電子快門對常規戰斗部實驗的影響＊

唐孝容，高 寧，張光升，郝建中，林 俊

（中國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防科技重點實驗室，四川綿陽 621900）

0 引言

拍攝高速流逝過程是爆炸、撞擊等實驗研究中最常用的診斷方法之一。高速試驗件在著靶前的速度和姿態，著靶后的變形膨脹、破壞和反應產物的飛散等的時間空間信息，最終要依靠光學設備捕捉，并據此對彈擊靶時所產生的力學、物理、化學過程進行直觀的綜合分析［1－2］。傳統的機械式轉鏡式高速相機在爆炸實驗中的應用已相當廣泛，攝影頻率可達到上千萬幅頻［3－4］，但相對記錄時間較短，不能給出試驗件在較長距離上的運動姿態和擊靶過程。利用Speed Cam VISARIO數字化相機可成功拍攝到子彈飛行過程及炸藥爆炸過程［5］，但隨著研究項目的深入和研究領域的拓展，該相機的攝影頻率、曝光時間和感光度稍顯不足。APX－RS高速數字化攝像機在記錄時間、攝影頻率和曝光時間等方面具有較強的優越性，適用于在碰撞過程中所產生的產物形成和飛散等過程的研究，目前被廣泛應用于各種常規戰斗部實驗中［6］。

FASTCAM－APX RS高速數字化攝像機主要應用于動態高速攝影，其主要的技術特征是采用了高感光靈敏度、高分辨率傳感器技術，具有“重點關注區域”的功能［7］。它具有如下特點：a）擁有百萬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250，000fps）發揮出主要基本功能；b）通過實時視頻輸出以及其易操作的遠程手控面版使得用戶能及時捕捉高速運動的物體；c）APX RS的一體設計保證它能夠通過高速數字式界面，結合簡單易操作的控制軟件與計算機連接，形成記錄的影像，APX RS處理系統可以提供簡單的方式對捕捉到的快速運動事件進行分析，這是一般系統很難達到的；d）這種最新的記錄科技更有利于捕捉高速運動物體的影像以及在后期進行慢動作觀測、運動分析及影像處理應用。文中利用FASTCAM－APX RS攝像機的優勢采用不同的幅頻和曝光時間，驗證了電子快門對常規戰斗部實驗的影響。

1 動態實驗設計及結果分析

針對不同加載速度，選用不同質量、不同速度的目標拍攝物進行了兩種加載方式的動態實驗設計：1）運動物體為步槍子彈，由56式半自動步槍發射，出口速度約為700～800m／s，主要觀測在攝影機采用不同幅頻和電子快門條件下子彈擊靶狀態；2）運動物體為2kg左右的大質量彈丸，通過航炮發射，出口速度不高于100m／s，觀測其出炮膛后的飛行姿態。

1.1 步槍實驗及結果

利用FASTCAM－APX RS高速數字化攝像機拍攝半自動步槍發射子彈的飛行過程，采用不同的幅頻和曝光時間，驗證電子快門削弱物體運動動態模糊和在場外使用該攝像機的照明條件。步槍實驗共3發，各發實驗中攝像機的參數設置見表1。

表1 各發實驗攝像機參數設置

圖1 2×104幅／s，5μs電子快門，無光源照明

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，無電子快門，無光源照明（彩色）

圖5 0.5×104幅／s，10μs電子快門，無光源照明

圖6 1×104幅／s，4μs電子快門，無光源照明

從圖中可以看出：1）彩色攝像機在曝光時間較長的情況下，將會出現運動模糊現象，但采用外加光源和電子快門相結合的方式，則可以有效消除彩色攝像機幅頻設置為1×104～2×104幅／s之間時拍攝到的物體運動模糊現象；2）黑白攝像機在不使用外加光源和較長曝光時間的前提下仍能較好地削弱動態模糊，這表明了黑白攝像機感光度較彩色攝像機高數倍。

1.2 航炮實驗及結果

利用FASTCAM－APX RS高速數字化攝像機拍攝航炮加載下彈丸與彈托的分離過程，采用相同幅頻和不同曝光時間，不采用外加光源以驗證電子快門削弱物體運動動態模糊。航炮實驗共2發，各發實驗中攝像機的參數設置見表2。各發實驗結果如圖7所示。

表2 各發實驗攝像機參數設置

圖7 低速大彈丸的飛行姿態

由圖7可知：該影像能清晰地分辨出炮口火焰的擴散、彈丸的飛行姿態以及高溫火藥渣的飛散過程。

2 結論

通過上述實驗及結果分析，采用合適的電子快門，FASTCAM－APX RS高速數字化攝像機能夠滿足高速動態攝影的要求，可以獲得清晰的實驗圖像，為相關的物理規律研究提供依據，該攝像機可以作為今后各類動態實驗中有力的高速攝影工具。

［1］陳智剛，侯秀成，李守蒼，等.高速破甲彈破甲穩定性數值模擬與實驗研究［J］.彈箭與制導學報，2009，29（1）：128－129.

［2］盧湘江，李向榮，張慶明.破片戰斗部打擊下導彈毀傷評估仿真［J］.彈箭與制導學報，2008，28（6）：83－85.

［3］譚顯祥.光學高速攝影測試技術［M］.北京：科學出版社，1992：1－5.

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

［5］肖正飛，李劍，劉寧文，等.Speed Cam VISARIO高速數字相機在爆炸試驗中的應用［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.