定点高速闪光摄影技术在土工离心机中的应用

王新伦，赵文凯，林 明，程永辉

(1.中国工程物理研究院 结构力学研究所，四川绵阳 621900;2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

近年来土力学基本理论的发展及岩土工程设计水平的提高，对土工离心机的设计提出了新的要求。由于实时摄影具有非接触、直观等测量优点，许多土工离心机技术研究人员提出了研制摄影系统的要求。如何拍摄到高速旋转土工模型完整清晰的动态图像是摄影系统研制的关键。由于模型高速旋转，采用普通的摄影方法很难获得动态土工模型的清晰影像。定点高速闪光摄影是解决这个问题较经济实用的方法。本文以长江科学院CKY－200型土工离心机为背景，介绍了定点高速闪光摄影的原理，闪光时间、闪光能量的确定，定点高速闪光摄影同步控制以及实际应用的情况。

1 定点闪光摄影系统原理

定点高速闪光摄影系统的安装如图1所示。照相机及短脉冲氙灯安装在装有摄影玻璃窗的主机室顶部;土工模型箱安装于离心机工作吊斗内;其上表面为用于摄影的有机玻璃透明窗;位置检测传感器的磁铁安装于离心机转臂的下面，霍尔传感器安装于机座上。摄影时首先关闭机室灯，使得相机处于暗室中，然后打开相机电子快门B门，短脉冲氙灯闪光时间即为快门时间，闪光时间越短，动态图像越清晰。当高速旋转的土工模型运行到摄影窗口下方时，霍尔传感器输出脉冲驱动高速闪光仪放电，短脉冲氙灯闪光，完成一次摄影。

图1 定点高速闪光摄影安装示意图Fig.1 Sketch map of the installation of fixed-spot high-speed flash photography system

1.1 硬 件

为保证系统的快速响应能力，采用全硬件设计同步控制电路。硬件原理如图2所示。系统由高速闪光仪、同步控制板、闪光灯、位置检测传感器、闪光检测电路、相机、控制柜、计算机等组成［1］。

图2 摄影系统原理框图Fig.2 Principle of the photography system

为获得足够短的放电脉冲及足够高的放电能量，放电回路采用高压小电容、闸流管及特制短脉冲氙灯的形式设计。闸流管具有导通时间短、电流上升时间短、负载能力强及导通时的阻抗小等特点;氙灯的光谱类似于太阳光，为感性负载，通过特殊设计其电感非常小;整个放电回路的放电时间常数达到微秒级，采用10 kV/1μF的高压小电容储能，放电能量50 J左右。

同步控制电路采用高速电子器件设计，由光电隔离电路、电子开关、放大电路及闸流管触发变压器等组成。电子开关未解锁时，位置传感器(霍尔传感器)信号与触发回路隔离;电子开关解锁时，位置传感器信号与触发回路连通。

闪光检测电路采用光敏三极管加驱动电路的形式设计。短脉冲氙灯闪光后，闪光检测电路将光脉冲转换成电脉冲，反馈到计算机，组成闭环控制。

1.2 软 件

摄影系统监控程序主要完成摄影的时序控制，并用于照片序号、摄影时间及相应加速度值的记录。采用Windows环境下面向对象程序语言进行设计，遵循了通用性与方便性、实时性、可靠性的程序设计原则。摄影系统监控程序流程图如图3所示。

图3 摄影系统监控程序流程Fig.3 Flow chart of monitoring program of the photography system

摄影时，按下“高压”按扭，充电回路对高压储量电容进行充电，当充电电压为10 kV左右时通过计算机发出“摄影”指令。计算机首先关闭机室照明灯，延时10 s，以消除灯光余辉，然后打开相机B门，延时10 s，再给电子开关送+5 V信号，使电子开关处于解锁状态，此时高压回路的放电仅受位置检测传感器触发信号的控制。当土工模型运行到摄影窗口下方时，位置检测传感器发出触发脉冲，触发高压放电回路向短脉冲氙灯放电并闪光，动态土工模型在CCD靶面上成像。然后依次给电子开关上锁、关相机电子B门、开机室照明灯，完成一次摄影工作过程。

2 拍摄完整清晰图像技术分析

拍摄完整清晰动态图像必须满足以下3个条件:

(1)曝光时间要足够短，以保证足够的动态分辨率。

(2)要有足够的闪光能量，以保证CCD充分曝光。

(3)高速旋转的土工模型运行到摄影窗口下方和摄影闪光时间必须同步。

2.1 闪光时间

获得清晰的动态图像，必须限制曝光时间，使土工模型的动态图像在曝光时间内在数码相机的CCD靶面上移动距离ΔL小于0.05mm，以获得20线/mm以上的动态分辨率。ΔL可按以下公式计算:

式中:ΔL为土工模型的动态像在曝光时间中移动的距离;v为土工模型的线速度;Δt为曝光时间，即高速闪光仪的闪光时间;m为摄影放大率，m=h/H，其中h为底片长度，H为土工模型的长度。

