超重力环境下高速相机测试平台研制_刘代峰.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 4 期 2023 年 4 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.4 Apr.2023 收稿日期:2022-12-14 基金项目:国家自然科学基金基础科学中心项目（51988101）作者简介:刘代峰（1993），男，山东济南，硕士，实验师，主要研究方向为超重力机载实验装置，。引文格式:刘代峰，闫子壮，柳景淳，等.超重力环境下高速相机测试平台研制J.实验技术与管理,2023,40(4):156-161.Cite this article:LIU D F,YAN Z Z,LIU J C,et al.Development of high-speed camera test platform in high gravity environmentJ.Experimental Technology and Management,2023,40(4):156-161.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.04.023 超重力环境下高速相机测试平台研制 刘代峰1,2，闫子壮1,2，柳景淳1,2，施昌宇1,2（1.浙江大学 超重力研究中心，浙江 杭州 310058；2.浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州 310058）摘 要：该文研制了一套可应用于离心超重力实验环境的高速相机的测试平台，设计了稳定、可靠、能溯源的图像信号发生装置，可适配高速相机不同的拍摄工况，用于图像质量评价。结合实际工程需求，通过常重力和超重力环境下高速相机的性能测试实验，评估了不同工况下的相机成像质量，验证了测试平台的稳定性和可靠性，为高速相机在超重力环境中的实际应用提供了实验依据和技术支持。关键词：高速相机；超重力环境；图像评价；测试平台 中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)04-0156-06 Development of high-speed camera test platform in high gravity environment LIU Daifeng1,2,YAN Zizhuang1,2,LIU Jingchun1,2,SHI Changyu1,2(1.Hypergravity Research Center,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;2.Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering of Ministry of Education,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)Abstract:In this paper,a set of high-speed camera test platform that can be applied to the centrifugal gravity experiment environment is developed.A stable,reliable and traceable image signal generation device is designed,which can adapt to different shooting conditions of high-speed camera and can be used for image quality evaluation.According to the actual engineering requirements,the camera imaging quality under different working conditions is evaluated through the performance test experiments of high-speed camera under constant gravity and high gravity environment,and the stability and reliability of the test platform is verified,providing experimental basis and technical support for the practical application of high-speed camera in high gravity environment.Key words:high-speed camera;high gravity environment;image evaluation;test platform 与常重力相比，超重力实验具有时空缩尺和加速相物质分离效应，为研究多相介质演变开辟了新途径，为解决工程问题提供了新手段，因而广泛应用于材料科学、地质科学和岩土工程等不同的领域1-2。