高速攝像技術(shù)

高速攝像技術(shù)第1頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四本章主要內(nèi)容7.1概述7.2高速攝影及分類7.3間歇式高速攝影儀

7.4補償式高速攝影儀

7.5鼓輪式高速攝影儀7高速攝影技術(shù)7.6轉(zhuǎn)鏡式高速攝影儀

7.7變像管高速攝影儀7.8高速攝像系統(tǒng)

7.9攝影相關(guān)技術(shù)7.10高速攝影和攝像技術(shù)應(yīng)用第2頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7高速攝影技術(shù)

高速攝影技術(shù)是用照相的方法拍攝高速運動過程或快速反應(yīng)過程，它把空間信息和時間信息一次記錄下來，具有形象逼真和動畫效果。高速攝影的“高速”指的是拍攝頻率高，曝光時間短，掃描速率快，具備三者之一即可稱為高速攝影。7高速攝影技術(shù)第3頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四1839年，世界上出現(xiàn)了第一臺攝影機。

二戰(zhàn)后，世界各國將高速攝影技術(shù)作為武器研究重要工具。高速攝影技術(shù)先進國家：美國、英國、德國、前蘇聯(lián)、法國、瑞士、日本等。

1958年，我國一些學校、工廠、研究單位開始生產(chǎn)高速攝影機，1962年成立了專門的研究所。目前，我國已經(jīng)能夠自制三十多種類型的高速攝影機。7高速攝影技術(shù)7.1概述第4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7.2高速攝影及分類7.2.1高速攝影的描述

7高速攝影技術(shù)高速攝影是一種光學測量技術(shù)，利用光對物體的反射、透射、折射、衍射等特性，觀察事物的變化規(guī)律?？梢姽?、激光攝影利用光的反射、折射機理；X光攝影依據(jù)的是光的透射、吸收原理；全息照相利用的是光的干涉和衍射理論。

第5頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四圖7.1掃描和分幅攝影技術(shù)掃描攝影技術(shù)：在一次曝光時間內(nèi)將被測過程沿時間軸連續(xù)展開；

連續(xù)

一維分幅攝影技術(shù)：在一次曝光時間內(nèi)獲得一幅二維圖像，在多次曝光中獲得運動過程的變化狀態(tài)。

間斷

二維7高速攝影技術(shù)第6頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四描述一個高速流逝過程，總可以采用空間位置坐標x，y，z，和時間坐標t來表示，如:F(x，y，z，t)

若某一個過程可以用函數(shù)F(x,t)描述，則稱為一維運動，這個過程可以利用高速狹縫掃描攝影記錄。若某一過程可以用函數(shù)F(x，y，t)表示，則稱為二維運動，相應(yīng)地可以采用高速分幅攝影拍攝，若某一過程可以用函數(shù)F(x，y，z，t)表示，則屬于三維運動，相應(yīng)的光學測試技術(shù)是高速分幅全息攝影。7高速攝影技術(shù)第7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四

高速攝影技術(shù)的整個過程包括：7高速攝影技術(shù)光信息變換信息傳輸時間分解信息記錄和信息處理第8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7.2.2高速攝影分類7.2.2.1記錄方式分類（1）分幅攝影

其拍攝的信息為一幅或多幅二維圖像，與普通照片一樣。連續(xù)拍攝的運動過程在時間上是間斷的。（2）掃描攝影拍攝結(jié)果在一幅圖像中，具有連續(xù)的時間坐標。7高速攝影技術(shù)第9頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7.2.2.2攝影速度分類

（1）快速拍攝頻率102～104幅/s，曝光時間10-3～10-5s，掃描速率10-3～10-1mm/μs。

（2）高速拍攝頻率104～106幅/s，曝光時間10-5～10-7s，掃描速率10-1～10mm/μs。

（3）超高速拍攝頻率＞106幅/s，曝光時間＜10-7s，掃描速率＞10mm/μs。

7高速攝影技術(shù)第10頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7.2.2.3攝影儀工作原理分類（1）間歇式（2）光學補償式（3）鼓輪式（4）轉(zhuǎn)鏡式（5）變像管式（6）固態(tài)數(shù)字式7高速攝影技術(shù)第11頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7高速攝影技術(shù)圖7.2間歇式攝影機結(jié)構(gòu)7.3間歇式高速攝影儀第12頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7高速攝影技術(shù)圖7.3補償式高速攝影機7.4補償式高速攝影儀

輸片速度式中，棱鏡旋轉(zhuǎn)速度棱鏡面數(shù)

幅距

第13頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7高速攝影技術(shù)

圖7.4鼓輪示高速攝影機(a)狹縫式；（b）轉(zhuǎn)鼓分幅式

7.5鼓輪式高速攝影儀第14頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)鏡式高速掃描攝影儀簡稱為掃描相機，由于它研究的是被測物體或反應(yīng)過程沿某一特定方向的空間位置隨時間變化的規(guī)律，從而得到反應(yīng)過程在該特定方向運動的軌跡。這種攝像儀適合測量運動速度、加速度，同步性、時間間隔等參數(shù)。7高速攝影技術(shù)

