用于高速碰撞過程拍攝的5萬幀攝像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史 魁， 楊洪濤， 彭建偉， 王 浩， 閆阿奇

（1.中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 引 言

高幀頻攝像系統(tǒng)是一種能夠以極大的幀速率捕獲運(yùn)動(dòng)圖像的設(shè)備。它可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的快速采樣，在以常規(guī)速度放映時(shí)，所記錄目標(biāo)的快速變化過程就清晰、緩慢地呈現(xiàn)出來。借助自身與目標(biāo)非接觸的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，高幀頻攝像系統(tǒng)在核探測(cè)、爆轟效應(yīng)、高速碰撞等現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求［1］。為了清晰拍攝某運(yùn)動(dòng)速度達(dá)2 000 m/s的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的碰撞過程，需要研究一種幀頻大于5萬幀/秒的高幀頻攝像技術(shù)。

當(dāng)前具備5萬幀/秒成像能力的圖像傳感器被外國(guó)壟斷，核心技術(shù)受到限制。美國(guó)Phantom公司和日本Photron公司在售的商業(yè)產(chǎn)品中，均有采用單一傳感器實(shí)現(xiàn)幀頻大于5萬幀的超高速攝影數(shù)碼相機(jī)。在遵循核心器件國(guó)產(chǎn)化的原則下，如何使用幀頻不高的國(guó)產(chǎn)成像探測(cè)器實(shí)現(xiàn)5萬幀/秒的高幀頻成為研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)尚無成熟先例。在高速碰撞時(shí)，進(jìn)行近距離拍攝的高幀頻攝像系統(tǒng)的鏡頭可能會(huì)損壞，需要研究一種高幀頻攝像系統(tǒng)鏡頭的防護(hù)技術(shù)［2］。

本文提出采用七組成像單元在順序脈沖的控制下接續(xù)拍攝的方法，設(shè)計(jì)了一種高幀頻攝像系統(tǒng)，研究并設(shè)計(jì)了一種三組保護(hù)窗可移動(dòng)切換的保護(hù)窗組件，解決了振動(dòng)環(huán)境下切換機(jī)構(gòu)自鎖的問題并實(shí)現(xiàn)了大傳動(dòng)比驅(qū)動(dòng)，保護(hù)窗切換的位置可以實(shí)時(shí)反饋。針對(duì)成像單元FPGA的散熱問題，進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)。高幀頻攝像系統(tǒng)樣機(jī)滿足指標(biāo)和實(shí)際使用的要求，具有較高的環(huán)境適應(yīng)性。

2 原 理

由于國(guó)產(chǎn)高幀頻探測(cè)器的型號(hào)稀少，性能有限，調(diào)研后最終所選用長(zhǎng)光辰芯的某國(guó)產(chǎn)高幀頻CMOS探測(cè)器，最高輸出幀頻為7 200 frame/s［3］。

為了實(shí)現(xiàn)5×104frame/s的高速攝像，采用7組成像單元按照一定時(shí)序接續(xù)拍攝成像。7個(gè)成像單元拼接形成的5萬幀與單個(gè)高幀頻攝像系統(tǒng)相比，系統(tǒng)可靠性較高，7個(gè)成像單元中部分成像單元工作異常時(shí)，依然能夠?qū)崿F(xiàn)萬幀級(jí)的高幀頻成像，而單個(gè)高幀頻攝像系統(tǒng)如果工作異常，則可能直接失去成像能力。然而，由于7個(gè)成像單元的拍攝角度不同，所拼接出來的高速視頻流中相鄰的兩幅圖像存在一定差異。

考慮安全裕度，每個(gè)探測(cè)器的幀頻為7 150 frame/s，最終組成大于5×104frame/s的高速攝像視頻流。

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)實(shí)際的使用需求，高幀頻攝像系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）拍攝幀頻≥50 000幀/秒；

（2）成像光譜范圍為可見光；

（3）視場(chǎng)角大于90°×30°；

（4）分辨率為1 600×500；

（5）功耗≤85 W；

（6）質(zhì)量為（6±0.5） kg。

2.2 主要組成

光學(xué)系統(tǒng)由7個(gè)光學(xué)鏡頭構(gòu)成，每個(gè)光學(xué)鏡頭對(duì)應(yīng)1塊高速成像板。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括鏡頭結(jié)構(gòu)及箱體結(jié)構(gòu)，為攝像系統(tǒng)提供支撐和防護(hù)。相機(jī)前端有移動(dòng)切換且可自鎖的保護(hù)窗組件。

