電子快門對(duì)常規(guī)戰(zhàn)斗部實(shí)驗(yàn)的影響＊

唐孝容，高 寧，張光升，郝建中，林 俊

（中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng) 621900）

0 引言

拍攝高速流逝過(guò)程是爆炸、撞擊等實(shí)驗(yàn)研究中最常用的診斷方法之一。高速試驗(yàn)件在著靶前的速度和姿態(tài)，著靶后的變形膨脹、破壞和反應(yīng)產(chǎn)物的飛散等的時(shí)間空間信息，最終要依靠光學(xué)設(shè)備捕捉，并據(jù)此對(duì)彈擊靶時(shí)所產(chǎn)生的力學(xué)、物理、化學(xué)過(guò)程進(jìn)行直觀的綜合分析［1－2］。傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)鏡式高速相機(jī)在爆炸實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，攝影頻率可達(dá)到上千萬(wàn)幅頻［3－4］，但相對(duì)記錄時(shí)間較短，不能給出試驗(yàn)件在較長(zhǎng)距離上的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和擊靶過(guò)程。利用Speed Cam VISARIO數(shù)字化相機(jī)可成功拍攝到子彈飛行過(guò)程及炸藥爆炸過(guò)程［5］，但隨著研究項(xiàng)目的深入和研究領(lǐng)域的拓展，該相機(jī)的攝影頻率、曝光時(shí)間和感光度稍顯不足。APX－RS高速數(shù)字化攝像機(jī)在記錄時(shí)間、攝影頻率和曝光時(shí)間等方面具有較強(qiáng)的優(yōu)越性，適用于在碰撞過(guò)程中所產(chǎn)生的產(chǎn)物形成和飛散等過(guò)程的研究，目前被廣泛應(yīng)用于各種常規(guī)戰(zhàn)斗部實(shí)驗(yàn)中［6］。

FASTCAM－APX RS高速數(shù)字化攝像機(jī)主要應(yīng)用于動(dòng)態(tài)高速攝影，其主要的技術(shù)特征是采用了高感光靈敏度、高分辨率傳感器技術(shù)，具有“重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域”的功能［7］。它具有如下特點(diǎn)：a）擁有百萬(wàn)像素和高靈敏度的成像傳感器使得APX在極端低光照的條件下也能以非常快的速度（可達(dá)250，000fps）發(fā)揮出主要基本功能；b）通過(guò)實(shí)時(shí)視頻輸出以及其易操作的遠(yuǎn)程手控面版使得用戶能及時(shí)捕捉高速運(yùn)動(dòng)的物體；c）APX RS的一體設(shè)計(jì)保證它能夠通過(guò)高速數(shù)字式界面，結(jié)合簡(jiǎn)單易操作的控制軟件與計(jì)算機(jī)連接，形成記錄的影像，APX RS處理系統(tǒng)可以提供簡(jiǎn)單的方式對(duì)捕捉到的快速運(yùn)動(dòng)事件進(jìn)行分析，這是一般系統(tǒng)很難達(dá)到的；d）這種最新的記錄科技更有利于捕捉高速運(yùn)動(dòng)物體的影像以及在后期進(jìn)行慢動(dòng)作觀測(cè)、運(yùn)動(dòng)分析及影像處理應(yīng)用。文中利用FASTCAM－APX RS攝像機(jī)的優(yōu)勢(shì)采用不同的幅頻和曝光時(shí)間，驗(yàn)證了電子快門對(duì)常規(guī)戰(zhàn)斗部實(shí)驗(yàn)的影響。

1 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

針對(duì)不同加載速度，選用不同質(zhì)量、不同速度的目標(biāo)拍攝物進(jìn)行了兩種加載方式的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：1）運(yùn)動(dòng)物體為步槍子彈，由56式半自動(dòng)步槍發(fā)射，出口速度約為700～800m／s，主要觀測(cè)在攝影機(jī)采用不同幅頻和電子快門條件下子彈擊靶狀態(tài)；2）運(yùn)動(dòng)物體為2kg左右的大質(zhì)量彈丸，通過(guò)航炮發(fā)射，出口速度不高于100m／s，觀測(cè)其出炮膛后的飛行姿態(tài)。