圖7.5掃描型攝影光學原理

7.6轉(zhuǎn)鏡式高速攝影儀

7.6.1轉(zhuǎn)鏡式高速掃描攝影儀第15頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四圖7.6GSJ型高速攝像機結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)鏡式高速攝影儀是由控制臺（包括電路、電源和電機三個模塊）、攝影機（包括轉(zhuǎn)鏡機構(gòu)部件和快門部件）、電纜等組成。7高速攝影技術(shù)第16頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)鏡式高速掃描攝影儀的技術(shù)參數(shù)

（1）掃描速度

狹縫在膠片上形成的像沿膠片某一方向運動的速度，稱為掃描速度：L是轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸中心0點到虛像坐標的距離；Ω是反射鏡的旋轉(zhuǎn)角速度；a是反射鏡的1/2厚度；φ是光軸入射角。圖7.7轉(zhuǎn)鏡像點軌跡和坐標7高速攝影技術(shù)令為掃描半徑Ω用反射鏡轉(zhuǎn)速N（r/min）代替，則有第17頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四（2）時間分辨率轉(zhuǎn)鏡掃描攝影機的時間分辨率定義為能分辨的最小時間間隔τ。時間分辨率取決于狹縫的寬度b和掃描速度V：提高時間分辨率有兩條途徑，一是提高像的掃描速度，也就是提高反射鏡的旋轉(zhuǎn)速度；二是減小狹縫寬度。除此之外，提高被攝物體的發(fā)光強度、改善感光膠片的性能也可增強時間分辨率。

7高速攝影技術(shù)第18頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四（3）速度測量與精度分析

狹縫掃描在底片上記錄了某一物體的物理化學反應(yīng)過程沿狹縫長度方向擴展的距離—時間函數(shù)，如雷管的破裂狀態(tài)、藥柱的爆轟過程等，其圖像是一條或多條黑密度突變的曲線（包括直線）。

圖7.8狹縫掃描的藥柱

7高速攝影技術(shù)其中：

式中β—

光學系統(tǒng)的放大比(像物之比),

dh—

平行于0y方向的被測物長度的增量，

v

—

狹縫像在底片上的掃描速度，

dt

—

平行于0x方向上的時間增量。第19頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四若令爆轟過程的擴展速度：則：或：根據(jù)以上公式可以求各時刻的爆速，也可求爆轟的平均速度。

7高速攝影技術(shù)

式中

—

掃描速度測為量相對誤差，

—

光學系統(tǒng)放大倍數(shù)的相對誤差，

—像的角測量精度，由量角儀的讀數(shù)精度確定，

—

像的測量精度，由量尺的精度確定。第20頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四

7.6.2轉(zhuǎn)鏡式高速分幅攝影儀轉(zhuǎn)鏡式高速分幅攝影儀可以得到高速事件的一系列間斷的平面圖像，它的二維空間信息是連接的，時間信息卻是間斷的，分幅攝影用于研究燃燒爆炸、沖擊過程的速度、加速度、對稱性和一致性等物理參數(shù)。7高速攝影技術(shù)

圖7.9轉(zhuǎn)鏡式分幅型攝影光學原理第21頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四被攝目標通過第一物鏡成像在階梯光欄平面上，由場鏡二次成像到旋轉(zhuǎn)反射鏡的鏡面，得到中間像。排透鏡也稱為分幅光欄，它與階梯光欄通過場鏡共軛，把中間像成像到膠片上。當反射鏡旋轉(zhuǎn)時，反射光線相繼掃過一個個排透鏡，膠片上就得到與排透鏡數(shù)目相同的照片。7高速攝影技術(shù)

圖7.10光欄與排透鏡的對應(yīng)關(guān)系第22頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四由于反射鏡的高速旋轉(zhuǎn)，使得來自目標的光線在每一個排透鏡上一閃而過，起到光學快門的作用。這些照片在時間和空間上都是彼此獨立的，每一幅照片都反映了目標在某一瞬間的實際影象，相鄰的照片反映了目標變化過程的細微差別。拍攝頻率：R—掃描半徑S

—膠片上相鄰兩列圖像的中心距k—是膠片上圖像畫幅排數(shù)N—反射鏡旋轉(zhuǎn)速度為轉(zhuǎn)/min每個排透鏡就像一部照相機，相互間以一定時間間隔依次拍攝。

