趙新才,李 劍,肖正飛,劉寧文

(1.中國工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽 621999；2.中國工程物理研究院研究生院，北京 100088)

1 引 言

光電測試技術(shù)在沖擊波物理和爆轟物理實驗研究中有十分重要的應(yīng)用，例如對高速運動目標(biāo)的運動姿態(tài)、碰撞和破壞過程的研究以及對運動目標(biāo)的速度或碎片運動規(guī)律的檢測等方面。隨著高能量密度物理研究的不斷深入，研究者對實驗測量精度的要求不斷提高，急需建立具有高時空分辨能力的測量設(shè)備。目前，轉(zhuǎn)鏡式高速攝影技術(shù)的時間分辨力已經(jīng)不能完全滿足這些要求，因此，對超高速光電攝影技術(shù)(時間分辨能力比轉(zhuǎn)鏡相機高一到兩個量級)的研究具有重要的意義[1-3]。

本文介紹了自研設(shè)備——超高速光電分幅相機，并將其應(yīng)用于爆轟加載下的柱殼膨脹斷裂實驗。在同一發(fā)的實驗中，同時采用高速轉(zhuǎn)鏡分幅相機和超高速光電分幅相機拍攝柱殼的膨脹斷裂情況，并將結(jié)果進行比較，以期為超高速光電分幅相機在沖擊波物理和爆轟物理實驗中的應(yīng)用提供參考。

2 超高速光電分幅相機

超高速光電分幅相機由中國工程物理研究院流體物理研究所自主研制而成。該相機具有攝影頻率高且可調(diào)、動態(tài)范圍大和弱光探測能力強等優(yōu)點，在爆轟波與沖擊波物理、等離子體物理、加速器物理、慣性約束聚變、高溫等離子體和真空放電、激光與物質(zhì)相互作用、高電壓等研究領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[4-8]。相機由物鏡、分光系統(tǒng)、門控型微通道板像增強器、耦合器、CCD像機、工控機、同步控制單元、快脈沖電源、光纖收發(fā)器等部分組成，其工作原理如圖1所示。拍攝目標(biāo)通過物鏡、分光系統(tǒng)成像在門控型微通道板上的陰極面，然后經(jīng)像增強器放大耦合到CCD芯片上，再通過光纖將CCD相機輸出的圖像傳輸?shù)接嬎銠C上進行顯示和處理。拍攝頻率和單幅曝光時間由精確同步控制機和MCP專用脈沖電源設(shè)定[9]。超高速光電分幅相機的主要指標(biāo)如下：畫幅數(shù)為8幅；最高攝影頻率為2×108幅/秒；單幅最短曝光時間為5 ns；拍攝總長度為1 ms，幅間隔10-6～1 ms分檔可調(diào)；輸出圖像畫面像素1600×1200；空間分辨率優(yōu)于36 lp/mm；光譜響應(yīng)：380～850 nm。

圖1 超高速光電分幅相機原理圖Fig.1 Schematic diagram of the high speed frame camera

3 實驗設(shè)計

3.1 實驗裝置

爆轟實驗裝置剖面如圖2所示。實驗裝置主要由柱殼體、傳爆藥柱、炸藥、同步起爆裝置等部分組成，整個實驗裝置放置于支撐底盤上。實驗過程中，由同步起爆裝置起爆雷管，點燃傳爆藥柱，然后通過傳爆藥柱引燃炸藥，炸藥釋放的化學(xué)能瞬間作用于柱殼體內(nèi)壁，使得柱殼因不斷膨脹而出現(xiàn)裂縫，最后發(fā)生斷裂。實驗裝置設(shè)計中，柱殼體材料為HR-2鋼，其內(nèi)徑為40 mm，壁厚為4 mm，長為140 mm；內(nèi)裝炸藥成分為JOB-9003，藥柱長120 mm。

3.2 測試技術(shù)

實驗布局如圖3所示。實驗中采用白紗布作為背景屏幕，以襯托待測目標(biāo)邊界。采用兩個氬氣彈(激發(fā)炸藥加氬氣袋)作為前照明光源，可以從不同角度比較均勻地照亮待測目標(biāo)的前表面，使得待測信號盡可能清晰。另外，為防止爆轟實驗中產(chǎn)生的飛濺物損傷相機，采取了如下保護措施：(1) 待測目標(biāo)沒有直接放置在相機的拍攝光軸上，而是加裝了兩塊反射鏡，相機通過反射鏡間接地獲得待測信號；(2) 在相機前設(shè)置了掩體，待測信號從掩體上面安裝的K9玻璃窗口透過。這些措施一方面保證了實驗的安全性，另一方面，也使得高速轉(zhuǎn)鏡分幅相機和超高速光電分幅相機的聯(lián)合測試成為現(xiàn)實。

