謝愛民，黃 潔，宋 強(qiáng)，鄭 蕾，柯發(fā)偉，柳 森

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000）

0 引 言

隨著人類探索太空領(lǐng)域活動(dòng)的日益增多，解體航天器產(chǎn)生了大量速度高達(dá)幾km／s到幾十km／s的碎片，這些超高速度飛行的空間碎片以及太空中速度極高的隕石（類似碎片）對(duì)航天器以及宇航員的安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，因此有必要開展這些空間碎片對(duì)航天器破壞程度的試驗(yàn)研究［1－2］。

在地面上開展大量撞擊速度大于5km／s的超高速碰撞試驗(yàn)是研究航天器抗空間碎片撞擊性能的主要方法之一。在這樣的撞擊條件下，彈丸和靶材會(huì)破碎甚至液化、氣化，形成碎片云。碎片云顆粒的大小、空間分布和發(fā)展變化等直接反映了材料和結(jié)構(gòu)在極高沖擊壓力下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，是改進(jìn)防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升航天器防護(hù)能力的重要依據(jù)。因此，對(duì)碰撞產(chǎn)生的碎片云發(fā)展過(guò)程進(jìn)行記錄分析是其中重要的試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容。試驗(yàn)中，通常用超高速攝影儀器或X光照相系統(tǒng)完整清晰地記錄彈丸撞擊靶材和碎片云形成過(guò)程。為了使每幅圖像不會(huì)因?yàn)橛涗浤繕?biāo)的高速運(yùn)動(dòng)造成模糊，每幅圖像的記錄時(shí)間必須足夠短。在幾十微秒的撞擊過(guò)程中要獲得多幅圖像，超高速攝影儀器的幅頻至少應(yīng)達(dá)到100萬(wàn)幅／s。

目前，美國(guó)、德國(guó)和日本等國(guó)家為了對(duì)高速或超高速目標(biāo)變化過(guò)程進(jìn)行清晰成像，發(fā)展了高速和超高速數(shù)字?jǐn)z影機(jī)，這類攝影機(jī)主要包括2類：第1類使用單CCD的超高速數(shù)字?jǐn)z影機(jī)，這類數(shù)字?jǐn)z影機(jī)受圖像存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)移速度限制，在較高的幀頻時(shí)圖像分辨率將大大下降，甚至因?yàn)榉直媛侍投チ耸褂脙r(jià)值；第2類超高速攝影機(jī)使用多通道CCD，利用微通道板（MCP）技術(shù)，由上千伏高壓驅(qū)動(dòng)微通道板在ns量級(jí)的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)光束選通和像增強(qiáng)，這類超高速數(shù)字?jǐn)z影機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)序列間隔時(shí)間和微通道板的選通時(shí)間，幅頻可以達(dá)到上億甚至百億幅／秒，但目前圖像的像素也都不超過(guò)一百萬(wàn)。如國(guó)外研制的一種型號(hào)為HSFC的超高速數(shù)字相機(jī)，可以在1次試驗(yàn)中記錄4幅或8幅圖像，每幅圖像的曝光時(shí)間最小為10ns，圖像像素分辨率為1024×1024。圖1為利用該相機(jī)獲得的碎片云發(fā)展變化過(guò)程圖像（圖像來(lái)源于該相機(jī)的宣傳冊(cè)）。試驗(yàn)中，對(duì)測(cè)試區(qū)域進(jìn)行了高強(qiáng)度光源照明，在具有強(qiáng)烈自發(fā)光區(qū)域出現(xiàn)了過(guò)度曝光現(xiàn)象［3－7］。

圖1 超高速數(shù)字?jǐn)z影機(jī)獲得的碎片云序列圖像Fig.1 Sequence images of debris cloud gotten by hypervelocity digital camera

