定點高速閃光攝影技術(shù)在土工離心機中的應(yīng)用

王新倫，趙文凱，林 明，程永輝

(1.中國工程物理研究院 結(jié)構(gòu)力學(xué)研究所，四川綿陽 621900;2.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010)

近年來土力學(xué)基本理論的發(fā)展及巖土工程設(shè)計水平的提高，對土工離心機的設(shè)計提出了新的要求。由于實時攝影具有非接觸、直觀等測量優(yōu)點，許多土工離心機技術(shù)研究人員提出了研制攝影系統(tǒng)的要求。如何拍攝到高速旋轉(zhuǎn)土工模型完整清晰的動態(tài)圖像是攝影系統(tǒng)研制的關(guān)鍵。由于模型高速旋轉(zhuǎn)，采用普通的攝影方法很難獲得動態(tài)土工模型的清晰影像。定點高速閃光攝影是解決這個問題較經(jīng)濟實用的方法。本文以長江科學(xué)院CKY－200型土工離心機為背景，介紹了定點高速閃光攝影的原理，閃光時間、閃光能量的確定，定點高速閃光攝影同步控制以及實際應(yīng)用的情況。

1 定點閃光攝影系統(tǒng)原理

定點高速閃光攝影系統(tǒng)的安裝如圖1所示。照相機及短脈沖氙燈安裝在裝有攝影玻璃窗的主機室頂部;土工模型箱安裝于離心機工作吊斗內(nèi);其上表面為用于攝影的有機玻璃透明窗;位置檢測傳感器的磁鐵安裝于離心機轉(zhuǎn)臂的下面，霍爾傳感器安裝于機座上。攝影時首先關(guān)閉機室燈，使得相機處于暗室中，然后打開相機電子快門B門，短脈沖氙燈閃光時間即為快門時間，閃光時間越短，動態(tài)圖像越清晰。當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的土工模型運行到攝影窗口下方時，霍爾傳感器輸出脈沖驅(qū)動高速閃光儀放電，短脈沖氙燈閃光，完成一次攝影。

圖1 定點高速閃光攝影安裝示意圖Fig.1 Sketch map of the installation of fixed-spot high-speed flash photography system

1.1 硬 件

為保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，采用全硬件設(shè)計同步控制電路。硬件原理如圖2所示。系統(tǒng)由高速閃光儀、同步控制板、閃光燈、位置檢測傳感器、閃光檢測電路、相機、控制柜、計算機等組成［1］。

圖2 攝影系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Principle of the photography system

為獲得足夠短的放電脈沖及足夠高的放電能量，放電回路采用高壓小電容、閘流管及特制短脈沖氙燈的形式設(shè)計。閘流管具有導(dǎo)通時間短、電流上升時間短、負載能力強及導(dǎo)通時的阻抗小等特點;氙燈的光譜類似于太陽光，為感性負載，通過特殊設(shè)計其電感非常小;整個放電回路的放電時間常數(shù)達到微秒級，采用10 kV/1μF的高壓小電容儲能，放電能量50 J左右。

同步控制電路采用高速電子器件設(shè)計，由光電隔離電路、電子開關(guān)、放大電路及閘流管觸發(fā)變壓器等組成。電子開關(guān)未解鎖時，位置傳感器(霍爾傳感器)信號與觸發(fā)回路隔離;電子開關(guān)解鎖時，位置傳感器信號與觸發(fā)回路連通。

閃光檢測電路采用光敏三極管加驅(qū)動電路的形式設(shè)計。短脈沖氙燈閃光后，閃光檢測電路將光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖，反饋到計算機，組成閉環(huán)控制。

1.2 軟 件

攝影系統(tǒng)監(jiān)控程序主要完成攝影的時序控制，并用于照片序號、攝影時間及相應(yīng)加速度值的記錄。采用Windows環(huán)境下面向?qū)ο蟪绦蛘Z言進行設(shè)計，遵循了通用性與方便性、實時性、可靠性的程序設(shè)計原則。攝影系統(tǒng)監(jiān)控程序流程圖如圖3所示。

圖3 攝影系統(tǒng)監(jiān)控程序流程Fig.3 Flow chart of monitoring program of the photography system

