录系统中，所述目标图像信息发生单元包括与所述控制单元连接的保护电路、分别与保护电路连接的高压脉冲发生器和照明单元控制器，所述照明单元控制器控制照明光源为目标提供光源，所述高压脉冲发生器触发目标产生图像信息。

在上述瞬态现象二维序列图像多用途记录系统中，所述快门系统包括设置在所述物镜和目镜之间的电涌式金属箔快开快门，设置在目镜与场镜之间的爆炸快关快门和电磁安全快门或电光快门；所述控制和驱动装置包括与所述转镜连接的同轴增速驱动电机，与所述电机连接的驱动电路，所述驱动电路与所述控制单元连接，还包括设置在所述转镜中的转速检测传感器，与该传感器连接，将传感信号处理后送至控制单元的转速信号处理单元。

在上述瞬态现象二维序列图像多用途记录系统中，所述控制单元包括实现可视化监控的虚拟控制面板，与所述面板连接的控制PC主板，通过ISA总线与所述控制PC主板连接，可同时实现同步、精测、延时、电机驱动及调速、高压脉冲形成及触发的扩展卡，所述扩展卡的输出接口分别与所述目标图像信息发生单元和图像成像单元连接。

在上述瞬态现象二维序列图像多用途记录系统中，所述真空球罩转镜包括是一种设置在真空球罩中的高强度铝合金转镜。

实施本发明提供的瞬态现象二维序列图像多用途记录系统，由于在系统中设置了转镜式超高速记录装置，在控制单元的控制下，既能对起爆时刻随机性大的瞬变现象进行等待记录，亦能对零点漂移不大的瞬变现象进行同步摄影；既能用于瞬变现象时间短于记录时间等待记录，亦能用于瞬变现象时间大于记录时间的等待记录。能实现在其他条件不变的情况下，画幅尺寸尽可能大，这样时间方向的信息量高；小体积的超高速电驱动转镜系统，使用方便，易于自动控制；快门系统齐全，除了有电磁快门外，还有μs级的快开快门和快关快门；电控系统应可靠，能实现虚拟控制和实时可视化监测；测速精度和触发延时精度达到国际先进水平；

本记录系统有着记录频率高(＞10⁴～10⁷pps)、象质优良(摄影空间分辨率＞20～30lp/mm)、画幅大(φ24mm)、画幅数多(100～200幅)和可实现光学等待等优点，因而能满足一大类高速瞬变现象(约占60％)对时间、空间分辨细节的要求。本发明已应用在S-150型超高速等待式分幅摄影机的研制中。经检测，该机的经济摄影频率10⁴pps～1.4×10⁶pps，最高可达2.24×10⁶pps(对铝转镜)，摄影频率实现连续可调；画幅尺寸14×20mm²，画幅数(有效)110幅；动态摄影分辨率20lp/mm(时间方向)，动态目视分辨率大于34lp/mm(时间方向)、大于75lp/mm(空间方向)；快开快门动作时间小于28μs(通常为22μs)，爆炸快门关门时间小于10μs(通常为5μs)；测速误差±0.1％，稳速误差±3％；四路延时精度±0.1μs；三路触发高压，脉冲幅沿小于0.1μs；直流驱动，脉宽调速，可实现无级变速。可用于等待记录，亦可用于同步记录。

附图说明

图1是本发明系统的结构框图；

图2是图1所示系统中的光学系统结构图。

具体实施方式

本发明是一种能高性能记录瞬态现象(超快过程)二维序列图像的多用途的转镜式超高速记录系统。所谓超高速，是指摄影记录频率要大于10⁵～10⁷pps。本发明采用了非冗余设计的方法，是基于转镜旋转中心在第三象限、像面的非对称设计和轴外点的渐晕光学设计原理。从而增加了时间方向的画幅尺寸和增大了时空信息量。如图1所示，系统由目标图像信息发生单元3、图像成像单元2，控制所述目标图像信息发生单元和图像成像单元工作的控制单元1构成。

成像单元2如图2所示，由物镜、目镜、场镜、真空球罩转镜和排镜构成的光学成像系统，目标图像信息发生单元包由与控制单元连接的保护电路、分别与保护电路连接的高压脉冲发生器和照明单元控制器构成，照明单元控制器控制照明光源为目标提供光源，高压脉冲发生器使目标发出图像信息。

成像单元2的成像原理如图2所示：

一次像面I₁成在目镜L₂的前焦面上，二次像I₂成在转镜M₅附近，三次像I₃成在底片面上；S₁为孔径光阑，成像在出瞳光阑S₂上，当系统中的转镜M5高速转动时，会形成高速扫描的光学快门，依次曝光成像，从而实现超高速分幅的目的。光学系统采用物镜-目镜-场镜-球罩(负透镜)-排镜系统，目镜和场镜之间构成平行光路，便于安排快门系统。