為了進(jìn)行超高速碰撞現(xiàn)象研究，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速所運(yùn)用單幅激光陰影照相技術(shù)［2］，在解決了系列衍射和干涉效應(yīng)等影響后成功地獲得了超高速碰撞過(guò)程中清晰的碎片云圖像。在該技術(shù)基礎(chǔ)上，運(yùn)用多光源空間分離技術(shù)等先后實(shí)現(xiàn)了超高速碰撞過(guò)程的2序列、4序列和8序列激光陰影照相，可以在一次試驗(yàn)中清晰獲得微秒級(jí)變化過(guò)程多個(gè)不同時(shí)刻的陰影圖像。

1 單幅激光陰影成像系統(tǒng)

單幅激光陰影成像系統(tǒng)是超高速多序列激光陰影成像系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)，單幅激光陰影成像系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)主要由光源系統(tǒng)、準(zhǔn)直系統(tǒng)和成像系統(tǒng)組成。光源系統(tǒng)發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束后由準(zhǔn)直系統(tǒng)轉(zhuǎn)為平行光束，平行光束穿過(guò)測(cè)試區(qū)域后由成像系統(tǒng)把測(cè)試目標(biāo)的陰影圖像記錄在膠片或者CCD上。圖中準(zhǔn)直系統(tǒng)的準(zhǔn)直透鏡口徑為200mm，其口徑大小確定了整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試視場(chǎng)。因?yàn)榧す夤庠吹拿}寬小于10ns，盡管測(cè)試區(qū)域的測(cè)試目標(biāo)速度達(dá)到5km／s以上，在陰影圖像上不會(huì)因?yàn)槟繕?biāo)的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)明顯的模糊現(xiàn)象。圖中光源和成像物鏡采用對(duì)稱型結(jié)構(gòu)，可以最大限度消除系統(tǒng)存在的像差。

系統(tǒng)采用等待式成像方式，在試驗(yàn)前相機(jī)打開，并處于曝光狀態(tài)。當(dāng)彈丸撞擊靶材某個(gè)瞬間時(shí)激光光源閃光，則測(cè)試區(qū)域的外形輪廓就被記錄在膠片或者CCD上。激光光源的閃光信號(hào)由固體激光彈丸探測(cè)控制器提供，彈丸撞擊靶材瞬間的時(shí)間信號(hào)由光輻射探測(cè)器提供。

圖2 激光陰影成像系統(tǒng)布置圖Fig.2 Structure of laser shadowgraph system

根據(jù)陰影成像特點(diǎn)，該技術(shù)也適合對(duì)流場(chǎng)密度變化進(jìn)行記錄，對(duì)不同區(qū)域聚焦可以實(shí)現(xiàn)不同靈敏度的流場(chǎng)顯示。當(dāng)成像物鏡對(duì)測(cè)試區(qū)域中心聚焦時(shí)，獲得的目標(biāo)像最清晰，但陰影儀的靈敏度設(shè)置為最小。

由于激光光源的單色性，光路中使用的光學(xué)器件出現(xiàn)瑕疵時(shí)可能會(huì)帶來(lái)衍射環(huán)，如果光學(xué)器件表面膜層不良引起光束來(lái)回反射，則在成像區(qū)域可能會(huì)形成干涉條紋。同時(shí)碰撞瞬間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的自發(fā)光（見圖1），如果不進(jìn)行消除會(huì)對(duì)陰影圖像產(chǎn)生干擾。通過(guò)優(yōu)化光路設(shè)計(jì)技術(shù)、補(bǔ)償式濾光技術(shù)等都可以得到解決［8］，最終該系統(tǒng)清晰獲得了彈丸在正撞擊和斜撞擊靶材時(shí)的碎片云激光陰影圖像，如圖3所示。圖3（a）是彈丸以V＝5.52km／s正碰靶材后15.1μs時(shí)的碎片云激光陰影圖像；圖3（b）是彈丸以V＝6.02km／s斜碰靶材后8.6μs時(shí)的碎片云激光陰影圖像。從圖中可清晰看見碎片云在撞擊瞬間的外形輪廓，但由于該系統(tǒng)在試驗(yàn)中只能獲得一幅陰影圖像，不能對(duì)碎片云的形成變化過(guò)程進(jìn)行清晰描述。為了滿足超高速碰撞試驗(yàn)研究需求，有必要發(fā)展能夠?qū)ε鲎铂F(xiàn)象過(guò)程的碎片云進(jìn)行多幅圖像記錄的序列成像技術(shù)，而多序列激光陰影成像技術(shù)就是在基于單幅激光陰影成像技術(shù)基礎(chǔ)上不斷得到發(fā)展的。

