定點高速閃光攝影技術在土工離心機中的應用

王新倫，趙文凱，林 明，程永輝

(1.中國工程物理研究院 結構力學研究所，四川綿陽 621900;2.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

近年來土力學基本理論的發展及巖土工程設計水平的提高，對土工離心機的設計提出了新的要求。由于實時攝影具有非接觸、直觀等測量優點，許多土工離心機技術研究人員提出了研制攝影系統的要求。如何拍攝到高速旋轉土工模型完整清晰的動態圖像是攝影系統研制的關鍵。由于模型高速旋轉，采用普通的攝影方法很難獲得動態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濟實用的方法。本文以長江科學院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用的情況。

1 定點閃光攝影系統原理

定點高速閃光攝影系統的安裝如圖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;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臂的下面，霍爾傳感器安裝于機座上。攝影時首先關閉機室燈，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，動態圖像越清晰。當高速旋轉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

為保證系統的快速響應能力，采用全硬件設計同步控制電路。硬件原理如圖2所示。系統由高速閃光儀、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計。閘流管具有導通時間短、電流上升時間短、負載能力強及導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，通過特殊設計其電感非常小;整個放電回路的放電時間常數達到微秒級，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計，由光電隔離電路、電子開關、放大電路及閘流管觸發變壓器等組成。電子開關未解鎖時，位置傳感器(霍爾傳感器)信號與觸發回路隔離;電子開關解鎖時，位置傳感器信號與觸發回路連通。

閃光檢測電路采用光敏三極管加驅動電路的形式設計。短脈沖氙燈閃光后，閃光檢測電路將光脈沖轉換成電脈沖，反饋到計算機，組成閉環控制。

1.2 軟 件

攝影系統監控程序主要完成攝影的時序控制，并用于照片序號、攝影時間及相應加速度值的記錄。采用Windows環境下面向對象程序語言進行設計，遵循了通用性與方便性、實時性、可靠性的程序設計原則。攝影系統監控程序流程圖如圖3所示。

圖3 攝影系統監控程序流程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，當充電電壓為10 kV左右時通過計算機發出“攝影”指令。計算機首先關閉機室照明燈，延時10 s，以消除燈光余輝，然后打開相機B門，延時10 s，再給電子開關送+5 V信號，使電子開關處于解鎖狀態，此時高壓回路的放電僅受位置檢測傳感器觸發信號的控制。當土工模型運行到攝影窗口下方時，位置檢測傳感器發出觸發脈沖，觸發高壓放電回路向短脈沖氙燈放電并閃光，動態土工模型在CCD靶面上成像。然后依次給電子開關上鎖、關相機電子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分析

拍攝完整清晰動態圖像必須滿足以下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

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

式中:ΔL為土工模型的動態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。

根據上式經計算可知: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是機械動作，速度相對較慢，很難做到和高速旋轉的土工模型同步。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。

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

3 在土工離心機中的應用

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點。

鑒于攝影系統的諸多優點，電氣工程師們為研制能夠實時拍攝土工離心模型圖像的攝影系統付出了很多努力。早期常用的方案為:把照相機放置于吊籃內，隨模型一起旋轉，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:當離心加速度超過50 g時照相機快門便不能打開，攝影系統無法工作，同時限于吊籃尺寸有限，物距小，圖像的變形非常大，對測試結果有較大影響。定點高速閃光攝影系統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已成功應用于西南交通大學土工離心機、長安大學土工離心機、同濟大學土工離心機、長沙理工大學土工離心機、浙江大學土工離心機。

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

長江科學院攝影系統于2009年12月安裝調試完畢，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 土工模型的動態圖像Fig.4 Dynamic image of geotechnical model at 200 g

4 結論

與其它攝影系統相比，定點高速閃光攝影系統更適合于土工離心機的特殊環境。定點高速閃光攝影系統綜合了光學、高壓電路、數字電路、模擬電路及計算機軟件技術。通過計算，閃光脈寬小于圖像清晰所需脈寬，動態分辨率高于圖像清晰所需動態分辨率;閃光照度大于充分曝光照度;觸發電路重復性好。多臺土工離心機定點高速閃光攝影系統的實際拍攝動態圖像完整、清晰證明了其設計的合理性。通過持續改進，定點高速閃光攝影系統在土工離心機中的應用逐步成熟。

［1］林 明，王新倫，馮曉軍，等.60 g-t土工離心機電氣系統設計［J］.兵工自動化，2004，23(1):58－60.(LIN Ming，WANGXin-lun，FENG 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 ))