高幀頻攝像系統(tǒng)電子學(xué)組件由7個(gè)高速成像單板和1塊控制板構(gòu)成。每個(gè)高速成像單板的幀頻是7 150 frame/s，控制板負(fù)責(zé)完成電源轉(zhuǎn)換、外部通訊和7塊成像板拍攝順序的控制。

圖1 高幀頻攝像系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of high frame frequency camera

圖1所示為高幀頻攝像系統(tǒng)組成。拍攝時(shí)目標(biāo)位于高幀頻攝像系統(tǒng)前方1 m位置，相鄰成像單元的探測(cè)器中心間距為60 mm，為了保證7個(gè)成像單元的圖像有足夠的重疊率，重疊區(qū)域?qū)?yīng)的視場(chǎng)角大于90°×30°。由光學(xué)視場(chǎng)分析得到，兩側(cè)成像單元與最中間成像單元的夾角依次分別為1.7°，3.4°，5.1°，誤差不大于0.1°。

2.3 光學(xué)系統(tǒng)方案

根據(jù)高速攝像機(jī)原理以及技術(shù)指標(biāo)要求，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：

（1）光譜為450～700 nm；

（2）焦距為5.2 mm；

（3）視場(chǎng)角≥92°×35°；

（4）相對(duì)孔徑為F/2；

（5）畸變≤5%；

（6）雜光系數(shù)≤5%。

光學(xué)系統(tǒng)初步的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。光學(xué)系統(tǒng)的中心視場(chǎng)平均MTF≥0.7@77 lp/mm；溫度適應(yīng)范圍為-40～+70 ℃。

圖2 高幀頻攝像系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)Fig.2 Optical system of high frame frequency camera

3 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高幀頻攝像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總體上分為前、中、后3大部分，結(jié)構(gòu)件都采用高強(qiáng)度鎂合金MB15材料。圖3為高幀頻攝像系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)爆炸圖。前部由保護(hù)窗組件、防護(hù)罩和遮光罩組成。針對(duì)保護(hù)窗易被損壞的特殊使用環(huán)境，保護(hù)窗組件有3組可自動(dòng)移動(dòng)切換的保護(hù)窗玻璃，保護(hù)窗架通過兩端的直線導(dǎo)軌固定在主殼體上。為了對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和非工作的保護(hù)窗玻璃形成有效的保護(hù)，保護(hù)窗組件最前面設(shè)計(jì)了一個(gè)防護(hù)罩。在工作的那一組保護(hù)窗的通光口四周設(shè)計(jì)了一個(gè)遮光罩，既可以遮擋視場(chǎng)邊沿的雜散光，又可以對(duì)工作的保護(hù)窗玻璃形成一定的保護(hù)。

圖3 高幀頻攝像系統(tǒng)機(jī)械構(gòu)型爆炸圖Fig.3 Explosive view of mechanical configuration of high frame frequency camera

中部由主殼體及安裝在主殼體內(nèi)部的7個(gè)成像單元組成。7個(gè)光學(xué)物鏡分別固定在對(duì)應(yīng)的成像基板上的一面，成像基板的另一面固定有成像電路板，成像基板通過4個(gè)角上的安裝孔固定在主殼體內(nèi)部。在主殼體的前面板上對(duì)應(yīng)位置開有7個(gè)圓孔，7個(gè)光學(xué)物鏡的頭部從這7個(gè)圓孔中露出來，以獲取視場(chǎng)。在每個(gè)成像單元的后端，緊貼著成像電路板設(shè)計(jì)了導(dǎo)熱裝置，導(dǎo)熱裝置可以將成像電路板上的熱量傳導(dǎo)至主殼體的內(nèi)壁上，達(dá)到散熱的目的。

后部為后蓋板和主控電路板，主控電路板固定在后蓋板上。電接口為3個(gè)對(duì)外的接插件，安裝在主殼體的底面。

4 保護(hù)窗設(shè)計(jì)

