史 魁， 楊洪濤， 彭建偉， 王 浩， 閆阿奇

（1.中國科學院 西安光學精密機械研究所，陜西 西安 710119；2.中國科學院大學，北京 100049）

1 引 言

高幀頻攝像系統(tǒng)是一種能夠以極大的幀速率捕獲運動圖像的設備。它可以在很短的時間內(nèi)完成對高速運動目標的快速采樣，在以常規(guī)速度放映時，所記錄目標的快速變化過程就清晰、緩慢地呈現(xiàn)出來。借助自身與目標非接觸的獨特優(yōu)勢，高幀頻攝像系統(tǒng)在核探測、爆轟效應、高速碰撞等現(xiàn)代科學領域有著廣泛的應用需求［1］。為了清晰拍攝某運動速度達2 000 m/s的高速運動目標的碰撞過程，需要研究一種幀頻大于5萬幀/秒的高幀頻攝像技術。

當前具備5萬幀/秒成像能力的圖像傳感器被外國壟斷，核心技術受到限制。美國Phantom公司和日本Photron公司在售的商業(yè)產(chǎn)品中，均有采用單一傳感器實現(xiàn)幀頻大于5萬幀的超高速攝影數(shù)碼相機。在遵循核心器件國產(chǎn)化的原則下，如何使用幀頻不高的國產(chǎn)成像探測器實現(xiàn)5萬幀/秒的高幀頻成為研究的重點與難點，目前國內(nèi)尚無成熟先例。在高速碰撞時，進行近距離拍攝的高幀頻攝像系統(tǒng)的鏡頭可能會損壞，需要研究一種高幀頻攝像系統(tǒng)鏡頭的防護技術［2］。

本文提出采用七組成像單元在順序脈沖的控制下接續(xù)拍攝的方法，設計了一種高幀頻攝像系統(tǒng)，研究并設計了一種三組保護窗可移動切換的保護窗組件，解決了振動環(huán)境下切換機構自鎖的問題并實現(xiàn)了大傳動比驅(qū)動，保護窗切換的位置可以實時反饋。針對成像單元FPGA的散熱問題，進行了熱設計。高幀頻攝像系統(tǒng)樣機滿足指標和實際使用的要求，具有較高的環(huán)境適應性。

2 原 理

由于國產(chǎn)高幀頻探測器的型號稀少，性能有限，調(diào)研后最終所選用長光辰芯的某國產(chǎn)高幀頻CMOS探測器，最高輸出幀頻為7 200 frame/s［3］。

為了實現(xiàn)5×104frame/s的高速攝像，采用7組成像單元按照一定時序接續(xù)拍攝成像。7個成像單元拼接形成的5萬幀與單個高幀頻攝像系統(tǒng)相比，系統(tǒng)可靠性較高，7個成像單元中部分成像單元工作異常時，依然能夠?qū)崿F(xiàn)萬幀級的高幀頻成像，而單個高幀頻攝像系統(tǒng)如果工作異常，則可能直接失去成像能力。然而，由于7個成像單元的拍攝角度不同，所拼接出來的高速視頻流中相鄰的兩幅圖像存在一定差異。

考慮安全裕度，每個探測器的幀頻為7 150 frame/s，最終組成大于5×104frame/s的高速攝像視頻流。

2.1 主要技術指標

根據(jù)實際的使用需求，高幀頻攝像系統(tǒng)的主要技術指標如下：

（1）拍攝幀頻≥50 000幀/秒；

（2）成像光譜范圍為可見光；

（3）視場角大于90°×30°；

（4）分辨率為1 600×500；

（5）功耗≤85 W；

（6）質(zhì)量為（6±0.5） kg。

2.2 主要組成

光學系統(tǒng)由7個光學鏡頭構成，每個光學鏡頭對應1塊高速成像板。

結(jié)構系統(tǒng)主要包括鏡頭結(jié)構及箱體結(jié)構，為攝像系統(tǒng)提供支撐和防護。相機前端有移動切換且可自鎖的保護窗組件。

高幀頻攝像系統(tǒng)電子學組件由7個高速成像單板和1塊控制板構成。每個高速成像單板的幀頻是7 150 frame/s，控制板負責完成電源轉(zhuǎn)換、外部通訊和7塊成像板拍攝順序的控制。

圖1 高幀頻攝像系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of high frame frequency camera

