电子快门对常规战斗部实验的影响＊

2010-12-07唐孝容张光升郝建中

弹箭与制导学报 2010年4期

唐孝容，高宁，张光升，郝建中，林俊

（中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理国防科技重点实验室，四川绵阳 621900）

0 引言

拍摄高速流逝过程是爆炸、撞击等实验研究中最常用的诊断方法之一。高速试验件在着靶前的速度和姿态，着靶后的变形膨胀、破坏和反应产物的飞散等的时间空间信息，最终要依靠光学设备捕捉，并据此对弹击靶时所产生的力学、物理、化学过程进行直观的综合分析［1－2］。传统的机械式转镜式高速相机在爆炸实验中的应用已相当广泛，摄影频率可达到上千万幅频［3－4］，但相对记录时间较短，不能给出试验件在较长距离上的运动姿态和击靶过程。利用Speed Cam VISARIO数字化相机可成功拍摄到子弹飞行过程及炸药爆炸过程［5］，但随着研究项目的深入和研究领域的拓展，该相机的摄影频率、曝光时间和感光度稍显不足。APX－RS高速数字化摄像机在记录时间、摄影频率和曝光时间等方面具有较强的优越性，适用于在碰撞过程中所产生的产物形成和飞散等过程的研究，目前被广泛应用于各种常规战斗部实验中［6］。

FASTCAM－APX RS高速数字化摄像机主要应用于动态高速摄影，其主要的技术特征是采用了高感光灵敏度、高分辨率传感器技术，具有“重点关注区域”的功能［7］。它具有如下特点：a）拥有百万像素和高灵敏度的成像传感器使得APX在极端低光照的条件下也能以非常快的速度（可达250，000fps）发挥出主要基本功能；b）通过实时视频输出以及其易操作的远程手控面版使得用户能及时捕捉高速运动的物体；c）APX RS的一体设计保证它能够通过高速数字式界面，结合简单易操作的控制软件与计算机连接，形成记录的影像，APX RS处理系统可以提供简单的方式对捕捉到的快速运动事件进行分析，这是一般系统很难达到的；d）这种最新的记录科技更有利于捕捉高速运动物体的影像以及在后期进行慢动作观测、运动分析及影像处理应用。文中利用FASTCAM－APX RS摄像机的优势采用不同的幅频和曝光时间，验证了电子快门对常规战斗部实验的影响。

1 动态实验设计及结果分析

针对不同加载速度，选用不同质量、不同速度的目标拍摄物进行了两种加载方式的动态实验设计：1）运动物体为步枪子弹，由56式半自动步枪发射，出口速度约为700～800m／s，主要观测在摄影机采用不同幅频和电子快门条件下子弹击靶状态；2）运动物体为2kg左右的大质量弹丸，通过航炮发射，出口速度不高于100m／s，观测其出炮膛后的飞行姿态。

1.1 步枪实验及结果

利用FASTCAM－APX RS高速数字化摄像机拍摄半自动步枪发射子弹的飞行过程，采用不同的幅频和曝光时间，验证电子快门削弱物体运动动态模糊和在场外使用该摄像机的照明条件。步枪实验共3发，各发实验中摄像机的参数设置见表1。

表1 各发实验摄像机参数设置

图1 2×104幅／s，5μs电子快门，无光源照明

图2 2×104幅／s，10μs电子快门，有光源照明（彩色）

图3 2×104幅／s，2μs电子快门，有光源照明

图4 1×104幅／s，无电子快门，无光源照明（彩色）

图5 0.5×104幅／s，10μs电子快门，无光源照明

图6 1×104幅／s，4μs电子快门，无光源照明

从图中可以看出：1）彩色摄像机在曝光时间较长的情况下，将会出现运动模糊现象，但采用外加光源和电子快门相结合的方式，则可以有效消除彩色摄像机幅频设置为1×104～2×104幅／s之间时拍摄到的物体运动模糊现象；2）黑白摄像机在不使用外加光源和较长曝光时间的前提下仍能较好地削弱动态模糊，这表明了黑白摄像机感光度较彩色摄像机高数倍。