转镜式高速相机的计量技术

    0 引言

    转镜式高速相机是集光、机、电、算为一体的大型、贵重的测试设备,目前在爆轰物理和冲击波物理研究中占有重要的地位。按照拍摄结果的不同形式,转镜式高速相机可以分为扫描相机和分幅相机[1]。

    扫描相机记录被观测快速变化目标的一维空间随时间变化的规律,以纳秒量级时间分辨本领,得到被观测目标在这一特定空间方向的发展过程。其光学成像系统如图1所示。被摄目标经第一物镜成像在狭缝上,狭缝经第二物镜和转镜成像在相机最终像面上。由于转镜的高速旋转,使狭缝像在像面上移动,得到物体沿狭缝方向一维空间随时间变化的扫描图像。

    转镜式高速分幅相机具有亚微秒时间分辨本领,观测快速变化目标的二维空间图像随时间的变化。其光学成像系统如图2所示,被摄目标经第一物镜成像在视场光阑处,后经第二物镜成像在转镜上,再经分幅透镜成像在相机最终像面上;同时,阶梯光阑经物镜及转镜成像在分幅光阑处。当转镜旋转时,阶梯光阑像沿分幅光阑移动,形成光快门。

    除上述外,高速相机另一重要组成部分是控制台,控制台的主要功能是精测转速、同步控制、自动符合并输出信号、结束工作等。控制台经过几代的改进,现已发展为微机实时控制,它具有实时显示、虚拟面板、操作使用方便等特点。

    扫描相机被计量的参量有扫描速度、光学系统积分透射比、静态目视分辨力以及动态目视分辨力;分幅相机被计量的参数有静态目视分辨力、动态摄影分辨力以及分幅透镜放大倍率;微机控制台被计量的参数有周期测量相对误差和延迟时间。下面论述各参量的检定方法及所用的测量器具,并给出了测量不确定度。限于篇幅,文中略去了具体的分析过程。

    1 扫描相机的检定

    1.1 扫描速度检定[2]

    1)检定原理

    检定原理示意图如图3所示。相机像面上装有标准双狭缝片,狭缝片上有三组狭缝(一组包含两条狭缝),一组狭缝对应一只光电倍增管。实现氙灯与相机的同步,当相机达到预设转速时,控制台触发氙灯电源使氙灯发光,3个光电倍增管先后接收到6个光信号,将其转换为6个电微分信号后由数字示波器接收。测量出扫描过每一组狭缝的时间间隔,根据每一组狭缝的间隔距离,就可以计算出该位置的扫描速度,数学模型见下式。

vi=di/ti(1)

    其中,vi为狭缝像在不同像面位置的扫描速度;

    di为标准双狭缝片的狭缝间距;

    ti为狭缝像扫描过一组狭缝间距的时间间隔;