圖1所示為高幀頻攝像系統(tǒng)組成。拍攝時目標位于高幀頻攝像系統(tǒng)前方1 m位置，相鄰成像單元的探測器中心間距為60 mm，為了保證7個成像單元的圖像有足夠的重疊率，重疊區(qū)域?qū)囊晥鼋谴笥?0°×30°。由光學視場分析得到，兩側(cè)成像單元與最中間成像單元的夾角依次分別為1.7°，3.4°，5.1°，誤差不大于0.1°。

2.3 光學系統(tǒng)方案

根據(jù)高速攝像機原理以及技術指標要求，光學系統(tǒng)的設計指標為：

（1）光譜為450～700 nm；

（2）焦距為5.2 mm；

（3）視場角≥92°×35°；

（4）相對孔徑為F/2；

（5）畸變≤5%；

（6）雜光系數(shù)≤5%。

光學系統(tǒng)初步的設計結(jié)果如圖2所示。光學系統(tǒng)的中心視場平均MTF≥0.7@77 lp/mm；溫度適應范圍為-40～+70 ℃。

圖2 高幀頻攝像系統(tǒng)光學系統(tǒng)Fig.2 Optical system of high frame frequency camera

3 系統(tǒng)機械結(jié)構設計

高幀頻攝像系統(tǒng)的結(jié)構總體上分為前、中、后3大部分，結(jié)構件都采用高強度鎂合金MB15材料。圖3為高幀頻攝像系統(tǒng)機械結(jié)構爆炸圖。前部由保護窗組件、防護罩和遮光罩組成。針對保護窗易被損壞的特殊使用環(huán)境，保護窗組件有3組可自動移動切換的保護窗玻璃，保護窗架通過兩端的直線導軌固定在主殼體上。為了對傳動機構和非工作的保護窗玻璃形成有效的保護，保護窗組件最前面設計了一個防護罩。在工作的那一組保護窗的通光口四周設計了一個遮光罩，既可以遮擋視場邊沿的雜散光，又可以對工作的保護窗玻璃形成一定的保護。

圖3 高幀頻攝像系統(tǒng)機械構型爆炸圖Fig.3 Explosive view of mechanical configuration of high frame frequency camera

中部由主殼體及安裝在主殼體內(nèi)部的7個成像單元組成。7個光學物鏡分別固定在對應的成像基板上的一面，成像基板的另一面固定有成像電路板，成像基板通過4個角上的安裝孔固定在主殼體內(nèi)部。在主殼體的前面板上對應位置開有7個圓孔，7個光學物鏡的頭部從這7個圓孔中露出來，以獲取視場。在每個成像單元的后端，緊貼著成像電路板設計了導熱裝置，導熱裝置可以將成像電路板上的熱量傳導至主殼體的內(nèi)壁上，達到散熱的目的。

后部為后蓋板和主控電路板，主控電路板固定在后蓋板上。電接口為3個對外的接插件，安裝在主殼體的底面。

4 保護窗設計

在實際工作過程中，高幀頻攝像系統(tǒng)的前端可能遭受來自拍攝目標的打擊，為了保證高幀頻攝像系統(tǒng)前端光學部分不被損壞從而能夠正常工作，在高幀頻攝像系統(tǒng)前端設計了移動切換且可自鎖的保護窗組件。保護窗組件有3組保護窗，當鏡頭正前方的一組被損壞，嚴重影響成像效果時，可以人工判別并發(fā)送遙控指令，切換至另外一組完好的保護窗，保證高幀頻攝像系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常工作。

圖4為高幀頻攝像系統(tǒng)前端的移動切換且可自鎖的保護窗組件。保護窗組件主要包括光窗玻璃、保護窗架、導軌導向機構、齒輪齒條驅(qū)動機構、蝸輪蝸桿自動鎖緊傳動機構、霍爾傳感器位置反饋機構及支撐主殼體［4］。

3組保護窗玻璃分別固定在保護窗架上，每一組保護窗玻璃有7塊石英JGS1玻璃。保護窗架在齒輪齒條驅(qū)動機構的驅(qū)動下，由導軌導向機構進行導向平移移動，可實現(xiàn)多組保護窗的移動切換。

蝸桿一頭通過兩個背對背安裝的角接觸球軸承固定在電機座上，另一頭通過電機軸壓板壓緊在電機的轉(zhuǎn)軸上，蝸桿與電機轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動。蝸桿轉(zhuǎn)動時驅(qū)動蝸輪轉(zhuǎn)動，傳動比為1∶32。蝸桿不轉(zhuǎn)動時，蝸輪被鎖緊，不能通過外力使蝸輪轉(zhuǎn)動并驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動，此為自鎖功能。

