高速成像系统用于子弹运动分析

文/ChrisYates，odosimaging公司

试图抓拍到快速运动物体的高品质图像，是一项极具挑战性的任务，然而许多分析应用都需要这样的瞬间图像。从关键材料失效模式的识别，到分析MEMS动态，再到捕获子弹的运行轨迹，这些应用一方面需要极短的曝光时间，要求曝光在瞬间“冻结”，避免因不必要的运动伪影污染合成图像；另一方面，相机需要捕获足够的光线来生产高对比度图像。

传统上，通常使用高亮度泛光照明场景、并结合高速图像捕获系统（通常具备灵敏的大像素）来抓拍高速运动物体的图像。采用这种方法，由图像传感器提供短暂的曝光时间，而图像的数据流被储存到相机电路板上的记忆卡中。就功能而言，该类型的系统表现得非常好，往往会产生迷人的图像序列，但是其需要巨大的前期投资，并且需要额外的外部照明。

飞行中的子弹

苏格兰odosimaging公司受托为一项弹道分析应用拍摄这样的高速图像，为此该公司开发出了一套将相机和照明整合在一起的组合系统。为了执行这项任务，该公司将其高速相机SE-和照明模块IL-部署在一套军械试验设备中，用于捕获从一支步枪口射出的高速子弹的高分辨率静态图像（见图1）。

图1：在一套军械试验设备中，odosimaging公司的SE-相机和4个IL-照明模块配合使用。从图中的上中部可以看到传统的高速成像系统与泛光照明。步枪位于图像右侧，在触发箔片的后面。

SE-可以作为传统高速成像系统的一个补充；在该试验设备中也使用了传统高速成像系统，其用于提供整个场景的全景。尽管该系统能够提供高帧率和高分辨率的图像，但是它不能捕获飞行中子弹的详细静态图像；然而膛线检测却需要这样的图像，此外这些图像还能“对子弹运动时产生的任何不必要的倾斜或偏转”提供一种可视化分析；子弹的这种倾斜或偏转运动，增加发射阻力、降低精度。

客户要求在距枪口很短处捕获飞行中的子弹的图像，并且要具有足够的放大率，这样才能对飞行中的子弹特征进行可视化分析。该试验设备中使用了一个落地配重以启动步枪射击，但是该机制所固有的定时不确定性，意味着不大可能直接从配重上触发相机。因此，有必要利用正在运动中的子弹直接触发图像捕获功能。

在弹道测试系统中，通过在子弹行进的路径上直接放置一个箔片触发器来触发图像捕获功能（见图2）。通过使用StanfordResearchSystems公司提供的一个DG脉冲发生器，将触发信号从箔片连接至SE-相机的通用I/O接口。当子弹穿过箔片时，将产生瞬态电信号，然后利用该电信启动图像捕捉功能。SE-相机具有低延迟和抖动触发输出的特征。不足1ms的输入延迟，相当于子弹在视场中前进不到1mm；而相机触发和开启曝光之间的时间也足够短，以确保这段时间内子弹还来不及进入相机的视场。

图2：在该试验设备中，通过在子弹行进的路径上直接放置一个箔片触发器来触发图像捕获功能，通过一个信号调节电路将触发信号传输至SE-相机的通用I/O接口。

IL-红外照明模块发射波长nm的光，其用于照明视场，并提供足够的光强以获得高对比度图像。这些照明单元直接由相机头触发，可以在输入触发器中设置一个延迟时间，以确保子弹即使处于高速运行中也能瞬间捕获到它的图像。

SE-相机采用的是施耐德公司的APO-XENOPLAN2.0/20镜头，其视场为30cm；而在该视场中，子弹相对较短的运动轨迹长度，仅相当于μs的渡越时间。镜头的焦距为20.5mm，相机被安置在距离子弹路径约35cm的地方。为了能捕获到没有运动模糊的图像，IL-照明模块输出ns光脉冲，这相当于子弹行进距离小于0.2mm，这便消除了任何可能发生的运动模糊的（见图3）。光脉冲的高强度，确保能捕获到高对比度的图像。

图3：为了能捕获到没有运动模糊的图像，IL-照明模块输出ns光脉冲，这相当于从7.62mm口径步枪中射出的子弹行进距离小于0.2mm。

为了对子弹的动态运动进行分析，可以采用一种“多脉冲”照明方案。在这种操作模式中，当检测到触发信号时打开图像传感器快门。然后将提供多个照明脉冲序列（具有不同的预设延迟时间），在子弹到达且并未离开视场这个时间段内，定时开启照明模块。随着同一帧图像捕获到每个照明脉冲，便可以形成一幅合成图像。照明脉冲之间的延迟时间是基于子弹预期的枪口初速来计算的，由此便可捕获运动中子弹的多幅图像。

考虑到需要对捕获到的图像进行详细分析，每个脉冲之间的延迟需要非常精确。图像分析的对象包括：抛射速度和旋转速度这两项关键参数。利用同一颗子弹的三幅或更多幅图像，也可能提取出子弹因受机械阻力或空气阻力而发生减速的数据（见图4）。对于弹道分析机构而言，阻力参数以及不同子弹的阻力模型是他们最为