采用分幅攝影技術(shù)記錄爆轟加載下柱殼的膨脹變形及破裂過程。為了更好地了解超高速光電分幅相機的特點，實驗過程中同時使用高速轉(zhuǎn)鏡分幅相機和超高速光電分幅相機對目標(biāo)進行觀測。高速轉(zhuǎn)鏡分幅相機的型號為FJZ-250，相機轉(zhuǎn)速設(shè)定為2.4×105r/min，幅間間隔為0.5 μs；超高速光電分幅相機的型號為OEFC-8，相機曝光時間設(shè)定為20 ns，幅間間隔為2 μs。

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

圖3 實驗布局示意圖Fig.3 Layout of experimental configuration

4 實驗結(jié)果及分析

通過設(shè)置同步機中的延時數(shù)據(jù)使相機、高壓電源和點火機在設(shè)定的時序下工作，確保相機拍攝與目標(biāo)動作的精確同步。光電相機和轉(zhuǎn)鏡相機均設(shè)置為等待照相工作方式，其中，高速轉(zhuǎn)鏡相機和超高速光電分幅相機的曝光時間分別為500和20 ns；記錄時長分別為20和14 μs。在同一發(fā)爆轟實驗中，高速轉(zhuǎn)鏡相機拍攝的殼體膨脹斷裂過程如圖4所示，而超高速光電分幅相機拍攝的殼體膨脹斷裂過程如圖5所示?？梢钥闯觯瑑煞N相機均獲得了爆轟沖擊加載下殼體外表面逐漸變形直到爆炸產(chǎn)物飛濺的整個過程(由于轉(zhuǎn)鏡相機拍攝的圖像信息量較大，因此只選取了前26幅圖像進行分析)。

由于兩種相機幅間距分別為0.5和2.0 μs，而且根據(jù)實驗設(shè)置，轉(zhuǎn)鏡相機記錄的起始時刻比光電相機提前0.5 μs，因此，圖4中編號為2、6、10、14、18、22的6幅圖像(由紅色方框標(biāo)記)分別對應(yīng)光電相機拍攝圖像中的前6幅圖像。通過比較得出，在對應(yīng)時刻，兩種相機拍攝的圖像具有很好的一致性。因為該爆轟實驗是微秒過程，不是很快，所以光電相機曝光時間短的優(yōu)勢并不能充分體現(xiàn)，光電相機拍攝的圖像與轉(zhuǎn)鏡相機相比在消動態(tài)模糊方面的差別也不是特別明顯。但是對于納秒量級的物理過程，可以預(yù)期，光電相機的消動態(tài)模糊能力優(yōu)于轉(zhuǎn)鏡相機。

將光電分幅相機與轉(zhuǎn)鏡分幅相機在t=6 μs時刻柱殼拍攝得到的殼體表面狀態(tài)單獨進行比較，其中圖6(a)為圖5中的第4幅圖像，圖6(b)為圖4中的第14幅圖像。觀察發(fā)現(xiàn)，雖然兩種相機拍攝的結(jié)果基本一致，但是光電相機拍攝的圖像相對更清晰，基本能看清殼體膨脹變形的輪廓、標(biāo)記線及表面的裂紋特征。即在目標(biāo)識別、殼體斷裂的細節(jié)分辨等方面，因為光電相機的曝光時間較短，所以對拍攝圖像帶來的動態(tài)模糊小，拍攝效果更好，有利于對物理過程的定量分析和精密計算，比如膨脹速度的計算、運動過程姿態(tài)研究等。此外，光電相機對曝光時間依賴較強，而且之前未開展過靜態(tài)照明實驗，實驗中光電相機的曝光時間僅憑經(jīng)驗確定，造成拍攝圖像顏色較深，有些局域的表面特征粗糙，如裂紋萌生、局部模糊等情況，需要進一步改進和完善實驗方法。

圖4 轉(zhuǎn)鏡相機拍攝的爆轟實驗圖像Fig.4 Frame images of a detonation experiment photographed by rotating mirror camera