圖4 移動切換且可自鎖的保護窗Fig.4 Switchable and self-locking protective window component

蝸輪固定在齒輪軸的一頭，齒輪固定在齒輪軸的另一頭。當蝸輪轉(zhuǎn)動時，齒輪軸和齒輪同步轉(zhuǎn)動。齒輪轉(zhuǎn)動帶動齒條直線移動。齒條的一頭固定在導軌滑塊上，另一頭與保護窗架的中部固定連接，齒條直線移動時，推動保護窗架移動，實現(xiàn)保護窗的平移切換［5］?；魻杺鞲衅靼惭b在保護窗架與主殼體之間，對保護窗移動位置進行精確反饋。

在電機選型時，需要對所需電機的最小輸出力矩和對應的轉(zhuǎn)速進行分析。由結(jié)構組成可知，在驅(qū)動移動保護窗時，齒條輸出的力分兩部分，一部分用來抵抗保護窗組件移動時的摩擦阻力F1，另一部分力F2用來保證保護窗組件獲得足夠的加速度。因此，齒條輸出的力為：

保護窗組件的質(zhì)量m約為1 kg，摩擦系數(shù)μ最大時為0.95，因此F1為9.5 N。

保護窗組件的行程最大為0.04 m，切換時間不大于0.4 s，則所需加速度a為0.5 m/s2，計算得到F2為0.5 N。因此，齒條的輸出力F為10 N。

由齒輪齒條傳動可知，齒輪的分度圓直徑為16 mm，因此齒輪軸的輸出力矩T1為：

蝸桿與電機軸固定連接，考慮傳動機構的摩擦及安全系數(shù)，電機的最小輸出力矩應為蝸桿輸出力矩的2倍，即5 mN·m。

完成一次切換所需的最大移動量為0.04 m，對應電機軸轉(zhuǎn)動26圈，所需時間為0.4 s，電機轉(zhuǎn)動過程近似為勻加速轉(zhuǎn)動過程和勻減速轉(zhuǎn)動過程，計算可得電機的最大轉(zhuǎn)速至少為130 rad/s。

經(jīng)分析可得，所選電機轉(zhuǎn)速為130 rad/s時，輸出力矩不小于5 mN·m。

5 電子學熱控措施

高幀頻攝像系統(tǒng)的工作環(huán)境為真空環(huán)境，溫度為-40～+70 ℃，正常情況下最長工作時間為10 min。高幀頻攝像系統(tǒng)的總熱耗為71.5 W，每個成像單元的熱耗為9.5 W，控制電路板的熱耗為5 W。

在極端低溫-40 ℃的情況下，電子學組件都可以正常開機工作。對于保護窗切換的運動機構，高幀頻攝像系統(tǒng)可在極端低溫工況時開機預熱5 min，運動機構溫度≥-20 ℃，此時運動機構即可接收指令正常運動并實現(xiàn)保護窗的切換。

在極端高溫+70 ℃的情況下，運動機構可接收指令正常運動并實現(xiàn)保護窗的切換。對于電子學組件，成像單元的圖像處理器選用Xilinx公司的K7系列工業(yè)級FPGA來實現(xiàn)，選用型號為XC7K325T-2FFG676I。因限購原因，該型號FPGA只可采購到工業(yè)級型號，其最高適用溫度不能超過100 ℃。電子學的其他電子元器件均使用普軍級，最高適用溫度均不低于125 ℃。無熱控措施下的熱分析結(jié)果表明，電路板上所有器件溫度均不會超過125 ℃。當高幀頻成像時，成像單元FPGA的使用效率約為60%，功耗約為6 W，發(fā)熱會導致自身溫度升高，當溫度超過100 ℃時，F(xiàn)PGA可能損壞，無法正常工作。因此，需要采取熱控措施，將FPGA上的熱量釋放出去［6］。

成熟、高效的主動熱控方法通常為風冷散熱和制冷機散熱。該超高幀頻攝像系統(tǒng)用于空間真空環(huán)境下，風冷散熱主動熱控方法不適用。制冷機主動熱控可以較快地為FPGA降溫，但是制冷機帶來的體積、質(zhì)量、功耗、成本大幅度增加，會使得系統(tǒng)的相關指標嚴重超標。因此，該系統(tǒng)的FPGA熱控主要以被動熱控為主。