7高速攝影技術(shù)第23頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7高速攝影技術(shù)圖7.11變像管高速攝影原理7.7變像管高速攝影機第24頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7.8高速攝像系統(tǒng)7高速攝影技術(shù)高速攝像具有以下方面的優(yōu)點：（1）攝像機體積小，便于攜帶；（2）啟動快；（3）同步性好；（4）即時重放。第25頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7.8高速攝像系統(tǒng)7高速攝影技術(shù)固態(tài)圖像傳感器：（1）CCD（電荷耦合器件）（2）CMOS（互補金屬氧化物半導體器件）相同點：利用硅的光電效應(yīng)不同點：電荷的讀出方式不同第26頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7.8高速攝像系統(tǒng)7高速攝影技術(shù)圖7.12CMOS攝像系統(tǒng)的構(gòu)成第27頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7高速攝影技術(shù)

圖7.14CCD數(shù)字攝像圖7.13CCD攝像系統(tǒng)第28頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7高速攝影技術(shù) 終點效應(yīng)實驗照片(a)動能彈垂直侵徹出靶(b)動能彈斜侵徹出靶圖7.15動能彈侵徹混凝土高速攝像照片第29頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7高速攝影技術(shù) 主要參數(shù)設(shè)置高速攝像系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域與膠片式高速攝影機相同，具體采用何種攝像機視具體測試需求而定。高速攝像機的主要設(shè)置參數(shù)包括:拍攝頻率(幀頻)觸發(fā)方式曝光時間攝像機布站位置第30頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7高速攝影技術(shù)拍攝幀頻設(shè)置（1）根據(jù)測試要求，確定水平和垂直方向上的拍攝空間范圍x和y,根據(jù)CCD芯片成像區(qū)尺寸a×b計算影像放大比β=a/x

。（2）根據(jù)目標尺寸L

及影像放大比,計算目標像尺寸L′=L

×β,要求目標像在任何方向都能覆蓋3～10個像元。（3）根據(jù)安全因素確定布站距離S，鏡頭焦距設(shè)置為f=S×β

。（4）根據(jù)目標速度V和CCD像元尺寸確定拍攝頻率，要求攝像頻率應(yīng)滿足像移量要求，即由于目標運動引起的像移量不應(yīng)大于所允許的運動模糊量d（可以看成允許像元數(shù)），由此可推出攝像機拍攝頻率F=βV/d。（5）根據(jù)計算出的拍攝頻率要求和存儲器容量，計算攝像機總的記錄時間。

第31頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7高速攝影技術(shù)在某些拍攝項目中通常對拍攝的有效畫幅數(shù)提出要求,拍攝頻率應(yīng)根據(jù)下式求得的值進行設(shè)置。式中x為線視場寬度；V為目標速度。第32頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7高速攝影技術(shù)同步方式設(shè)置：根據(jù)具體使用情況，可采用零時信號、光學信號、聲音信號和人工觸發(fā)方式。曝光時間設(shè)置：曝光時間應(yīng)滿足攝像機曝光量和像移量的要求。

攝像機布站位置：攝像機布站時，應(yīng)首先考慮安全因素，然后通過選擇合適的焦距來滿足拍攝視場要求。第33頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7.9攝影相關(guān)技術(shù)1光源

（1）自然光源：（2）人工光源：3高速攝影膠片對高速攝影膠片要求有：（1）足夠的機械強度，在以約100m/s速度輸片時，不斷裂。（2）盡可能高的感光靈敏度，以便在曝光量很低時仍能得到清晰的圖像。（3）反差系數(shù)盡可能高，獲得高反差影像。（4）輝霧密度（也稱非曝光密度）盡可能低。7高速攝影技術(shù)

2采光技術(shù)

（1）順光：（2）側(cè)光：（3）逆光：

第34頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四7.10.1電雷管爆炸軸向沖擊波波形測試圖7.16雷管沖擊波測試原理A1－雷管波形在狹縫上的成像；A2－雷管波形在膠片上的成像7高速攝影技術(shù)7.10高速攝影技術(shù)應(yīng)用第35頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四圖像處理

（1）在底片測量儀上調(diào)整底片位置，使底片運動時分劃板上的十字線與底片測量基準線始終保持重合。（2）測量標尺高度和標尺靜止像的高度、波形時間零點、雷管波形終點、波形圖上若干對對稱點（包括波形圖的端點、波谷、波峰等）的、值。

7高速攝影技術(shù)其中—

波形前沿上某點的水平坐標；—

波形前沿上某點的垂直坐標。第36頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四（3）計算與值,列出數(shù)值表格式中Δ—

波形相鄰時刻點的水平坐標差，mm；

Δ

—

波形相鄰時刻點的垂直坐標差，mm；7高速攝影技術(shù)（4）計算像物放大倍率β：式中Iˊ—

標尺的像高，mm；

I—

標尺的物高，mm。（5）計算爆速：第37頁，共42頁，2023年，2月20日，星期四某雷管底部沖擊波高速攝影波形如圖7.17所示。測得：標尺靜止像高度：I’=19.28mm

標尺高度：I=40mm

掃描速度：v=1.5mm/μs

在波形圖上測量若干個點