爆炸瞬态拍摄

背景需求

    爆炸是一种极为迅速的物理或化学的能量释放过程。在此过程中，空间内的物质以极快的速度把其内部所含有的能量释放出来，转变成机械功、光和热等能量形态。爆炸一旦失控，就会产生巨大的破坏力而造成重大事故。因此，对爆炸进行研究，采用工业相机监控爆炸中心的形态，更精准地控制每一次爆破的威力、方向，也逐步成为新的科研应用需求。
 

    首先，由于爆炸过程发生在一个极短时间内，如果在威力巨大的爆炸现场，用于拍摄爆炸中心的摄录设备会在爆炸后极短的时间内被损毁，如何在这段极短时间内（例如200μs），记录爆炸中心的形态，并将图像信息传至远方的终端电脑，成为一个关键的技术瓶颈。
    其次，爆炸的瞬时性决定了相机必须在极短的曝光时间内抓拍图像。在这种情况下，控制好曝光时间，并且利用工业相机等抓拍清晰、包含有用信息的图片，才能获得令人满意的结果。

解决方案

方案1：

1、系统连接原理

2、系统配置

3、实物连接

    由于爆破的瞬时性、破坏性，决定了必须在极短时间内完成曝光、抓拍、信号传输这整个过程。
    （1）采用Optronis CL600高速相机的Cameralink Full模式，全分辨率下帧频可达500FPS@1280x1024, 提取兴趣区域（ROI）开窗后，帧频可达到6335fps@256x256，帧间隔最小158μs，应用曝光时间小于40μs时，可在200μs内，相机接触信号，曝光捕获图像并将图像传输至远端。
    （2）为了控制曝光时间、获得理想的成像质量，需要在在相机前端安装图像增强器。图像增强器拥有极快的电光快门（其快门脉冲频率可控制在几纳秒内），可以减少曝光时间、避免模糊，并显著拓宽相机的动态范围；经过图像增强器增强后，装置灵敏度可达到单光子级，获取到更加清晰的理想拍摄效果。下图是Optronis相机安装图像增强器前后的拍摄效果对比，可以看到，安装增强器后，相机能够捕获到更加清晰的喷射火焰细节图。

    1a 图示为气体火焰，光强不高，需要非常短的曝光时间来观察火焰细节。
    1b 图示为标准高速相机以1000fps及1ms曝光时间拍摄该火焰的结果。一方面，需要更长的曝光时间来提高相机灵敏度；另一方面，需要更短的曝光时间来避免模糊。
    1c 图示为增强后高速相机以2000fps及15μs拍摄的图像。增强后的高速相机灵敏度能够以100000fps的帧率拍摄火焰；通过运用图像增强器的电-光快门功能限制曝光时间，使运动图像不再模糊。

    （3）相机捕获图像后，需要运用光纤延长器将信号传送到安全的远端主机：采用光纤延长器PHOX-FL-10，可以提供10Gb/s或是1250MB/s的传输带宽，支持Base/Medium/Full和10tap*8bit模式的 CameraLink相机/图像采集卡，完全可以满足应用需求。

方案2：

                                         装置结构

    如果需要获取同样分辨率下更高帧率的图像，可以考虑使用基于CoaXPress接口的相机系统替代原有的Cameralink接口的相机系统：采用CP80-3-M-540相机获取高分辨率图像，再通过CoaxPress线缆及光纤延长器传输到远端的终端电脑。
    CP80-3-M-540相机分辨率为1696x1708，全分辨率帧频为540fps，位深为8bit；如果需要提高帧率，可以仅提取兴趣区域部分，对相机进行开窗，开窗后，帧率可达13975fps@256x256，远远高于方案1中CL600的6335fps@256x256。在如此高的帧率下，有更充足的时间保存爆炸瞬间爆炸中心的形态信息，便于后续研究。

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