2.1.1 暴力行為 患者?；加斜缓ν搿⒖浯笸?、幻視、幻聽、興奮、行為沖動等精神異常癥狀。部分表現(xiàn)為抑郁，此類患者常在幻覺、妄想等精神障礙的支配下發(fā)生突然的沖動行為，導致意外的發(fā)生。

主控電路板上FPGA的熱耗為4 W，由于主控電路板固定在后蓋板上，在后蓋板上設計了散熱凸臺，凸臺與主控板FPGA的外殼緊貼，為了減小接觸熱阻并防止短路，緊貼面上隔一層0.25 mm厚的導熱絕緣墊。主控板FPGA可將熱量傳導至后蓋板凸臺上，實現(xiàn)散熱。

成像電路板上FPGA的熱耗高達6 W，且成像電路板遠離主殼體的側(cè)壁，難以將熱量傳導至主殼體上［7］。熱管導熱是比較成熟且適用的被動熱控措施，但是定制熱管的成本相對較高。本文采用另外一種低成本的被動熱控措施，即在每個成像單元上設計了一種高導熱石墨導熱裝置［8］，滿足成像單元FPGA散熱的熱控要求。

圖5 高導熱石墨導熱裝置Fig. 5 Heat conduction device composed of high conduction graphite

圖5為高導熱石墨導熱裝置組成。導熱裝置兩頭為導熱率較高的鋁合金6061材料的導熱板。如果導熱裝置為一個剛性組件，一端與主殼體緊固，另一端與成像電路板上FPGA外殼緊貼，則會因為過定位造成調(diào)節(jié)光軸夾角時無法移動成像單元，因此在導熱裝置中間設計了一段柔性材料［9］。導熱裝置中間的柔性材料采用高導熱石墨板，石墨板采用9張石墨膜疊壓而成，石墨膜的導熱系數(shù)不低于1 300 W/（m·K）。采用石墨板，導熱裝置不但具有柔性結(jié)構，還具有極高的熱導率［10］。

圖5中，導熱板1與主殼體的上內(nèi)壁緊貼并固定連接，為了減小接觸熱阻，配合面上涂覆導熱硅脂。導熱板2通過4個角上的固定孔固定在成像單元基板上，同時導熱板2與成像電路板緊貼。導熱板2上的U型凸臺與成像電路板上CMOS探測器的背面緊貼，配合面上隔一層0.25 mm厚的導熱絕緣墊。導熱板2上U型凸臺下面的大平面區(qū)域與成像電路板上FPGA的外殼緊貼，配合面上隔一層0.25 mm厚的導熱絕緣墊。圖6為導熱裝置實物圖。

圖6 導熱裝置實物圖Fig.6 Physical picture of heat conduction device

6 性能測試

依據(jù)上述的設計與研究結(jié)果，完成整機加工生產(chǎn)裝配。裝調(diào)完成后的高幀頻攝像系統(tǒng)，成像清晰，高幀頻視頻流穩(wěn)定，保護窗切換平穩(wěn)流暢，結(jié)構穩(wěn)定性高。高幀頻攝像系統(tǒng)實物如圖7所示。

圖7 高幀頻攝像系統(tǒng)實物圖Fig.7 Physical picture of high frame frequency camera

6.1 力學實驗驗證

在設計階段對高幀頻攝像系統(tǒng)進行了隨機振動、沖擊力學仿真分析。隨機振動試驗條件如表1所示，沖擊試驗條件如表2所示。由分析結(jié)果得到，X向（光軸方向）隨機振動有應力最大值，最大應力出現(xiàn)在保護窗架的固定連接根部，為87 MPa。沖擊仿真在X方向有應力最大值，最大應力出現(xiàn)在主殼體凸耳的根部，為183 MPa。保護窗架和主殼體均選用高強度鎂合金MB15材料，最大許用應力為235 MPa，力學仿真分析表明設計是合理可行的。

表1 隨機振動試驗條件Tab.1 Random vibration test conditions

表2 沖擊試驗條件Tab.2 Impact test conditions

對裝配好的高幀頻攝像系統(tǒng)進行隨機振動和沖擊力學實驗。實驗后整機結(jié)構完好，圖像清晰，工作正常。力學實驗過程中，保護窗沒有因為振動、沖擊而移動，驗證了保護窗切換機構的自鎖功能。力學實驗后，保護窗組件接收指令能夠正常地完成保護窗的切換，驗證了運動機構的穩(wěn)定性和抗力學性能。保護窗組件實物如圖8所示。