圖3 單幅激光陰影成像系統(tǒng)獲得的不同狀態(tài)碎片云陰影圖像Fig.3 Shadowgraph images of debris cloud at different state gotten by single laser shadowgraph system

2 多序列激光陰影成像技術(shù)

多序列激光陰影成像技術(shù)是在上述單幅激光陰影成像技術(shù)基礎(chǔ)上增加多套成像光路，實(shí)現(xiàn)的主要指標(biāo)為：一次試驗(yàn)獲得2～8幅陰影圖像、每幅圖像的曝光時(shí)間小于10ns、序列間隔最小1μs以及圖像像素大于600萬(wàn)。

2.1 超高速瞬態(tài)現(xiàn)象序列成像基本要求

對(duì)于某一測(cè)試區(qū)域，超高速目標(biāo)現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間較短，通常只有幾百μs甚至更低，而目標(biāo)的運(yùn)行速度達(dá)到了幾km／s。因此，為了對(duì)目標(biāo)變化過(guò)程清晰成像，通過(guò)多序列成像技術(shù)獲得的每幅圖像曝光時(shí)間必須很短，在圖像上不能明顯出現(xiàn)測(cè)試目標(biāo)的拖影現(xiàn)象。

為了實(shí)現(xiàn)不同序列時(shí)刻能夠?qū)ν粶y(cè)試區(qū)域成像，則其成像光路必須相同或相似，而且不同時(shí)刻獲得的圖像需要在空間上進(jìn)行分開。另外，為了滿足不同測(cè)試需要，不同序列的間隔時(shí)間可調(diào)。

2.2 多序列激光陰影成像采用的關(guān)鍵技術(shù)

在滿足上述要求前提下，通過(guò)解決下面的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多序列激光陰影成像。

（1）多光源空間分離技術(shù)

該技術(shù)主要原理為：在單幅激光陰影照相（見圖2）基礎(chǔ)上，增加多套光路，每套光路獨(dú)立通過(guò)測(cè)試區(qū)域及不同的成像系統(tǒng)進(jìn)行成像；同時(shí)要求在測(cè)試區(qū)域的光束幾乎重合，成像系統(tǒng)獲得的測(cè)試區(qū)域圖像分別記錄在不同的感光介質(zhì)上，其光路布置如圖4所示（圖中只畫出了兩個(gè)序列的光路）。圖4中多套激光光源光束擴(kuò)束后的光斑直徑應(yīng)大于圖中的準(zhǔn)直鏡直徑。為了光束在通過(guò)球面反射鏡后通過(guò)成像系統(tǒng)中的小孔時(shí)能夠把多束光進(jìn)行分開，激光通過(guò)擴(kuò)束的匯聚點(diǎn)光斑相距可設(shè)置為0.8～1mm，則光束通過(guò)準(zhǔn)直鏡后的光斑也相距為0.8～1mm。當(dāng)匯聚點(diǎn)光斑相距為1mm時(shí)，通過(guò)計(jì)算可以得到兩束光在測(cè)試區(qū)域的重合度優(yōu)于99%，因此兩套成像系統(tǒng)基本上可以對(duì)同一測(cè)試區(qū)域進(jìn)行成像。通過(guò)這樣的分光方式，序列數(shù)目達(dá)到8個(gè)時(shí)的測(cè)試區(qū)域重合度可以達(dá)到95%。

圖4 多序列激光陰影成像系統(tǒng)光路布置圖Fig.4 Optical diagram of multi sequences laser shadowgraph system

（2）偏振分光技術(shù)