在實(shí)際工作過程中，高幀頻攝像系統(tǒng)的前端可能遭受來自拍攝目標(biāo)的打擊，為了保證高幀頻攝像系統(tǒng)前端光學(xué)部分不被損壞從而能夠正常工作，在高幀頻攝像系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)了移動(dòng)切換且可自鎖的保護(hù)窗組件。保護(hù)窗組件有3組保護(hù)窗，當(dāng)鏡頭正前方的一組被損壞，嚴(yán)重影響成像效果時(shí)，可以人工判別并發(fā)送遙控指令，切換至另外一組完好的保護(hù)窗，保證高幀頻攝像系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常工作。

圖4為高幀頻攝像系統(tǒng)前端的移動(dòng)切換且可自鎖的保護(hù)窗組件。保護(hù)窗組件主要包括光窗玻璃、保護(hù)窗架、導(dǎo)軌導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、齒輪齒條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿自動(dòng)鎖緊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、霍爾傳感器位置反饋機(jī)構(gòu)及支撐主殼體［4］。

3組保護(hù)窗玻璃分別固定在保護(hù)窗架上，每一組保護(hù)窗玻璃有7塊石英JGS1玻璃。保護(hù)窗架在齒輪齒條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，由導(dǎo)軌導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)向平移移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)多組保護(hù)窗的移動(dòng)切換。

蝸桿一頭通過兩個(gè)背對(duì)背安裝的角接觸球軸承固定在電機(jī)座上，另一頭通過電機(jī)軸壓板壓緊在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，蝸桿與電機(jī)轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)比為1∶32。蝸桿不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，蝸輪被鎖緊，不能通過外力使蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)并驅(qū)動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，此為自鎖功能。

圖4 移動(dòng)切換且可自鎖的保護(hù)窗Fig.4 Switchable and self-locking protective window component

蝸輪固定在齒輪軸的一頭，齒輪固定在齒輪軸的另一頭。當(dāng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪軸和齒輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒條直線移動(dòng)。齒條的一頭固定在導(dǎo)軌滑塊上，另一頭與保護(hù)窗架的中部固定連接，齒條直線移動(dòng)時(shí)，推動(dòng)保護(hù)窗架移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)窗的平移切換［5］?；魻杺鞲衅靼惭b在保護(hù)窗架與主殼體之間，對(duì)保護(hù)窗移動(dòng)位置進(jìn)行精確反饋。

在電機(jī)選型時(shí)，需要對(duì)所需電機(jī)的最小輸出力矩和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析。由結(jié)構(gòu)組成可知，在驅(qū)動(dòng)移動(dòng)保護(hù)窗時(shí)，齒條輸出的力分兩部分，一部分用來抵抗保護(hù)窗組件移動(dòng)時(shí)的摩擦阻力F1，另一部分力F2用來保證保護(hù)窗組件獲得足夠的加速度。因此，齒條輸出的力為：

保護(hù)窗組件的質(zhì)量m約為1 kg，摩擦系數(shù)μ最大時(shí)為0.95，因此F1為9.5 N。

保護(hù)窗組件的行程最大為0.04 m，切換時(shí)間不大于0.4 s，則所需加速度a為0.5 m/s2，計(jì)算得到F2為0.5 N。因此，齒條的輸出力F為10 N。

由齒輪齒條傳動(dòng)可知，齒輪的分度圓直徑為16 mm，因此齒輪軸的輸出力矩T1為：

蝸桿與電機(jī)軸固定連接，考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦及安全系數(shù)，電機(jī)的最小輸出力矩應(yīng)為蝸桿輸出力矩的2倍，即5 mN·m。

完成一次切換所需的最大移動(dòng)量為0.04 m，對(duì)應(yīng)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)26圈，所需時(shí)間為0.4 s，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程近似為勻加速轉(zhuǎn)動(dòng)過程和勻減速轉(zhuǎn)動(dòng)過程，計(jì)算可得電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速至少為130 rad/s。

經(jīng)分析可得，所選電機(jī)轉(zhuǎn)速為130 rad/s時(shí)，輸出力矩不小于5 mN·m。

5 電子學(xué)熱控措施

高幀頻攝像系統(tǒng)的工作環(huán)境為真空環(huán)境，溫度為-40～+70 ℃，正常情況下最長(zhǎng)工作時(shí)間為10 min。高幀頻攝像系統(tǒng)的總熱耗為71.5 W，每個(gè)成像單元的熱耗為9.5 W，控制電路板的熱耗為5 W。