由离心机搭载实验装置可实现超重力场与多物理场耦合，使得离心超重力实验的研究领域不断拓宽，其中高速摄像技术已成为超重力场下爆破工程、颗粒流、雨滴运动轨迹等不同学科问题的重要研究方法3-4。高速相机可以在短时间内对高速运动的目标进行多次采样，记录清晰的画面5-6。通过事后慢速回放，应用数字图像算法处理工具，可实现运动目标位移、速度、加速度、角度、角加速度、长度、形变等参数的测量和数据分析7-8。为提高影像信息分析结果的质量和间接测量的精度，除提高帧频外，还应提高图像的成像清晰度9-10。高速相机多使用 CMOS 图像传感器，在百万像素分辨率下的拍摄速度可达 1000 f/s 以上，并且通过缩减分辨率还可以进一步提高帧频，以满足各种拍摄需求11-12。基于国家重大科技基础设施项目“超重力离心模拟与实验装置”的研究需求，评估高速相机在离心模 刘代峰，等：超重力环境下高速相机测试平台研制 157 拟超重力场下的性能参数是亟待解决的问题。构建真实的应用拍摄场景耗时耗力、成本高、可重复性差，而且没有标准化的参考指标，不能定量地评价成像效果。因此需要研制一套可应用于离心超重力实验环境，以稳定、可靠、能够溯源的图像信号发生装置为主体，可适配高速相机不同的拍摄工况，并有图像评价标准的实验测试平台。1 平台系统设计 1.1 设计指标 高速相机成像光学系统的设计要根据运动目标的活动范围和检测精度，计算成像视场大小和分辨率，确定满足要求的拍摄速度和曝光时间，选择适当的相机、镜头和照明光源，得到成像效果最佳的图像13。视场是指相机所拍摄的物方空间大小，各方向的视场（F）可由下式计算：Fabcd=+（1）式中，a 为目标动态移动的最大尺寸；b 为位置容差；c 为边界余量；d 为相机芯片横纵比调整值。空间分辨率由相机芯片和视场共同决定，空间分辨率（Rs）是保证检测精度（）的重要因素，可由下式计算：s11510R=|（2）由下式计算满足要求的相机分辨率（Rc）：csFRR=（3）镜头选取的两个重要参数是焦距和工作距离（物距），相机靶面尺寸（L）、焦距（f）与视场（F）、物距（u）的关系如下：LFfu=（4）相机靶面尺寸（L）的计算公式为 csLRC=（5）式中，Cs为相机的像元尺寸。同时，所选配镜头的靶面尺寸应大于或等于相机的靶面尺寸。相机高帧率捕捉运动场景，并通过超慢速播放将动态瞬间还原，单位时间采集图像的密度由运动分析的需求决定。为了避免产生重影、拖尾等模糊的图像，运动目标单个曝光时间所产生的位移须小于单个像素的实际尺寸。根据“超重力离心模拟与实验装置”国家重大科技基础设施项目记录高速运动目标和实验现象的需求，实验测试平台应满足以下实验环境和测试指标：（1）超重力实验环境的最大离心加速度达到100 g；（2）视场不小于 400 mm200 mm（长宽）；（3）物距 100500 mm 可调；（4）被测相机的最高分辨率不小于 19201080；（5）被测相机的最高拍摄速度不小于 1000 f/s；（6）运动目标的最高模拟速度不小于 40 m/s。1.2 系统组成 高速相机测试平台集拍摄单元、图像信号发生装置和光照单元于一体，如图 1 所示。测试平台采用箱体式基座安装形式，为高速相机提供密闭的拍摄环境，同时也提高了机械安全防护的等级。由于高速摄像的曝光时间极短，因此选用发光功率大、无频闪的 LED灯作为辅助光源，为相机提供足够的曝光亮度。测试平台预留多组相机螺钉固定孔，满足被摄目标到镜头100500 mm 可调物距的设计要求。图 1 高速相机测试平台三维模型 图像信号发生装置结构如图 2 所示。伺服电机的转速由西门子 S7-1200 PLC 和 V90 驱动器组成的控制系统控制，最高转速为 4000 r/min，速度控制精度可达 0.1%。伺服电机驱动标准圆盘靶面旋转，产生高速动态稳定的图像。装置采用一体化电机支座，保证伺服电机和传动轴良好的安装同轴度。传动轴两端采用双角接触轴承的布置方案，可以承受较大的径向载荷和轴向载荷，提高了整套传动机构的强度和刚度。