根据上式经计算可知:对于CKY－200型土工离心机的最大线速度92m/s(200 g)，Δt≤15.1 μs即可满足CCD清晰成像的条件。我们研制的高速闪光仪的闪光半宽度为4.5μs，闪光时间小于9μs，因此完全能够满足使用要求。离心加速度越小，土工模型线速度越低，动态分辨率越高，图像越清晰。

2.2 闪光能量

在摄影时必须有足够的曝光量，才能使相机CCD靶面曝光充分，得到清晰的图像。所使用数码相机的感光度可以达到ISO1600，1勒克斯·秒(Lx·s)左右的曝光量就能使CCD靶面充分曝光。由于闪光仪闪光时间只有几个微秒，因此闪光仪必须有足够的放电功率，才能使土工模型表面有足够的照度。所用的闪光仪可达到兆瓦的放电功率，通过聚光装置，在土工模型表面可获得高达数百万勒克斯的瞬时照度。实际拍摄时选用f 5.6的光圈，CCD靶面上的照度可以达到几十万勒克斯以上，满足拍摄要求。在照度足够的条件下，相机光圈应尽量小，以获得尽量长的景深。

2.3 同步控制

由于普通相机快门的开关是机械动作，速度相对较慢，很难做到和高速旋转的土工模型同步。采用提前打开相机电子B门的方式，高速旋转的土工模型到达摄影窗口下方与摄影同步的问题就变成了高速旋转的土工模型到达摄影窗口下方与闪光灯闪光之间的同步问题。

同步的实现取决于闪光灯触发回路的重复性，只要电路的重复性好，就能够通过调节位置传感器的位置达到同步的目的。如果触发回路的响应时间非常小，其重复时间的绝对误差必然很小。触发回路的响应时间取决于位置检测传感器的响应时间、放电控制回路的响应时间及放电开关的导通时间。采用高精度磁感应器件作为位置检测传感器，响应时间为纳秒级。放电控制回路采用全硬件的高速分离元件设计，每个分离元件的响应时间都在纳秒级范围内。采用大功率高速闸流管作为放电开关，其导通时间小于1μs。整个电路的响应时间只有2μs左右，在这个时间内对于100m/s线速度的土工模型仅位移 0.2mm左右。经过试验，证明触发回路的重复性很好，能够实现同步控制。

3 在土工离心机中的应用

在土工离心模拟试验中，位移是一个重要的物理量。对位移的测量包括电气测量及摄影测量，其中电气测量采用接触式传感器(如电位计和LVDT)和非接触式传感器(如激光位移传感器)。接触式传感器在测量竖向位移时，传感器本身的重量在高离心加速度下成为荷载，对测试结果有影响，非接触式传感器在测量竖向位移时则无此缺点，电气测量每个传感器只能测量一个点。摄影测量能够测试整个压缩面，并具有非接触及直观等优点。

鉴于摄影系统的诸多优点，电气工程师们为研制能够实时拍摄土工离心模型图像的摄影系统付出了很多努力。早期常用的方案为:把照相机放置于吊篮内，随模型一起旋转，照相机与模型相对静止，同时承受离心加速度，这种摄影方式与地面上的普通摄影基本相似，人在地面遥控拍摄。这种方式的缺点是:当离心加速度超过50 g时照相机快门便不能打开，摄影系统无法工作，同时限于吊篮尺寸有限，物距小，图像的变形非常大，对测试结果有较大影响。定点高速闪光摄影系统的相机安装在机室顶部，不承受离心加速度，并且物距比较大，图像变形小。

中国工程物理研究院总体工程研究所研制的定点高速闪光摄影系统已成功应用于西南交通大学土工离心机、长安大学土工离心机、同济大学土工离心机、长沙理工大学土工离心机、浙江大学土工离心机。

通过在高压绝缘、电磁防护、干扰滤波、电路优化、布局优化等方面的持续改进，定点高速闪光摄影系统在土工离心机中的应用逐步成熟。

长江科学院摄影系统于2009年12月安装调试完毕，在5 g，10 g，30 g，50 g，80 g，100 g，150 g，200 g的条件下都获得了完整清晰的图像，系统自动化程度高、操作方便、工作可靠。在离心机运行到200 g时拍摄的土工模型图像如图4所示。

图4 土工模型的动态图像Fig.4 Dynamic image of geotechnical model at 200 g

4 结论

与其它摄影系统相比，定点高速闪光摄影系统更适合于土工离心机的特殊环境。定点高速闪光摄影系统综合了光学、高压电路、数字电路、模拟电路及计算机软件技术。通过计算，闪光脉宽小于图像清晰所需脉宽，动态分辨率高于图像清晰所需动态分辨率;闪光照度大于充分曝光照度;触发电路重复性好。多台土工离心机定点高速闪光摄影系统的实际拍摄动态图像完整、清晰证明了其设计的合理性。通过持续改进，定点高速闪光摄影系统在土工离心机中的应用逐步成熟。

［1］林 明，王新伦，冯晓军，等.60 g-t土工离心机电气系统设计［J］.兵工自动化，2004，23(1):58－60.(LIN Ming，WANGXin-lun，FENG Xiao-jun，et al.Design of Electrical System for 60 g-t Geotechnical Centrifuge［J］.Ordnance Industry Automation，2004，23(1):58－60(in Chinese ))