CCD同步相机反射转镜算法研究

    1.引言

    高速摄影[1]- [2]是用来记录告诉流逝过程的有效方法, 用它可以将全过程的空间信息和时间信息联系起来, 记录的空间信息以图像表示, 时间信息则以拍摄频率、时标或拍摄时间表示。由于高速摄影可以将高速运动过程的时间信息和空间信息相联系, 因此它可用于弹丸速度、姿态的测量。

    目前所述狭缝相机[1]即为光机式狭缝摄像机, 他的发展比较早且技术比较成熟, 采用摄影胶片记录飞行目标图像, 至今仍广泛应用于各类靶场中。但是事后的数据处理需要洗印检查和判读, 最后进行弹道计算。因此, 高速摄影[1]- [2]存在操作复杂 , 可靠性差, 时候处理长, 胶片消耗量大等问题, 这种方式一直制约着靶场综合试验能力的进一步提高。

    近年来, 随着 CCD 技术在灵敏度, 分辨率及像面尺寸等技术方面的提高, 为靶场实现图像数字采集创造了条件, 目前, 采用 CCD 技术替代高速摄影完成外弹道测量已引起靶场和有关科研单位的普遍重视。

    转镜式高速相机[3]有纳妙级的时间分辨本领, 良好的空间分辨率, 与被摄目标可以准确同步, 使用可靠, 操作简单等优点。因此它在高速摄影仪器中占据重要的地位, 被广泛应用于爆炸力学和高压物理学, 靶场测试等研究中。转镜式高速相机控制系统式转镜式高速相机的重要组成部分, 它对相机的可靠性起着至关重要的作用, 对相机的测试精度及整体性能均有重大影响。

    因此对转镜的控制就是整个同步相机系统的核心部分,控制转镜最重要就是先得出其算法。

    2.系统光学原理框图

    图1就是CCD 同步相机测试弹丸飞行姿态的系统光学原理图,被摄物体进入相机视场内时, 利用光的反射原理, 将被摄物体的成像在CCD 上。由于反射镜的高速旋转, 记录下来的被摄目标的空间位置随着时间的变化过程。

    可以看出被摄物体是否能在 CCD 上准确清晰成像, 主要是要控制反射转镜的旋转, 为了能够实现物相同步, 因此对于转镜的算法研究是实现系统的关键因素。

    3.转镜算法的研究

    3.1 转镜算法的推导 图 2 是 CCD 同步相机在靶场测试子弹飞行姿态的原理图靶 1, 靶 2 分别是测试子弹飞行速度的光幕靶或者天幕靶, 相机的视场角是 60o, VP是子弹进入转镜视场时的速度,H 是转镜到子弹轨道的垂直距离,T0S0时间, 假设这个时候子弹的速度是 V0,空气阻尼系数是 !,子弹受到的空气阻力 f=!"2,AO 与转镜中心到子弹飞行轴垂直方向的角度是 α, AO 方向的速度是 #AO, 则得出:

    可以得出#AO与时间的关系

    为了使得子弹在 CCD 上所成的像保持相对静止, 当 AO 向着视场中心位置移动 θ时, 根据反射定律可以得知, 转镜的旋转角度是12θ, 那么转镜的转动角速度