攝影時，按下“高壓”按扭，充電回路對高壓儲量電容進行充電，當(dāng)充電電壓為10 kV左右時通過計算機發(fā)出“攝影”指令。計算機首先關(guān)閉機室照明燈，延時10 s，以消除燈光余輝，然后打開相機B門，延時10 s，再給電子開關(guān)送+5 V信號，使電子開關(guān)處于解鎖狀態(tài)，此時高壓回路的放電僅受位置檢測傳感器觸發(fā)信號的控制。當(dāng)土工模型運行到攝影窗口下方時，位置檢測傳感器發(fā)出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)高壓放電回路向短脈沖氙燈放電并閃光，動態(tài)土工模型在CCD靶面上成像。然后依次給電子開關(guān)上鎖、關(guān)相機電子B門、開機室照明燈，完成一次攝影工作過程。

2 拍攝完整清晰圖像技術(shù)分析

拍攝完整清晰動態(tài)圖像必須滿足以下3個條件:

(1)曝光時間要足夠短，以保證足夠的動態(tài)分辨率。

(2)要有足夠的閃光能量，以保證CCD充分曝光。

(3)高速旋轉(zhuǎn)的土工模型運行到攝影窗口下方和攝影閃光時間必須同步。

2.1 閃光時間

獲得清晰的動態(tài)圖像，必須限制曝光時間，使土工模型的動態(tài)圖像在曝光時間內(nèi)在數(shù)碼相機的CCD靶面上移動距離ΔL小于0.05mm，以獲得20線/mm以上的動態(tài)分辨率。ΔL可按以下公式計算:

式中:ΔL為土工模型的動態(tài)像在曝光時間中移動的距離;v為土工模型的線速度;Δt為曝光時間，即高速閃光儀的閃光時間;m為攝影放大率，m=h/H，其中h為底片長度，H為土工模型的長度。

根據(jù)上式經(jīng)計算可知:對于CKY－200型土工離心機的最大線速度92m/s(200 g)，Δt≤15.1 μs即可滿足CCD清晰成像的條件。我們研制的高速閃光儀的閃光半寬度為4.5μs，閃光時間小于9μs，因此完全能夠滿足使用要求。離心加速度越小，土工模型線速度越低，動態(tài)分辨率越高，圖像越清晰。

2.2 閃光能量

在攝影時必須有足夠的曝光量，才能使相機CCD靶面曝光充分，得到清晰的圖像。所使用數(shù)碼相機的感光度可以達到ISO1600，1勒克斯·秒(Lx·s)左右的曝光量就能使CCD靶面充分曝光。由于閃光儀閃光時間只有幾個微秒，因此閃光儀必須有足夠的放電功率，才能使土工模型表面有足夠的照度。所用的閃光儀可達到兆瓦的放電功率，通過聚光裝置，在土工模型表面可獲得高達數(shù)百萬勒克斯的瞬時照度。實際拍攝時選用f 5.6的光圈，CCD靶面上的照度可以達到幾十萬勒克斯以上，滿足拍攝要求。在照度足夠的條件下，相機光圈應(yīng)盡量小，以獲得盡量長的景深。

2.3 同步控制

由于普通相機快門的開關(guān)是機械動作，速度相對較慢，很難做到和高速旋轉(zhuǎn)的土工模型同步。采用提前打開相機電子B門的方式，高速旋轉(zhuǎn)的土工模型到達攝影窗口下方與攝影同步的問題就變成了高速旋轉(zhuǎn)的土工模型到達攝影窗口下方與閃光燈閃光之間的同步問題。

同步的實現(xiàn)取決于閃光燈觸發(fā)回路的重復(fù)性，只要電路的重復(fù)性好，就能夠通過調(diào)節(jié)位置傳感器的位置達到同步的目的。如果觸發(fā)回路的響應(yīng)時間非常小，其重復(fù)時間的絕對誤差必然很小。觸發(fā)回路的響應(yīng)時間取決于位置檢測傳感器的響應(yīng)時間、放電控制回路的響應(yīng)時間及放電開關(guān)的導(dǎo)通時間。采用高精度磁感應(yīng)器件作為位置檢測傳感器，響應(yīng)時間為納秒級。放電控制回路采用全硬件的高速分離元件設(shè)計，每個分離元件的響應(yīng)時間都在納秒級范圍內(nèi)。采用大功率高速閘流管作為放電開關(guān)，其導(dǎo)通時間小于1μs。整個電路的響應(yīng)時間只有2μs左右，在這個時間內(nèi)對于100m/s線速度的土工模型僅位移 0.2mm左右。經(jīng)過試驗，證明觸發(fā)回路的重復(fù)性很好，能夠?qū)崿F(xiàn)同步控制。

