高速摄像技术(high speed video technique)采用跟踪每一颗粒运动规律的方法,来求得流场中运动颗粒的位置、位移、速度和轨迹,而且不受流场中颗粒密度分布的影响,适合测量较低颗粒密度的流场颗粒运动,用于微观层次上捕捉流场的运动信息。高速摄像技术作为一种全新的高速瞬发过程的测试记录手段出现于20世纪70年代,从开始出现就引起了研究人员和潜在用户的高度重视。随着电子技术、计算机技术、微加工技术以及新型传感器和大容量存储技术的发展,高速摄像系统的性能已有大幅度提高,有些高速摄像系统的拍摄速率可达250 000帧/秒以上,曝光时间可达10-6 s,甚至更快。
利用高速摄像系统对全流场颗粒进行跟踪测量的方法,是通过摄像系统在一定的时间间隔下拍摄并获得颗粒运动的系列图像,通过同一颗粒在相邻两帧图像中的位差进行拍照取像。高速摄像系统通常由实验流场、普通光源、高速摄像机、图像卡以及PC计算机记录系统构成,如图8-6所示。
图8-6 高速摄像系统示意图
图8-7 高速摄像机构成原理图
高速摄像机是高速摄像系统的核心硬件部分,高速摄像机通常由以下几部分构成(图8-7)。①高速摄像头:主要由图像传感器和光学系统组成。②模拟信号数字转化单元:由A/D转换器及相应电路构成,功能是将图像传感器输出的模拟信号转换为数字信号,以便能够实现数字存储和计算机处理。③驱动及控制电路:由时序产生电路等构成,功能是为CMOS芯片提供正确的驱动脉冲,控制整个系统协调工作。④大容量存储器(高速记录系统):早期的存储器主要由高密度磁带或磁盘构成,现已基本由半导体随机存储器或海量外部存储设备等代替。
高速CCD摄像机通常由半导体动态随机存储器(DRAM)完成图像的记录,事后转存至易于长期存储的光盘、磁盘等存储介质。由于采用了半导体存储器,高速摄像记录系统可工作在开机等待状态。在此状态下,传感器以预置的拍摄频率连续不断地采集图像,并且持续地向存储器读入。而存储器的作用像一个循环缓冲器,不断用最新采集的图像覆盖存储器中最先存入的图像。高速摄像系统一旦接收到触发信号,便记录下写入DRAM的图像信息。触发形式可以通过手动,也可以通过开关、声音、辐射、电压变化等实现。采用DRAM作为存储介质,高速摄像机可实现多种记录控制模式,包括:记录模式、记录-停止模式、记录-触发模式、记录-再触发模式、外同步记录模式等。
需要指出的是,以上是基于动态随机存储器为记录介质的高速摄像机的主要记录控制模式,对于某一特定的摄像机系统,并不一定具备所有的记录方式。所以在选择高速摄像系统时,应根据使用要求选择具备合适记录方式的摄像机。
图8-8 APX RS型高速摄像仪
图8-8为Photron公司生产的APX RS型高速摄像仪(high speed camera),图8 -9为使用该高速摄像仪拍摄的液柱(内通道)在不同气速的同轴气流(外环隙)下的破裂和雾化的过程,拍摄速度为3 000 fps(帧/秒),图像分辨率为1 024×1 024。
图8-9 高速摄像仪拍摄的不同外环气速下气液同轴射流照片
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