高速攝像技術(shù)第二部分

高速攝像技術(shù)第二部分第1頁(yè)，共24頁(yè)，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(bǔ)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(yè)，共24頁(yè)，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(yùn)動(dòng)過(guò)程或快速反應(yīng)過(guò)程，它把空間信息和時(shí)間信息一次記錄下來(lái)，具有形象逼真和動(dòng)畫(huà)效果。高速攝影的“高速”指的是拍攝頻率高，曝光時(shí)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(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1839年，世界上出現(xiàn)了第一臺(tái)攝影機(jī)。

二戰(zhàn)后，世界各國(guó)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(jìn)國(guó)家：美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、前蘇聯(lián)、法國(guó)、瑞士、日本等。

1958年，我國(guó)一些學(xué)校、工廠、研究單位開(kāi)始生產(chǎn)高速攝影機(jī)，1962年成立了專門的研究所。目前，我國(guó)已經(jīng)能夠自制三十多種類型的高速攝影機(jī)。7高速攝影技術(shù)7.1概述第4頁(yè)，共24頁(yè)，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(xué)測(cè)量技術(shù)，利用光對(duì)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?jiàn)光、激光攝影利用光的反射、折射機(jī)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(yè)，共24頁(yè)，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(shí)間內(nèi)將被測(cè)過(guò)程沿時(shí)間軸連續(xù)展開(kāi)；

連續(xù)

一維分幅攝影技術(shù)：獲得過(guò)程逐個(gè)時(shí)期的完整二維畫(huà)面。

間斷

二維7高速攝影技術(shù)第6頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四描述一個(gè)高速流逝過(guò)程，總可以采用空間位置坐標(biāo)x，y，z，和時(shí)間坐標(biāo)t來(lái)表示，如:F(x，y，z，t)

若某一個(gè)過(guò)程可以用函數(shù)F(x,t)描述，則稱為一維運(yùn)動(dòng)，這個(gè)過(guò)程可以利用高速狹縫掃描攝影記錄。若某一過(guò)程可以用函數(shù)F(x，y，t)表示，則稱為二維運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)地可以采用高速分幅攝影拍攝，若某一過(guò)程可以用函數(shù)F(x，y，z，t)表示，則屬于三維運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的光學(xué)測(cè)試技術(shù)是高速分幅全息攝影。7高速攝影技術(shù)第7頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

高速攝影技術(shù)的整個(gè)過(guò)程包括：7高速攝影技術(shù)光信息變換信息傳輸時(shí)間分解信息記錄和信息處理第8頁(yè)，共24頁(yè)，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(yùn)動(dòng)過(guò)程在時(shí)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(shí)間坐標(biāo)。7高速攝影技術(shù)第9頁(yè)，共24頁(yè)，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(shí)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(shí)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(shí)間＜10-7s，掃描速率＞10mm/μs。

7高速攝影技術(shù)第10頁(yè)，共24頁(yè)，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(xué)補(bǔ)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(yè)，共24頁(yè)，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(jī)結(jié)構(gòu)7.3間歇式高速攝影儀第12頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四7高速攝影技術(shù)圖7.3補(bǔ)償式高速攝影機(jī)7.4補(bǔ)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(yè)，共24頁(yè)，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(jī)(a)狹縫式；（b）轉(zhuǎn)鼓分幅式

7.5鼓輪式高速攝影儀第14頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)鏡式高速掃描攝影儀簡(jiǎn)稱為掃描相機(jī)，由于它研究的是被測(cè)物體或反應(yīng)過(guò)程沿某一特定方向的空間位置隨時(shí)間變化的規(guī)律，從而得到反應(yīng)過(guò)程在該特定方向運(yùn)動(dòng)的軌跡。這種攝像儀適合測(cè)量運(yùn)動(dòng)速度、加速度，同步性、時(shí)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(xué)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(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圖7.6GSJ型高速攝像機(jī)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)鏡式高速攝影儀是由控制臺(tái)（包括電路、電源和電機(jī)三個(gè)模塊）、攝影機(jī)（包括轉(zhuǎn)鏡機(jī)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(yè)，共24頁(yè)，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(yùn)動(dòng)的速度，稱為掃描速度：

L是轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸中心0點(diǎn)到虛像坐標(biāo)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(diǎn)軌跡和坐標(biāo)7高速攝影技術(shù)第17頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（2）時(shí)間分辨率轉(zhuǎn)鏡掃描攝影機(jī)的時(shí)間分辨率定義為能分辨的最小時(shí)間間隔τ。時(shí)間分辨率取決于狹縫的寬度b和掃描速度V：提高時(shí)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(qiáng)度、改善感光膠片的性能也可增強(qiáng)時(shí)間分辨率。

7高速攝影技術(shù)第18頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（3）速度測(cè)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(xué)反應(yīng)過(guò)程沿狹縫長(zhǎng)度方向擴(kuò)展的距離—時(shí)間函數(shù)，如雷管的破裂狀態(tài)、藥柱的爆轟過(guò)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(xué)系統(tǒng)的放大比(像物之比),

dh—

平行于0y方向的被測(cè)物長(zhǎng)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(shí)間增量。第19頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四若令爆轟過(guò)程的擴(kuò)展速度：則：或：根據(jù)以上公式可以求各時(shí)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(cè)為量相對(duì)誤差，

—

光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)的相對(duì)誤差，

—像的角測(cè)量精度，由量角儀的讀數(shù)精度確定，

—

像的測(cè)量精度，由量尺的精度確定。第20頁(yè)，共24頁(yè)，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(shí)間信息卻是間斷的，分幅攝影用于研究燃燒爆炸、沖擊過(guò)程的速度、加速度、對(duì)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(xué)原理第21頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四被攝目標(biāo)通過(guò)第一物鏡成像在階梯光欄平面上，由場(chǎng)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(guò)場(chǎng)鏡共軛，把中間像成像到膠片上。當(dāng)反射鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)，反射光線相繼掃過(guò)一個(gè)個(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系第22頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四由于反射鏡的高速旋轉(zhuǎn)，使得來(lái)自目標(biāo)的光線在每一個(gè)排透鏡上一閃而過(guò)，起到光學(xué)快門的作用。這些照片在時(shí)間和空間上都是彼此獨(dú)立的，每一幅照片都反映了目標(biāo)在某一瞬間的實(shí)際影象，相鄰的照片反映了目標(biāo)變化過(guò)程的細(xì)微差別。每張底片的曝光時(shí)間為：式中a1—