唐孝容，高 寧，張光升，郝建中，林 俊

（中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽 621900）

0 引言

拍攝高速流逝過程是爆炸、撞擊等實(shí)驗(yàn)研究中最常用的診斷方法之一。高速試驗(yàn)件在著靶前的速度和姿態(tài)，著靶后的變形膨脹、破壞和反應(yīng)產(chǎn)物的飛散等的時(shí)間空間信息，最終要依靠光學(xué)設(shè)備捕捉，并據(jù)此對彈擊靶時(shí)所產(chǎn)生的力學(xué)、物理、化學(xué)過程進(jìn)行直觀的綜合分析［1－2］。傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)鏡式高速相機(jī)在爆炸實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，攝影頻率可達(dá)到上千萬幅頻［3－4］，但相對記錄時(shí)間較短，不能給出試驗(yàn)件在較長距離上的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和擊靶過程。利用Speed Cam VISARIO數(shù)字化相機(jī)可成功拍攝到子彈飛行過程及炸藥爆炸過程［5］，但隨著研究項(xiàng)目的深入和研究領(lǐng)域的拓展，該相機(jī)的攝影頻率、曝光時(shí)間和感光度稍顯不足。APX－RS高速數(shù)字化攝像機(jī)在記錄時(shí)間、攝影頻率和曝光時(shí)間等方面具有較強(qiáng)的優(yōu)越性，適用于在碰撞過程中所產(chǎn)生的產(chǎn)物形成和飛散等過程的研究，目前被廣泛應(yīng)用于各種常規(guī)戰(zhàn)斗部實(shí)驗(yàn)中［6］。

FASTCAM－APX RS高速數(shù)字化攝像機(jī)主要應(yīng)用于動(dòng)態(tài)高速攝影，其主要的技術(shù)特征是采用了高感光靈敏度、高分辨率傳感器技術(shù)，具有“重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域”的功能［7］。它具有如下特點(diǎn)：a）擁有百萬像素和高靈敏度的成像傳感器使得APX在極端低光照的條件下也能以非?？斓乃俣龋蛇_(dá)250，000fps）發(fā)揮出主要基本功能；b）通過實(shí)時(shí)視頻輸出以及其易操作的遠(yuǎn)程手控面版使得用戶能及時(shí)捕捉高速運(yùn)動(dòng)的物體；c）APX RS的一體設(shè)計(jì)保證它能夠通過高速數(shù)字式界面，結(jié)合簡單易操作的控制軟件與計(jì)算機(jī)連接，形成記錄的影像，APX RS處理系統(tǒng)可以提供簡單的方式對捕捉到的快速運(yùn)動(dòng)事件進(jìn)行分析，這是一般系統(tǒng)很難達(dá)到的；d）這種最新的記錄科技更有利于捕捉高速運(yùn)動(dòng)物體的影像以及在后期進(jìn)行慢動(dòng)作觀測、運(yùn)動(dòng)分析及影像處理應(yīng)用。文中利用FASTCAM－APX RS攝像機(jī)的優(yōu)勢采用不同的幅頻和曝光時(shí)間，驗(yàn)證了電子快門對常規(guī)戰(zhàn)斗部實(shí)驗(yàn)的影響。

1 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

針對不同加載速度，選用不同質(zhì)量、不同速度的目標(biāo)拍攝物進(jìn)行了兩種加載方式的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：1）運(yùn)動(dòng)物體為步槍子彈，由56式半自動(dòng)步槍發(fā)射，出口速度約為700～800m／s，主要觀測在攝影機(jī)采用不同幅頻和電子快門條件下子彈擊靶狀態(tài)；2）運(yùn)動(dòng)物體為2kg左右的大質(zhì)量彈丸，通過航炮發(fā)射，出口速度不高于100m／s，觀測其出炮膛后的飛行姿態(tài)。