根據(jù)激光是偏振光原理，可以通過(guò)偏振片消除其它不需要的光束，一方面可以降低上述多光源空間分離角度，另一方面也可以消除部分雜光而提高信噪比。當(dāng)緊鄰的兩光束偏振方向角度越大，則偏振分光的效果更好，因此需要在激光光源的出口處放置改變光束偏振方向的波片。對(duì)該技術(shù)的進(jìn)一步介紹可參考文獻(xiàn)［4］。

如果只利用多光源空間分離技術(shù)，則測(cè)試區(qū)域的重合度會(huì)降低，而只利用偏振分光技術(shù)則不能很好地進(jìn)行分光。通過(guò)把偏振分光和多光源空間分離技術(shù)相結(jié)合，不僅有利于雜光的消除，提高成像的清晰度，同時(shí)，在序列數(shù)目達(dá)到8個(gè)時(shí)不同序列成像區(qū)域的重合度可以提高到97%，幾乎是對(duì)同一區(qū)域成像。

（3）光束角放大技術(shù)

不同的平行光束通過(guò)圖2中準(zhǔn)直系統(tǒng)后會(huì)在不同的位置形成不同的焦斑，測(cè)試區(qū)域的像面就在焦斑不遠(yuǎn)處。但因?yàn)槭芸臻g的限制，不能在該位置放置太多的成像物鏡。為了實(shí)現(xiàn)更多序列的激光陰影照相，需要對(duì)空間分離的角度通過(guò)光路進(jìn)行放大。光束角放大采用的主要方法是在成像系統(tǒng)中使光束形成2次實(shí)焦點(diǎn)，并放大各個(gè)焦點(diǎn)相互之間的距離。如圖5所示，通過(guò)球面反射鏡后形成第1次實(shí)焦點(diǎn)，通過(guò)角度放大物鏡后在成像面前形成第2次實(shí)焦點(diǎn)，在第2次實(shí)焦點(diǎn)處放置小孔光闌。

圖5 光束角放大示意圖Fig.5 Structure of light angle magnification

采用光束角放大系統(tǒng)，不僅可以在成像系統(tǒng)區(qū)域放置多套成像系統(tǒng)，而且更容易實(shí)現(xiàn)多光束的空間分離。

（4）補(bǔ)償濾光技術(shù)

在超高速碰撞瞬間，溫度超過(guò)了2000K，對(duì)測(cè)試區(qū)域成像時(shí)強(qiáng)烈自發(fā)光會(huì)掩蓋真實(shí)的信息。由圖1可以看出，在碰撞瞬間強(qiáng)烈的自發(fā)光會(huì)掩蓋撞擊靶材附近的碎片云真實(shí)信息。在多序列激光陰影成像系統(tǒng)中，如果對(duì)這些自發(fā)光不進(jìn)行消除，則一樣不能獲得清晰的序列圖像。

由于系統(tǒng)使用了激光光源，可以在成像物鏡前使用窄帶濾光片，以消除自發(fā)光，如圖6（a）所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，僅僅在成像物鏡前放置濾光片，光束在物鏡和濾光片之間來(lái)回反射，在圖像中會(huì)產(chǎn)生類似于多光束干涉條紋，如圖6（b）所示。當(dāng)濾光片傾斜放置時(shí)可以消除干涉條紋，但會(huì)造成光束的不均勻，因此需要在濾光片前放置具有不同區(qū)域不同衰減功能的補(bǔ)償器（見圖6（c）），使成像光斑比較均勻。

圖6 消除自發(fā)光的濾光示意圖Fig.6 Schematic of eliminatingspontaneous light

3 多序列激光陰影成像系統(tǒng)的建立及運(yùn)用

根據(jù)上述多序列激光陰影成像原理，首先在碰撞靶上建立了兩序列激光陰影照相系統(tǒng)，獲得了彈丸在不同角度撞擊靶材時(shí)的碎片云陰影圖像；每幅圖像曝光時(shí)間約10ns，序列間隔時(shí)間最小為1μs，利用膠片作為圖像接收介質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合光束角放大技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)展了4序列激光陰影成像系統(tǒng)，其光源參數(shù)及序列間隔時(shí)間同上，但圖像是采用像素為1000萬(wàn)的CCD作為接收介質(zhì)，獲得的圖像可見文獻(xiàn)［9］。

