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    爆炸瞬态拍摄

    来源:localhost    发布于:2014-10-24 14:02:29    点击量:

     

     
    背景需求
        爆炸是一种极为迅速的物理或化学的能量释放过程。在此过程中,空间内的物质以极快的速度把其内部所含有的能量释放出来,转变成机械功、光和热等能量形态。爆炸一旦失控,就会产生巨大的破坏力而造成重大事故。因此,对爆炸进行研究,采用工业相机监控爆炸中心的形态,更精准地控制每一次爆破的威力、方向,也逐步成为新的科研应用需求。
     

    技术难点

        首先,由于爆炸过程发生在一个极短时间内,如果在威力巨大的爆炸现场,用于拍摄爆炸中心的摄录设备会在爆炸后极短的时间内被损毁,如何在这段极短时间内(例如200μs),记录爆炸中心的形态,并将图像信息传至远方的终端电脑,成为一个关键的技术瓶颈。
        其次,爆炸的瞬时性决定了相机必须在极短的曝光时间内抓拍图像。在这种情况下,控制好曝光时间,并且利用工业相机等抓拍清晰、包含有用信息的图片,才能获得令人满意的结果。

     
    解决方案
    方案1:
               
                                                                          装置结构
     

    Cameralink 相机

     
    Optronis CL600高速相机
    Cameralink 光纤延长器
    Phrontier公司PHOX-FL-10 光纤延长器
    Cameralink 采集卡

     

     
        由于爆破的瞬时性、破坏性,决定了必须在极短时间内完成曝光、抓拍、信号传输这整个过程。
        (1)采用Optronis CL600高速相机的Cameralink Full模式,全分辨率下帧频可达500FPS@1280x1024, 提取兴趣区域(ROI)开窗后,帧频可达到6335fps@256x256,帧间隔最小158μs,应用曝光时间小于40μs时,可在200μs内,相机接触信号,曝光捕获图像并将图像传输至远端。
        (2)为了控制曝光时间、获得理想的成像质量,需要在在相机前端安装图像增强器。图像增强器拥有极快的电光快门(其快门脉冲频率可控制在几纳秒内),可以减少曝光时间、避免模糊,并显著拓宽相机的动态范围;经过图像增强器增强后,装置灵敏度可达到单光子级,获取到更加清晰的理想拍摄效果。下图是Optronis相机安装图像增强器前后的拍摄效果对比,可以看到,安装增强器后,相机能够捕获到更加清晰的喷射火焰细节图。
     
                         
     
        1a 图示为气体火焰,光强不高,需要非常短的曝光时间来观察火焰细节。
        1b 图示为标准高速相机以1000fps及1ms曝光时间拍摄该火焰的结果。一方面,需要更长的曝光时间来提高相机灵敏度;另一方面,需要更短的曝光时间来避免模糊。
        1c 图示为增强后高速相机以2000fps及15μs拍摄的图像。增强后的高速相机灵敏度
    能够以100000fps的帧率拍摄火焰;通过运用图像增强器的电-光快门功能限制曝光时间,使运动图像不再模糊。
        (3)相机捕获图像后,需要运用光纤延长器将信号传送到安全的远端主机:采用光纤延长器PHOX-FL-10,可以提供10Gb/s或是1250MB/s的传输带宽,支持Base/Medium/Full和10tap*8bit模式的 CameraLink相机/图像采集卡,完全可以满足应用需求。
     
    方案2:
                    
                   
                                             装置结构
     

    CoaXPress 相机

     
    CoaXPress 光纤延长器
    KAYA CoaXPress™ 光纤延长器 (CXP-F-EXT)
    CoaXPress 采集卡
    KAYA 捕食者 - CoaXPress 采集卡

        如果需要获取同样分辨率下更高帧率的图像,可以考虑使用基于CoaXPress接口的相机系统替代原有的Cameralink接口的相机系统:采用CP80-3-M-540相机获取高分辨率图像,再通过CoaxPress线缆及光纤延长器传输到远端的终端电脑。
        CP80-3-M-540相机分辨率为1696x1708,全分辨率帧频为540fps,位深为8bit;如果需要提高帧率,可以仅提取兴趣区域部分,对相机进行开窗,开窗后,帧率可达13975fps@256x256,远远高于方案1中CL600的6335fps@256x256。在如此高的帧率下,有更充足的时间保存爆炸瞬间爆炸中心的形态信息,便于后续研究。

     

     
     
     
     

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