光電相機和轉(zhuǎn)鏡相機的主要技術(shù)指標(biāo)的對比如下：(1) 光電相機的最短曝光時間為5 ns，而轉(zhuǎn)鏡相機的最短曝光時間為100 ns，對于同一物理過程，光電相機帶來的動態(tài)模糊遠遠小于轉(zhuǎn)鏡相機；(2) 光電相機的曝光時間和幅間距隨意可調(diào)，而轉(zhuǎn)鏡相機的曝光時間和幅間距是相關(guān)聯(lián)的；(3) 光電相機拍攝幅數(shù)只有8幅，而轉(zhuǎn)鏡相機拍攝幅數(shù)可達40幅。因此，整體來看，兩類高速相機各有優(yōu)勢，在爆轟物理實驗研究中應(yīng)該充分利用兩類相機的特點，即使用高速轉(zhuǎn)鏡分幅相機拍攝目標(biāo)運動的整個過程，從整體上觀測實驗現(xiàn)象，然后利用超高速光電分幅相機關(guān)注某個關(guān)鍵階段，將此階段的變化進行“放大”，從而進行精密測量。兩類相機的相互配合與協(xié)作，對于爆轟物理實驗研究的深入開展非常重要，并且有利于增進對超快物理過程的認識和理解。

圖5 光電相機拍攝的爆轟實驗圖像Fig.5 Frame images of a detonation experiment photographed by photo-electric camera

圖6 14 μs時刻殼體表面形態(tài)Fig.6 Photos of the shell surface state at 14 μs

5 結(jié) 論

借助自研的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超高速光電分幅相機，在國內(nèi)首次成功將光電相機應(yīng)用于柱殼膨脹斷裂爆轟實驗研究。實驗結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)鏡式高速攝影技術(shù)，超高速光電分幅相機具有更高的空間分辨能力和消動態(tài)模糊能力，有望在爆轟驅(qū)動界面不穩(wěn)定性診斷、對碰區(qū)早起凸起過程研究等爆轟物理實驗研究中得到推廣應(yīng)用。

在接下來的工作中，可以從以下幾個方面提高超高速光電分幅相機性能：(1) 進一步完善相機系統(tǒng)圖像處理功能，為有效信息的提取提供保障；(2) 在相機系統(tǒng)中增加測速功能，在同一發(fā)實驗中獲得更加豐富的物理信息；(3) 研究相機系統(tǒng)的照明光源，使其可以根據(jù)環(huán)境條件選擇相匹配的照明光源，從而提高圖像質(zhì)量。通過這些改進，將極大提高超高速光電分幅相機在爆轟物理中的應(yīng)用范圍。

[1] 趙 鋒,譚 華,吳 強,等.沖擊波物理與爆轟物理研究進展 [J].物理,2009,38(12):894-900.

ZHAO F,TAN H,WU Q,et al.Shock wave and detonation physics research in the Chinese Academy of Engineering Physics [J].Physics,2009,38(12):894-900.

[2] 李 劍,汪 偉,肖正飛,等.大畫幅等待式轉(zhuǎn)鏡分幅相機研制及應(yīng)用 [J].爆炸與沖擊,2012,32(6):641-646.

LI J,WANG W,XIAO Z F,et al.Large frame continuous rotating mirror framing camera and its applications [J].Explosion and Shock Waves,2012,32(6):641-646.

[3] 暢里華,譚顯祥,汪 偉,等.紋影技術(shù)用于爆轟與沖擊波物理實驗研究 [J].激光與光電子學(xué)進展,2006,43(12):58-61.

CHANG L H,TAN X X,WANG W,et al.Schlieren techniques in experiments of shock wave and detonation physics [J].Laser & Optoelectronics Progress,2006,43(12):58-61.

[4] JENKINS C M,RIPLEY R C,WU C Y,et al.Explosively driven particle fields imaged using a high speed framing camera and particle image velocimetry [J].Int J Multiphas Flow,2013,51:73-86.

[5] CARLSSON P,LYCKSAM H,GREN P,et al.High-speed imaging of biomass particles heated with a laser [J].J Anal Appl Pyrol,2013,103:278-286.

[6] KITAMURA T,KUNIEDA M,ABE K.High-speed imaging of EDM gap phenomena using transparent electrodes[C]//The 17th CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining.Amsterdam:Elsvier,2013,6:314-319.

[7] YOU D Y,GAO X D,KATAYAMA S.Monitoring of high-power laser welding using high-speed photographing and image processing [J].Mech Syst Signal Pr,2014,49(1):39-52.

[8] SAITO G,NAKASUGI Y,AKIYAMA T.High-speed camera observation of solution plasma during nanoparticles formation [J].Appl Phys Lett,2014,104(8):083104.

[9] 劉寧文,暢里華,肖正飛,等.門控型像增強器開門時間測量 [J].強激光與粒子束,2012,24(10):2447-2450.

LIU N W,CHANG L H,XIAO Z F,et al.Measuring gating time of gated image intensifier [J].High Power Laser and Particle Beams,2012,24(10):2447-2450.