圖8 保護窗組件實物圖Fig.8 Physical picture of protective window assembly

在力學實驗前即裝配過程中，通過裝調(diào)使得各成像單元相對中間成像單元光軸方位夾角的實測值接近理論要求，即分別為5.10°，3.40°，1.70°，0°，1.70°，3.40°，5.10°。力學實驗后，實測各成像單元相對中間成像單元光軸方位夾角，分別為5.17°，3.37°，1.74°，0°，1.73°，3.35°，5.13°。各成像單元光軸夾角實驗前后變化量均小于0.1°，滿足設計要求，驗證了高幀頻攝像系統(tǒng)光機結(jié)構系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6.2 熱真空實驗驗證

對裝配好的高幀頻攝像系統(tǒng)進行了熱真空實驗，圖9所示為熱真空實驗現(xiàn)場，控溫點設置在產(chǎn)品外殼表面的非熱源處。實驗后整機結(jié)構完好，圖像清晰，工作正常。

圖9 高幀頻攝像系統(tǒng)熱真空實驗Fig.9 Thermal vacuum test of high frame frequency camera

實驗過程中，高溫+70 ℃熱透后，高幀頻攝像系統(tǒng)開機并持續(xù)工作10 min，通過遙控遙測數(shù)據(jù)，獲取了各成像單元FPGA內(nèi)部的溫度。表3所示為各成像單元FPGA的溫度隨時間的變化情況。在10 min內(nèi)，最中間成像單元FPGA的溫度最高，為93 ℃。由表3可知，持續(xù)工作10 min后，各成像單元FPGA的溫度均小于100 ℃，滿足設計和使用要求。

表3 各成像單元FPGA溫度隨時間的變化Tab.3 FPGA temperature change of each imaging unit with time （℃）

6.3 高幀頻測試驗證

7個成像單元在順序脈沖的控制下接續(xù)拍攝，每個成像單元的拍攝幀頻均為7 150 frame/s，相鄰兩個成像單元的拍照使能信號間隔均不大于20 μs，所以7臺相機每秒共可拍攝50 050幀。

環(huán)境實驗完成后，對高幀頻攝像系統(tǒng)的幀頻進行了測試，實測得到高幀頻攝像系統(tǒng)的幀頻為500 50 幀/秒。圖10所示為50 050幀下7個成像單元依次拍攝某LED燈陣的視頻流照片，拍攝時LED燈陣距離高幀頻攝像系統(tǒng)光窗1 m。

圖10 50 050 幀/秒下7個成像單元依次拍攝LED燈陣Fig.10 Images of led lights by 7 imaging units in turn at 50 050 frame/s

圖11為50 050幀下7個成像單元依次拍攝實物場景的視頻流照片，拍攝時實物場景與高幀頻攝像系統(tǒng)光窗的距離為3 m。

圖11 50 050幀/秒下7個成像單元依次拍攝實物Fig.11 Images of real objects by 7 imaging units in turn at 50 050 frame/s

7 結(jié) 論

本文針對5萬幀/秒的高速拍攝需求，提出了采用7組成像單元在順序脈沖的控制下接續(xù)拍攝的方法，設計了一種高幀頻攝像系統(tǒng)。選定了光學系統(tǒng)方案和結(jié)構系統(tǒng)組成，完成了系統(tǒng)的詳細結(jié)構設計。針對實際使用需要，研究并設計了一種三組保護窗移動切換的保護窗組件，驅(qū)動機構中采用了蝸輪蝸桿，解決了振動環(huán)境下的自鎖問題。采用柔性的高熱導率石墨板設計了一種中間部分為柔性的導熱裝置，可將FPGA的熱量快速傳導至主殼體上，既解決了在極端高溫+70 ℃下成像單元FPGA的溫度過高的問題，又解決了裝調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中剛性導熱裝置過定位的問題。裝配好的高幀頻攝像系統(tǒng)樣機實測拍攝幀頻為50 050 幀/秒。對高幀頻攝像系統(tǒng)樣機進行了相關的力、熱實驗，實驗結(jié)果表明，保護窗組件自鎖功能正常，保護窗組件移動切換正常，高幀頻攝像系統(tǒng)成像正常。該高幀頻攝像系統(tǒng)設計合理可行，滿足指標和實際使用的要求，有較高的可靠性和環(huán)境適應性。

本文的設計對其他航空航天光學設備中高幀頻相機、保護窗切換和電子學熱控等的設計具有一定的參考和借鑒作用。