1.1 步槍實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

利用FASTCAM－APX RS高速數(shù)字化攝像機(jī)拍攝半自動(dòng)步槍發(fā)射子彈的飛行過(guò)程，采用不同的幅頻和曝光時(shí)間，驗(yàn)證電子快門削弱物體運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)模糊和在場(chǎng)外使用該攝像機(jī)的照明條件。步槍實(shí)驗(yàn)共3發(fā)，各發(fā)實(shí)驗(yàn)中攝像機(jī)的參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 各發(fā)實(shí)驗(yàn)攝像機(jī)參數(shù)設(shè)置

圖1 2×104幅／s，5μs電子快門，無(wú)光源照明

圖2 2×104幅／s，10μs電子快門，有光源照明（彩色）

圖3 2×104幅／s，2μs電子快門，有光源照明

圖4 1×104幅／s，無(wú)電子快門，無(wú)光源照明（彩色）

圖5 0.5×104幅／s，10μs電子快門，無(wú)光源照明

圖6 1×104幅／s，4μs電子快門，無(wú)光源照明

從圖中可以看出：1）彩色攝像機(jī)在曝光時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，將會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模糊現(xiàn)象，但采用外加光源和電子快門相結(jié)合的方式，則可以有效消除彩色攝像機(jī)幅頻設(shè)置為1×104～2×104幅／s之間時(shí)拍攝到的物體運(yùn)動(dòng)模糊現(xiàn)象；2）黑白攝像機(jī)在不使用外加光源和較長(zhǎng)曝光時(shí)間的前提下仍能較好地削弱動(dòng)態(tài)模糊，這表明了黑白攝像機(jī)感光度較彩色攝像機(jī)高數(shù)倍。

1.2 航炮實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

利用FASTCAM－APX RS高速數(shù)字化攝像機(jī)拍攝航炮加載下彈丸與彈托的分離過(guò)程，采用相同幅頻和不同曝光時(shí)間，不采用外加光源以驗(yàn)證電子快門削弱物體運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)模糊。航炮實(shí)驗(yàn)共2發(fā)，各發(fā)實(shí)驗(yàn)中攝像機(jī)的參數(shù)設(shè)置見表2。各發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

表2 各發(fā)實(shí)驗(yàn)攝像機(jī)參數(shù)設(shè)置

圖7 低速大彈丸的飛行姿態(tài)

由圖7可知：該影像能清晰地分辨出炮口火焰的擴(kuò)散、彈丸的飛行姿態(tài)以及高溫火藥渣的飛散過(guò)程。

2 結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析，采用合適的電子快門，F(xiàn)ASTCAM－APX RS高速數(shù)字化攝像機(jī)能夠滿足高速動(dòng)態(tài)攝影的要求，可以獲得清晰的實(shí)驗(yàn)圖像，為相關(guān)的物理規(guī)律研究提供依據(jù)，該攝像機(jī)可以作為今后各類動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中有力的高速攝影工具。

［1］陳智剛，侯秀成，李守蒼，等.高速破甲彈破甲穩(wěn)定性數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2009，29（1）：128－129.

［2］盧湘江，李向榮，張慶明.破片戰(zhàn)斗部打擊下導(dǎo)彈毀傷評(píng)估仿真［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008，28（6）：83－85.

［3］譚顯祥.光學(xué)高速攝影測(cè)試技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，1992：1－5.

［4］李劍，暢里華，譚顯祥.FJZ－1000型超高速轉(zhuǎn)鏡分幅相機(jī)及其應(yīng)用［J］.爆炸與沖擊，2005，25（6）：574－576.

［5］肖正飛，李劍，劉寧文，等.Speed Cam VISARIO高速數(shù)字相機(jī)在爆炸試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.爆轟波與沖擊波，2005（4）：155－158.

［6］Adamas L.White sands targets camera upgrades［EB／OL］.2008－06－08［2009－02－04］.http：／／www.advancedimagingrpro.com／publication／bio.jsp？ id ＝20＆publd＝3.

［7］Photron.FASTCAM－APX RS hardware manual［Z］.San Diego.USA：Photron，2004.