图 2 图像信号发生装置结构组成 158 实 验 技 术 与 管 理 在满足测试平台功能要求的基础上，部署多传感器状态监测系统，以便更好地了解平台运行状态和性能参数：低照度工业摄像头实时监控平台的实验进程，起到安全防范的作用；伺服电机配装有单圈绝对值编码器，实现对圆盘靶面转速的反馈和控制；使用激光位移计对高转速、超重力环境工况下的圆盘靶面的振动情况进行监测；在圆盘靶面和高速相机的安装区域，均配置有 X、Y、Z 三个方向的单轴向加速度传感器，用于监测不同工况下平台的振动情况。1.3 结构校核 箱体式基座、法兰及圆盘靶面均采用轻质铝合金6061-T651 材料，屈服强度可达 245 MPa。传动轴、轴承座采用 45 钢，屈服强度可达 355 MPa，其调质处理工艺进一步提高了传动轴的抗弯及抗扭强度。使用ANSYS Workbench 软件对整套测试平台进行超重力环境下的静力学仿真分析，施加如图 3 所示的 100 g重力加速度。图 3 加速度施加示意图 箱体式基座及图像信号发生装置的应力、应变云图分别如图 45 所示。箱体式基座顶部盖板最大等效应力为 17.24 MPa，最大变形为 0.50 mm；图像信号发生装置的圆盘最大变形量为 0.013 mm，最大轴套等效应力为 20.57 MPa，材料强度具有较高的安全系数。图 4 箱体式基座静力学仿真 图 5 图像信号发生装置静力学仿真 1.4 运动目标 选用 USAF1951 分辨率板作为高速相机成像质量评价的运动目标，分辨率板安装固定在圆盘靶面上，如图 6 所示。分辨率板使用玻璃基底材料制作，最大分辨率为 228l p/mm，即 2.2 m 的检测精度，适用于对各类光学仪器设备和镜头的分辨率和成像系统的畸变做评估。图 6 分辨率板安装示意图 刘代峰，等：超重力环境下高速相机测试平台研制 159 分辨率板外形尺寸为 25 mm25 mm，在伺服电机4000 r/min 转速的驱动下，最大线速度可达 42 m/s，高速相机通过拍摄窗捕捉分辨率板的动态图像。分辨率板的不同分辨率单元使用对应的组和元素标记，可以通过查表 1 得出每个单元对应的分辨率。表 1 分辨率对照表 m 组编号 元素 0 1 2 3 4 5 6 7 1 500 250 125 63 31 15.6 7.83.92 445 223 111 56 28 13.9 7.03.53 397 198 99 50 25 12.4 6.23.14 354 177 88 44 22 11.1 5.52.85 315 157 79 39 20 9.8 5.02.56 281 140 70 35 18 8.8 4.42.2 2 实验测试分析 2.1 实验系统搭建 基于视场、物距和图像分辨率的要求，通过计算分析选择合适的相机、镜头和光源，构建成像光学系统。同时配置监控摄像头、电机编码器、位移和加速度传感器，对测试平台不同工况的稳定性和可靠性进行监测评估，保证相机测试实验的真实性和准确性。测试平台如图 7 所示。注：1-监控摄像头；2-加速度传感器；3-LED 光源；4-激光位移计；5-伺服电机；6-圆盘靶面；7-高速相机。图 7 高速相机测试平台实物图 系统控制系统如图 8 所示。上位机触摸屏软件通过交换机与西门子 PLC 和伺服电机驱动器进行通信控制，软件功能集成手动和自动两种模式：手动页面用于零点回位和正向、反向点动；自动页面可设置加速度、目标转速和运行时间，实时显示速度-时间曲线。选用千眼狼 Mini 系列 M220 高速相机作为测试对象，此款相机配有 CMOS 图像传感器，像元尺寸为10 m，最大分辨率为 19201080，满画幅最高拍摄速度可达 2000 f/s。针对超重力环境的测试工况，相机内部结构连接处灌有热封胶，起到导热、减震和支撑的作用，相机本体及镜头采用金属外壳包裹支撑，提高了产品的稳固性和抗冲击性（图 9）。图 8 高速相机测试平台控制系统 注：1-相机本体；2-镜头支架；3-镜头；4-相机底座。图 9 M220 高速相机 2.2 离心超重力实验 浙江大学 ZJU400 土工离心机结构如图 10 所示，最大旋转半径为 4.5 m，电机带动吊篮绕主轴做圆周运动模拟超重力，有效载重 400 gt（能力容量），最高离心加速度可达 150 g14-16。高速相机测试平台机械主体部分安装于吊篮模型平台处，驱动柜放置在地面控制室内，通过离心机滑环完成供电和信号传输。图 10 ZJU400 土工离心机 通过上位机触摸屏软件输入指令，远程控制圆盘靶面的转速，使分辨率板达到预设的线速度。千眼狼M220高速相机控制软件与相机通过以太网进行通信，可设置分辨率、帧率、曝光时间等拍摄参数，按照触160 实 验 技 术 与 管 理 发指令捕捉分辨率板的动态图像。