在極端低溫-40 ℃的情況下，電子學(xué)組件都可以正常開機(jī)工作。對(duì)于保護(hù)窗切換的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，高幀頻攝像系統(tǒng)可在極端低溫工況時(shí)開機(jī)預(yù)熱5 min，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)溫度≥-20 ℃，此時(shí)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)即可接收指令正常運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)保護(hù)窗的切換。

在極端高溫+70 ℃的情況下，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可接收指令正常運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)保護(hù)窗的切換。對(duì)于電子學(xué)組件，成像單元的圖像處理器選用Xilinx公司的K7系列工業(yè)級(jí)FPGA來實(shí)現(xiàn)，選用型號(hào)為XC7K325T-2FFG676I。因限購(gòu)原因，該型號(hào)FPGA只可采購(gòu)到工業(yè)級(jí)型號(hào)，其最高適用溫度不能超過100 ℃。電子學(xué)的其他電子元器件均使用普軍級(jí)，最高適用溫度均不低于125 ℃。無熱控措施下的熱分析結(jié)果表明，電路板上所有器件溫度均不會(huì)超過125 ℃。當(dāng)高幀頻成像時(shí)，成像單元FPGA的使用效率約為60%，功耗約為6 W，發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致自身溫度升高，當(dāng)溫度超過100 ℃時(shí)，F(xiàn)PGA可能損壞，無法正常工作。因此，需要采取熱控措施，將FPGA上的熱量釋放出去［6］。

成熟、高效的主動(dòng)熱控方法通常為風(fēng)冷散熱和制冷機(jī)散熱。該超高幀頻攝像系統(tǒng)用于空間真空環(huán)境下，風(fēng)冷散熱主動(dòng)熱控方法不適用。制冷機(jī)主動(dòng)熱控可以較快地為FPGA降溫，但是制冷機(jī)帶來的體積、質(zhì)量、功耗、成本大幅度增加，會(huì)使得系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)。因此，該系統(tǒng)的FPGA熱控主要以被動(dòng)熱控為主。

2.1.1 暴力行為 患者?；加斜缓ν?、夸大妄想、幻視、幻聽、興奮、行為沖動(dòng)等精神異常癥狀。部分表現(xiàn)為抑郁，此類患者常在幻覺、妄想等精神障礙的支配下發(fā)生突然的沖動(dòng)行為，導(dǎo)致意外的發(fā)生。

主控電路板上FPGA的熱耗為4 W，由于主控電路板固定在后蓋板上，在后蓋板上設(shè)計(jì)了散熱凸臺(tái)，凸臺(tái)與主控板FPGA的外殼緊貼，為了減小接觸熱阻并防止短路，緊貼面上隔一層0.25 mm厚的導(dǎo)熱絕緣墊。主控板FPGA可將熱量傳導(dǎo)至后蓋板凸臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)散熱。

成像電路板上FPGA的熱耗高達(dá)6 W，且成像電路板遠(yuǎn)離主殼體的側(cè)壁，難以將熱量傳導(dǎo)至主殼體上［7］。熱管導(dǎo)熱是比較成熟且適用的被動(dòng)熱控措施，但是定制熱管的成本相對(duì)較高。本文采用另外一種低成本的被動(dòng)熱控措施，即在每個(gè)成像單元上設(shè)計(jì)了一種高導(dǎo)熱石墨導(dǎo)熱裝置［8］，滿足成像單元FPGA散熱的熱控要求。

圖5 高導(dǎo)熱石墨導(dǎo)熱裝置Fig. 5 Heat conduction device composed of high conduction graphite