在系统中设置有完善的快门系统，可避免重复曝光；如图2所示，设有电涌式金属箔快开快门S₃，电涌式金属箔快开快门采用预磁场，使开门时间小于28μs，可达22μs(实现0.7mm/μs快门速度，为国际最好成绩)，这种快门可避免开拍前的重复曝光；爆炸快关快门S₄，关门时间小于10μs，最小达5μs，这种快门避免拍摄后的重复曝光；电磁安全快门S₅，开关时间在ms级，用以安全保护，尽量减小重复曝光。在激光或准单色光照明情况下，还可以采用电光快门(ns级)来取代快开快门S₃和爆炸快门S₄。

系统中的转镜M5在真空球罩中转动，不仅阻力小也有利于上高速，而且不存在对成像有影响的涡流。采用电动大速比同轴增速超高速驱动铝转镜和真空球罩系统，转镜M5可采用高强度铝合金转镜。这种铝转镜工艺性好、极限破坏线速度高(1070mps)、镜面质量和反射率都能满足要求，最高转速达4×10⁵rpm，这时边缘线速度已达800mps，较钢转镜提高了三分之一。采用电机驱动转镜M5，具有不需要气源、操作方便、速度灵活(易于智能控制、远程控制)的优点，由于调速性能好的高速直流电机也只有3×10⁴rpm，要达到4×10⁵rpm，需要升速。本系统设计了大速比的同轴升速机械结构，体积小，速比可达2×13＝26(一级齿轮增速2∶1，同轴增速机构的增速比是13∶1)。

采用超高速转镜摄影机电控系统中的虚拟控制技术，实现可视化监控，和同时实现同步、精测、延时、电机驱动及调速、高压脉冲形成及触发。

电控系统处于强弱电混合的复杂环境中，所以对电控系统的主要要求是稳定可靠、抗干扰、操作方便、实时监控和测速延时精度高，本发明采用了虚拟控制技术，以虚拟开关取代了以往几十个安装数据用机械开关，几乎无故障，可靠性极高；该系统有效实现对瞬态现象全过程的可视化实时跟踪，利于发现和排除隐患；同时具有完善的抗干扰措施，严格隔离了强电的干扰。

Claims (6)

1、一种瞬态现象二维序列图像多用途记录系统，其特征在于，包括目标图像信息发生单元(3)、图像成像单元(2)、控制所述目标图像信息发生单元(3)和图像成像单元(2)工作的控制单元(1)。

2、根据权利要求1所述瞬态现象二维序列图像多用途记录系统，其特征在于，所述图像成像单元包括依序由物镜、目镜、场镜、真空球罩转镜和排镜构成的光学成像系统、设置在所述光学成像系统中的快门系统，控制所述快门系统工作的快门控制电路，控制所述真空球罩转镜工作的控制和驱动装置，所述快门控制电路和控制和驱动装置分别与所述控制单元连接。

3、根据权利要求1所述瞬态现象二维序列图像多用途记录系统，其特征在于，所述目标图像信息发生单元包括与所述控制单元连接的保护电路、分别与保护电路连接的高压脉冲发生器和照明单元控制器，所述照明单元控制器控制照明光源为目标提供光源，所述高压脉冲发生器使目标产生图像信息。

4、根据权利要求2所述瞬态现象二维序列图像多用途记录系统，其特征在于，所述快门系统包括设置在所述物镜和目镜之间的电涌式金属箔快开快门，设置在目镜与场镜之间的爆炸快关快门和电磁安全快门；所述控制和驱动装置包括与所述转镜连接的同轴增速驱动电机，与所述电机连接的驱动电路，所述驱动电路与所述控制单元连接，还包括设置在所述转镜中的转速检测传感器，与该传感器连接，将传感信号处理后送至控制单元的转速信号处理单元。

5、根据权利要求1-4之一所述的瞬态现象二维序列图像多用途记录系统，其特征在于，所述控制单元包括实现可视化监控的虚拟控制面板，与所述面板连接的控制PC主板，通过ISA总线与所述控制PC主板连接，可同时实现同步、精测、延时、电机驱动及调速、高压脉冲形成及触发的扩展卡，所述扩展卡的输出接口分别与所述目标图像信息发生单元和图像成像单元连接。

6、根据权利要求2-4之一所述瞬态现象二维序列图像多用途记录系统，其特征在于，所述真空球罩转镜是一种设置在真空球罩中的高强度铝合金转镜。