根据实际需求，本次实验设置高速相机拍摄物距为 300 mm、帧率 2000 f/s、曝光时间 4 s、满画幅解析度为 19201080，选用焦距 12 mm 的 C 型接口镜头，由式（4）和（5）可计算视场大小达 480 mm270 mm。设置离心机处于待机状态，高速相机在分辨率板静止状态和线速度为 42 m/s两种工况下进行动态图像采集，完成常重力环境下的测试。然后启动离心机，依次设置超重力离心加速度为 10 g、20 g、30 g、100 g，在设定离心加速度 G 值下待离心机转速稳定，高速相机分别记录分辨率板静止状态和线速度为42 m/s 工况下的动态图像。监测系统的传感器在整个实验过程中同步进行数据采集。全程监控录像表明：光源、图像信号发生装置的电气及机械部件在离心加速度 100 g 超重力环境内均能正常工作。由伺服电机编码器反馈数据得知，西门子 PLC、驱动器及伺服电机之间的通信正常，电机转速控制稳定。在圆盘靶面 4000 r/min 高速旋转的工况下，圆盘和高速相机安装区域的 Z 向振动加速度曲线如图 11所示，数据表明：两区域的振动差异不大，振动频率与圆盘转速频率一致，最大振动加速度仅有 0.5 m/s2，并且随着离心加速度 G 值的上升，平台的振动情况将进一步减弱。图 11 振动加速度曲线 圆盘靶面在高 G 值、高转速工况下的稳定运转是产生稳定、可靠、可溯源分辨率板动态图像的重要前提。在圆盘靶面 4000 r/min 高速旋转的工况下，激光位移计所采集到的圆盘振动数据如图 12 所示，数据表明：圆盘振动频率与转速频率一致，单向振幅仅约0.15 mm；随着离心加速度 G 值的上升，圆盘靶面振动幅值没有明显变化，运转稳定。图 12 圆盘抖动曲线 以上数据表明，测试平台的图像信号发生装置及光照单元在高转速和高离心加速度的工况下运转稳定、性能可靠，为后续高速相机测试实验的真实性和准确性奠定了基础。不同离心加速度 G 值下，高速相机在分辨率板静止状态和线速度为 42 m/s两种工况下记录的动态图像经过裁剪后如图 13 所示。对照表 1，目视判别高速相机在图像中所能表征到的最小分辨率单元，对比分析可知：在上述实验条件下，高速相机所能表征的最小分辨率单元为（0,6），检测精度达 0.281 mm；同一离心加速度 G 值下，分辨率板静止状态和线速度 42 m/s两种工况下，相机捕捉到的动态图像基本无任何差异，无重影拖尾现象；随着离心加速度 G 值上升直至 图 13 运动目标图像 刘代峰，等：超重力环境下高速相机测试平台研制 161 100 g，相机捕捉到的动态图像分辨率等级与常重力环境工况下的图像基本一致。3 结语 本文研制的实验测试平台适用于振动、超重力等极端实验环境下的高速相机性能测试。平台节省了构建真实拍摄场景的经济和人力成本，加快了相机性能测试和验证的过程，提高了实验效率，基于多传感器信息感知的监测系统，能够保证相机测试实验的真实性和准确性。平台可作为图像质量评价装置，为光学系统中相机、镜头、光源的选型和使用提供技术支持，具有一定的应用前景和价值。通过常重力和超重力环境下的高速相机测试对照实验，表明高速相机在离心加速度 100 g 超重力场内可以正常工作，与控制软件通信传输可靠，各项性能参数稳定，能够应用于超重力实验研究。基于研制的高速相机测试平台，后续将进行光源照度、物距、焦距、帧率、曝光时间和分辨率等参数的匹配分析，为超重力环境下高速相机的工程应用提供充实的实验依据和技术参考。参考文献(References)1 陈云敏.离心超重力实验：探索多相介质演变的革命性手段J.浙江大学学报（工学版），2020,54(4):631632.2 罗博宇，朱玉婷.离心机技术在岩土工程领域应用的研究进展综述J.人民珠江，2016,37(12):5760.3 鄂林仲阳，杜强，王玉军，等.振动-离心复合下土工离心机 的工作模态试验分析J.装备环境工程，2019,16(10):105109.4 黎启胜，许元恒，罗龙.科学试验用离心机发展综述J.装备环境工程，2015,12(5):110.5 杨志伟，王良明，张喜峰，等.双高速摄像机交汇的高旋弹丸位姿估计算法及误差分析J.国防科技大学学报，2022,44(2):7179.6 高浩鹏，张姝红，冯麟涵.水下爆炸作用下高速摄像机抗冲隔振系统设计与动态特性分析J.振动与冲击，2017,36(9):209213.7 王毅，王子初.高速摄像机拍摄速率校准方法研究J.计测技术，2014,34(6):5861.8 王斌，贾粉粉.高速摄像机测试目标运动轨迹的精度分析J.测试技术学报，2014,28(1):5963.9 戴志远.基于高速相机的终点弹道参数测试技术研究D.西安：西安工业大学，2022.10 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