圖5為高導(dǎo)熱石墨導(dǎo)熱裝置組成。導(dǎo)熱裝置兩頭為導(dǎo)熱率較高的鋁合金6061材料的導(dǎo)熱板。如果導(dǎo)熱裝置為一個(gè)剛性組件，一端與主殼體緊固，另一端與成像電路板上FPGA外殼緊貼，則會(huì)因?yàn)檫^定位造成調(diào)節(jié)光軸夾角時(shí)無法移動(dòng)成像單元，因此在導(dǎo)熱裝置中間設(shè)計(jì)了一段柔性材料［9］。導(dǎo)熱裝置中間的柔性材料采用高導(dǎo)熱石墨板，石墨板采用9張石墨膜疊壓而成，石墨膜的導(dǎo)熱系數(shù)不低于1 300 W/（m·K）。采用石墨板，導(dǎo)熱裝置不但具有柔性結(jié)構(gòu)，還具有極高的熱導(dǎo)率［10］。

圖5中，導(dǎo)熱板1與主殼體的上內(nèi)壁緊貼并固定連接，為了減小接觸熱阻，配合面上涂覆導(dǎo)熱硅脂。導(dǎo)熱板2通過4個(gè)角上的固定孔固定在成像單元基板上，同時(shí)導(dǎo)熱板2與成像電路板緊貼。導(dǎo)熱板2上的U型凸臺(tái)與成像電路板上CMOS探測(cè)器的背面緊貼，配合面上隔一層0.25 mm厚的導(dǎo)熱絕緣墊。導(dǎo)熱板2上U型凸臺(tái)下面的大平面區(qū)域與成像電路板上FPGA的外殼緊貼，配合面上隔一層0.25 mm厚的導(dǎo)熱絕緣墊。圖6為導(dǎo)熱裝置實(shí)物圖。

圖6 導(dǎo)熱裝置實(shí)物圖Fig.6 Physical picture of heat conduction device

6 性能測(cè)試

依據(jù)上述的設(shè)計(jì)與研究結(jié)果，完成整機(jī)加工生產(chǎn)裝配。裝調(diào)完成后的高幀頻攝像系統(tǒng)，成像清晰，高幀頻視頻流穩(wěn)定，保護(hù)窗切換平穩(wěn)流暢，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高。高幀頻攝像系統(tǒng)實(shí)物如圖7所示。

圖7 高幀頻攝像系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.7 Physical picture of high frame frequency camera

6.1 力學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在設(shè)計(jì)階段對(duì)高幀頻攝像系統(tǒng)進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)、沖擊力學(xué)仿真分析。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件如表1所示，沖擊試驗(yàn)條件如表2所示。由分析結(jié)果得到，X向（光軸方向）隨機(jī)振動(dòng)有應(yīng)力最大值，最大應(yīng)力出現(xiàn)在保護(hù)窗架的固定連接根部，為87 MPa。沖擊仿真在X方向有應(yīng)力最大值，最大應(yīng)力出現(xiàn)在主殼體凸耳的根部，為183 MPa。保護(hù)窗架和主殼體均選用高強(qiáng)度鎂合金MB15材料，最大許用應(yīng)力為235 MPa，力學(xué)仿真分析表明設(shè)計(jì)是合理可行的。

表1 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件Tab.1 Random vibration test conditions

表2 沖擊試驗(yàn)條件Tab.2 Impact test conditions

對(duì)裝配好的高幀頻攝像系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)和沖擊力學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)后整機(jī)結(jié)構(gòu)完好，圖像清晰，工作正常。力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，保護(hù)窗沒有因?yàn)檎駝?dòng)、沖擊而移動(dòng)，驗(yàn)證了保護(hù)窗切換機(jī)構(gòu)的自鎖功能。力學(xué)實(shí)驗(yàn)后，保護(hù)窗組件接收指令能夠正常地完成保護(hù)窗的切換，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗力學(xué)性能。保護(hù)窗組件實(shí)物如圖8所示。

圖8 保護(hù)窗組件實(shí)物圖Fig.8 Physical picture of protective window assembly

在力學(xué)實(shí)驗(yàn)前即裝配過程中，通過裝調(diào)使得各成像單元相對(duì)中間成像單元光軸方位夾角的實(shí)測(cè)值接近理論要求，即分別為5.10°，3.40°，1.70°，0°，1.70°，3.40°，5.10°。力學(xué)實(shí)驗(yàn)后，實(shí)測(cè)各成像單元相對(duì)中間成像單元光軸方位夾角，分別為5.17°，3.37°，1.74°，0°，1.73°，3.35°，5.13°。各成像單元光軸夾角實(shí)驗(yàn)前后變化量均小于0.1°，滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了高幀頻攝像系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6.2 熱真空實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)裝配好的高幀頻攝像系統(tǒng)進(jìn)行了熱真空實(shí)驗(yàn)，圖9所示為熱真空實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，控溫點(diǎn)設(shè)置在產(chǎn)品外殼表面的非熱源處。實(shí)驗(yàn)后整機(jī)結(jié)構(gòu)完好，圖像清晰，工作正常。