3 在土工離心機中的應(yīng)用

在土工離心模擬試驗中，位移是一個重要的物理量。對位移的測量包括電氣測量及攝影測量，其中電氣測量采用接觸式傳感器(如電位計和LVDT)和非接觸式傳感器(如激光位移傳感器)。接觸式傳感器在測量豎向位移時，傳感器本身的重量在高離心加速度下成為荷載，對測試結(jié)果有影響，非接觸式傳感器在測量豎向位移時則無此缺點，電氣測量每個傳感器只能測量一個點。攝影測量能夠測試整個壓縮面，并具有非接觸及直觀等優(yōu)點。

鑒于攝影系統(tǒng)的諸多優(yōu)點，電氣工程師們?yōu)檠兄颇軌驅(qū)崟r拍攝土工離心模型圖像的攝影系統(tǒng)付出了很多努力。早期常用的方案為:把照相機放置于吊籃內(nèi)，隨模型一起旋轉(zhuǎn)，照相機與模型相對靜止，同時承受離心加速度，這種攝影方式與地面上的普通攝影基本相似，人在地面遙控拍攝。這種方式的缺點是:當(dāng)離心加速度超過50 g時照相機快門便不能打開，攝影系統(tǒng)無法工作，同時限于吊籃尺寸有限，物距小，圖像的變形非常大，對測試結(jié)果有較大影響。定點高速閃光攝影系統(tǒng)的相機安裝在機室頂部，不承受離心加速度，并且物距比較大，圖像變形小。

中國工程物理研究院總體工程研究所研制的定點高速閃光攝影系統(tǒng)已成功應(yīng)用于西南交通大學(xué)土工離心機、長安大學(xué)土工離心機、同濟大學(xué)土工離心機、長沙理工大學(xué)土工離心機、浙江大學(xué)土工離心機。

通過在高壓絕緣、電磁防護、干擾濾波、電路優(yōu)化、布局優(yōu)化等方面的持續(xù)改進，定點高速閃光攝影系統(tǒng)在土工離心機中的應(yīng)用逐步成熟。

長江科學(xué)院攝影系統(tǒng)于2009年12月安裝調(diào)試完畢，在5 g，10 g，30 g，50 g，80 g，100 g，150 g，200 g的條件下都獲得了完整清晰的圖像，系統(tǒng)自動化程度高、操作方便、工作可靠。在離心機運行到200 g時拍攝的土工模型圖像如圖4所示。

圖4 土工模型的動態(tài)圖像Fig.4 Dynamic image of geotechnical model at 200 g

4 結(jié)論

與其它攝影系統(tǒng)相比，定點高速閃光攝影系統(tǒng)更適合于土工離心機的特殊環(huán)境。定點高速閃光攝影系統(tǒng)綜合了光學(xué)、高壓電路、數(shù)字電路、模擬電路及計算機軟件技術(shù)。通過計算，閃光脈寬小于圖像清晰所需脈寬，動態(tài)分辨率高于圖像清晰所需動態(tài)分辨率;閃光照度大于充分曝光照度;觸發(fā)電路重復(fù)性好。多臺土工離心機定點高速閃光攝影系統(tǒng)的實際拍攝動態(tài)圖像完整、清晰證明了其設(shè)計的合理性。通過持續(xù)改進，定點高速閃光攝影系統(tǒng)在土工離心機中的應(yīng)用逐步成熟。

［1］林 明，王新倫，馮曉軍，等.60 g-t土工離心機電氣系統(tǒng)設(shè)計［J］.兵工自動化，2004，23(1):58－60.(LIN Ming，WANGXin-lun，F(xiàn)ENG 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 ))