1.1 步槍實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

利用FASTCAM－APX RS高速數(shù)字化攝像機(jī)拍攝半自動(dòng)步槍發(fā)射子彈的飛行過程，采用不同的幅頻和曝光時(shí)間，驗(yàn)證電子快門削弱物體運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)模糊和在場外使用該攝像機(jī)的照明條件。步槍實(shí)驗(yàn)共3發(fā)，各發(fā)實(shí)驗(yàn)中攝像機(jī)的參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 各發(fā)實(shí)驗(yàn)攝像機(jī)參數(shù)設(shè)置

圖1 2×104幅／s，5μs電子快門，無光源照明

圖2 2×104幅／s，10μs電子快門，有光源照明（彩色）

圖3 2×104幅／s，2μs電子快門，有光源照明

圖4 1×104幅／s，無電子快門，無光源照明（彩色）

圖5 0.5×104幅／s，10μs電子快門，無光源照明

圖6 1×104幅／s，4μs電子快門，無光源照明

從圖中可以看出：1）彩色攝像機(jī)在曝光時(shí)間較長的情況下，將會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模糊現(xiàn)象，但采用外加光源和電子快門相結(jié)合的方式，則可以有效消除彩色攝像機(jī)幅頻設(shè)置為1×104～2×104幅／s之間時(shí)拍攝到的物體運(yùn)動(dòng)模糊現(xiàn)象；2）黑白攝像機(jī)在不使用外加光源和較長曝光時(shí)間的前提下仍能較好地削弱動(dòng)態(tài)模糊，這表明了黑白攝像機(jī)感光度較彩色攝像機(jī)高數(shù)倍。

1.2 航炮實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

利用FASTCAM－APX RS高速數(shù)字化攝像機(jī)拍攝航炮加載下彈丸與彈托的分離過程，采用相同幅頻和不同曝光時(shí)間，不采用外加光源以驗(yàn)證電子快門削弱物體運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)模糊。航炮實(shí)驗(yàn)共2發(fā)，各發(fā)實(shí)驗(yàn)中攝像機(jī)的參數(shù)設(shè)置見表2。各發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

表2 各發(fā)實(shí)驗(yàn)攝像機(jī)參數(shù)設(shè)置

圖7 低速大彈丸的飛行姿態(tài)

由圖7可知：該影像能清晰地分辨出炮口火焰的擴(kuò)散、彈丸的飛行姿態(tài)以及高溫火藥渣的飛散過程。

2 結(jié)論

通過上述實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析，采用合適的電子快門，F(xiàn)ASTCAM－APX RS高速數(shù)字化攝像機(jī)能夠滿足高速動(dòng)態(tài)攝影的要求，可以獲得清晰的實(shí)驗(yàn)圖像，為相關(guān)的物理規(guī)律研究提供依據(jù)，該攝像機(jī)可以作為今后各類動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中有力的高速攝影工具。

［1］陳智剛，侯秀成，李守蒼，等.高速破甲彈破甲穩(wěn)定性數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2009，29（1）：128－129.

［2］盧湘江，李向榮，張慶明.破片戰(zhàn)斗部打擊下導(dǎo)彈毀傷評估仿真［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008，28（6）：83－85.

［3］譚顯祥.光學(xué)高速攝影測試技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，1992：1－5.

［4］李劍，暢里華，譚顯祥.FJZ－1000型超高速轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)及其應(yīng)用［J］.爆炸與沖擊，2005，25（6）：574－576.

［5］肖正飛，李劍，劉寧文，等.Speed Cam VISARIO高速數(shù)字相機(jī)在爆炸試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.爆轟波與沖擊波，2005（4）：155－158.

［6］Adamas L.White sands targets camera upgrades［EB／OL］.2008－06－08［2009－02－04］.http：／／www.advancedimagingrpro.com／publication／bio.jsp？ id ＝20＆publd＝3.

［7］Photron.FASTCAM－APX RS hardware manual［Z］.San Diego.USA：Photron，2004.