隨著碰撞試驗(yàn)研究的發(fā)展，一次試驗(yàn)獲得4幅激光陰影圖像滿足不了要求。為此，在4序列激光陰影成像系統(tǒng)基礎(chǔ)上，發(fā)展了8序列激光陰影成像系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)光路結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步解決了多個(gè)光學(xué)器件在空間上的布置難題；同時(shí)通過(guò)光學(xué)器件參數(shù)的優(yōu)化選擇（如表面鍍激光膜層等），基本上解決了雜光的干擾。該系統(tǒng)的發(fā)展成功實(shí)現(xiàn)了一次試驗(yàn)中獲得8幅清晰激光陰影圖像，基本上滿足了超高速碰撞試驗(yàn)中對(duì)彈丸姿態(tài)及碎片云發(fā)展變化過(guò)程的記錄需求。

圖7為光源系統(tǒng)實(shí)物圖，由于采用多套獨(dú)立光源組裝完成，占地面積達(dá)到了2m2，體積顯得過(guò)于龐大；圖8為光源系統(tǒng)中的擴(kuò)束系統(tǒng)外觀圖。

圖7 光源系統(tǒng)Fig.7 Light sources system

圖8 擴(kuò)束系統(tǒng)Fig.8 Expanding system

圖9為通過(guò)8序列激光陰影成像系統(tǒng)在超高速碰撞靶上獲得的柱狀彈丸撞擊靶材的陰影圖像，圖中彈丸長(zhǎng)度為16mm，直徑為7.6mm，靶材為厚度2mm的鋁板，序列間隔時(shí)間為7μs。根據(jù)圖9（a）中第1和第2幅圖像可以得出彈丸在飛行方向的移動(dòng)量約20.7mm，由于兩幅圖像時(shí)間間隔為7μs，從而算出彈丸的平均速度Vab＝2.74km／s，其誤差來(lái)源主要包括序列間隔時(shí)間以及圖像的空間分辨率（目前序列間隔時(shí)間誤差為10ns，空間分辨率為0.15mm）。

在另一種 Whipple屏結(jié)構(gòu)碰撞試驗(yàn)研究中，獲得了球形彈丸撞擊靶材的序列陰影圖像，如圖9b所示。該試驗(yàn)參數(shù)為：彈丸速度5.07km／s，彈丸直徑4.75mm，靶板厚2.0mm，靶材為鋁，每相鄰圖像的間隔時(shí)間都為3μs。通過(guò)圖像處理分析，可以得到碎片云在不同時(shí)刻沿彈丸飛行方向的空間位移量，不同時(shí)刻碎片云頭部特征點(diǎn)寬度大小。

圖9 不同條件下獲得的序列激光陰影圖像Fig.9 Images of sequence laser shadowgraph gotten at different condition

4 結(jié) 論

在多序列激光陰影成像技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展了多序列成像裝置，并對(duì)超高速碰撞彈丸過(guò)程進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)裝置的調(diào)試及應(yīng)用測(cè)試結(jié)果表明：

（1）成像裝置中每一塊光學(xué)器件的質(zhì)量都將會(huì)影響成像背景的均勻性，特別是擴(kuò)束系統(tǒng)中擴(kuò)束鏡的任何瑕疵都可能在圖像中產(chǎn)生大量衍射條紋；

（2）光路調(diào)試中需要結(jié)合偏振分光裝置不斷調(diào)整每一個(gè)序列光路的偏振方向，以盡量降低不同序列光路的相互干擾；

（3）多序列激光陰影成像技術(shù)的發(fā)展基本滿足超高速碰撞的彈丸姿態(tài)和碎片云測(cè)量，并為超高速瞬態(tài)測(cè)量及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)顯示提供了一種新的可視化測(cè)量手段。

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