圖9 高幀頻攝像系統(tǒng)熱真空實(shí)驗(yàn)Fig.9 Thermal vacuum test of high frame frequency camera

實(shí)驗(yàn)過程中，高溫+70 ℃熱透后，高幀頻攝像系統(tǒng)開機(jī)并持續(xù)工作10 min，通過遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)，獲取了各成像單元FPGA內(nèi)部的溫度。表3所示為各成像單元FPGA的溫度隨時(shí)間的變化情況。在10 min內(nèi)，最中間成像單元FPGA的溫度最高，為93 ℃。由表3可知，持續(xù)工作10 min后，各成像單元FPGA的溫度均小于100 ℃，滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

表3 各成像單元FPGA溫度隨時(shí)間的變化Tab.3 FPGA temperature change of each imaging unit with time （℃）

6.3 高幀頻測(cè)試驗(yàn)證

7個(gè)成像單元在順序脈沖的控制下接續(xù)拍攝，每個(gè)成像單元的拍攝幀頻均為7 150 frame/s，相鄰兩個(gè)成像單元的拍照使能信號(hào)間隔均不大于20 μs，所以7臺(tái)相機(jī)每秒共可拍攝50 050幀。

環(huán)境實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)高幀頻攝像系統(tǒng)的幀頻進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)測(cè)得到高幀頻攝像系統(tǒng)的幀頻為500 50 幀/秒。圖10所示為50 050幀下7個(gè)成像單元依次拍攝某LED燈陣的視頻流照片，拍攝時(shí)LED燈陣距離高幀頻攝像系統(tǒng)光窗1 m。

圖10 50 050 幀/秒下7個(gè)成像單元依次拍攝LED燈陣Fig.10 Images of led lights by 7 imaging units in turn at 50 050 frame/s

圖11為50 050幀下7個(gè)成像單元依次拍攝實(shí)物場(chǎng)景的視頻流照片，拍攝時(shí)實(shí)物場(chǎng)景與高幀頻攝像系統(tǒng)光窗的距離為3 m。

圖11 50 050幀/秒下7個(gè)成像單元依次拍攝實(shí)物Fig.11 Images of real objects by 7 imaging units in turn at 50 050 frame/s

7 結(jié) 論

本文針對(duì)5萬幀/秒的高速拍攝需求，提出了采用7組成像單元在順序脈沖的控制下接續(xù)拍攝的方法，設(shè)計(jì)了一種高幀頻攝像系統(tǒng)。選定了光學(xué)系統(tǒng)方案和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成，完成了系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)實(shí)際使用需要，研究并設(shè)計(jì)了一種三組保護(hù)窗移動(dòng)切換的保護(hù)窗組件，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中采用了蝸輪蝸桿，解決了振動(dòng)環(huán)境下的自鎖問題。采用柔性的高熱導(dǎo)率石墨板設(shè)計(jì)了一種中間部分為柔性的導(dǎo)熱裝置，可將FPGA的熱量快速傳導(dǎo)至主殼體上，既解決了在極端高溫+70 ℃下成像單元FPGA的溫度過高的問題，又解決了裝調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中剛性導(dǎo)熱裝置過定位的問題。裝配好的高幀頻攝像系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)測(cè)拍攝幀頻為50 050 幀/秒。對(duì)高幀頻攝像系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了相關(guān)的力、熱實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，保護(hù)窗組件自鎖功能正常，保護(hù)窗組件移動(dòng)切換正常，高幀頻攝像系統(tǒng)成像正常。該高幀頻攝像系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可行，滿足指標(biāo)和實(shí)際使用的要求，有較高的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。

本文的設(shè)計(jì)對(duì)其他航空航天光學(xué)設(shè)備中高幀頻相機(jī)、保護(hù)窗切換和電子學(xué)熱控等的設(shè)計(jì)具有一定的參考和借鑒作用。