用于高速碰撞过程拍摄的5万帧摄像系统设计

史魁; 杨洪涛; 彭建伟; 王浩; 闫阿奇

doi:10.37188/OPE.20233101.0069

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用于高速碰撞过程拍摄的5万帧摄像系统设计

现代应用光学 | 更新时间：2023-02-07

- 用于高速碰撞过程拍摄的5万帧摄像系统设计
- Design of 50000 fps camera system for shooting of high-speed collision process
- 光学精密工程 2023年31卷第1期页码：69-77
- 作者机构：
  
  1.中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西西安 710119
  2.中国科学院大学，北京 100049
- 作者简介：
  
  [ "史魁（1987-），男，博士研究生，副研究员，主要从事航空航天光学载荷的光机结构设计、抗力学设计及热设计，航天高可靠性运动机构技术等方面的研究。E-mail： shikui@opt.ac.cn" ]
  [ "杨洪涛（1977-），男，博士，研究员，主要研究方向为航空、临近空间光电成像技术。E-mail： yanght@opt.ac.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2016YFC0803000);国家自然科学基金资助项目(51905529)
- DOI：10.37188/OPE.20233101.0069
  中图分类号： V245.6
- 收稿日期：2022-04-20，
  
  修回日期：2022-06-18，
  
  纸质出版日期：2023-01-10
- 稿件说明：
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史魁,杨洪涛,彭建伟等.用于高速碰撞过程拍摄的5万帧摄像系统设计[J].光学精密工程,2023,31(01):69-77.

SHI Kui,YANG Hong-tao,PENG Jian-wei,et al.Design of 50000 fps camera system for shooting of high-speed collision process[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(01):69-77.
史魁,杨洪涛,彭建伟等.用于高速碰撞过程拍摄的5万帧摄像系统设计[J].光学精密工程,2023,31(01):69-77. DOI： 10.37188/OPE.20233101.0069.

SHI Kui,YANG Hong-tao,PENG Jian-wei,et al.Design of 50000 fps camera system for shooting of high-speed collision process[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(01):69-77. DOI： 10.37188/OPE.20233101.0069.

摘要

为了近距离清晰拍摄某高速运动目标的碰撞过程，研究了一种高帧频摄像系统。由于摄像系统的前端可能遭受碰撞碎片的损坏，研究了一种保护窗组件。针对成像单元的FPGA在极端高温+70 ℃时温度过高的问题，研究了一种导热装置。采用七组成像单元在顺序脉冲的控制下接续拍摄的方法，实现了5万帧/秒的高帧频成像。保护窗组件采用了三组保护窗玻璃自动移动更换且可自锁的形式，采用蜗轮蜗杆传动机构实现了大传动比驱动和自锁功能，采用霍尔传感器对保护窗的位置进行实时反馈。导热装置中间部分采用了柔性的高热导率石墨板，既有效地将FPGA的热量传导至主壳体上，又解决了装调节环节中刚性导热装置的过定位问题。对装配好的高帧频摄像系统进行了相关的力、热实验。实验结果表明，保护窗组件自锁和移动切换功能正常，高帧频摄像工作正常，实测拍摄帧频为50 050 帧/秒，满足近距离清晰拍摄某高速运动目标碰撞过程的要求，具备一定的防护能力和热环境适应能力。

Abstract

In this study， a high-frame-frequency camera system is investigated to closely capture the collision process of a high-speed moving target. As debris from the collision may get stuck to the front of the lens， a protective window assembly is considered. A thermal conduction device was also investigated because the temperature of an FPGA installed in the imaging unit is too high， with a maximum temperature of 70 ℃. A method for continuous photography with seven image units under the control of a sequence pulse was proposed，and the camera system achieved high frame-frequency imaging of 50，000 fps. The protective window assembly included three sets of self-locking protective window glasses that move automatically. A worm gear was utilized to realize a large transmission ratio and self-locking function， and a Hall sensor was used to report the position of the protection window in real time. The middle part of the heat conduction device comprised flexible graphite plate with high thermal conductivity. Thus， the heat of the FPGA was transmitted effectively to the shell， and the problem of over-positioning of rigid heat conduction devices was solved during the installation and adjustment of the device. Vibration and heat tests were carried out on the assembled model camera. During and after the tests， the self-locking，movement and switching of the protective window component function properly， the camera works normally， and the measured frame rate is 50050 frames/s. Hence， the camera system meets the requirements for clearly recording high-speed collisions， and provides a certain protection ability as well as adaptability to different thermal environments.

关键词

Keywords

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刘璐，罗通顶，李斌康，等 . 异步Binning高帧频CCD相机的拖尾校正［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 1 ）： 217 - 223 . doi: 10.3788/OPE.20172501.0217 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20172501.0217

LIU L ， LUO T D ， LI B K ， et al . Smear correction of asynchronous binning high frame rate CCD camera ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 1 ）： 217 - 223 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20172501.0217 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20172501.0217

陈剑武，曹开钦，孙德新，等 . 高帧频低拖尾帧转移CCD驱动技术［J］. 红外与激光工程， 2016 ， 45 （ 1 ）： 110 - 115 . doi: 10.3788/IRLA201645.0123001 http://dx.doi.org/10.3788/IRLA201645.0123001

CHEN J W ， CAO K Q ， SUN D X ， et al . Driving techniques for high-frame-rate frame transfer CCDs with low smear ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2016 ， 45 （ 1 ）： 110 - 115 . （in Chinese） . doi: 10.3788/IRLA201645.0123001 http://dx.doi.org/10.3788/IRLA201645.0123001

宁永慧，刘辉，赵庆磊，等 . 大面阵高帧频CMOS成像电子学系统设计［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 5 ）： 1167 - 1177 . doi: 10.3788/OPE.20192705.1167 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20192705.1167

NING Y H ， LIU H ， ZHAO Q L ， et al . High-frame frequency imaging system of large area CMOS image sensor ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 5 ）： 1167 - 1177 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20192705.1167 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20192705.1167

王燕，张斌，王咏莉，等 . 航天舱门用高精度蜗轮蜗杆减速器装配工艺研究［J］. 航天制造技术， 2021 （ 2 ）： 1 - 5， 22 . doi: 10.3969/j.issn.1674-5108.2021.02.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-5108.2021.02.001

WANG Y ， ZHANG B ， WANG Y L ， et al . Research on assembly technology of high precision worm gear reducer for space hatch ［J］. Aerospace Manufacturing Technology ， 2021 （ 2 ）： 1 - 5， 22 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1674-5108.2021.02.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-5108.2021.02.001

姜紫庆，贾建军 . 空间相机透镜调焦机构的设计与测试［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 12 ）： 2956 - 2962 . doi: 10.3788/OPE.20182612.2956 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20182612.2956

JIANG Z Q ， JIA J J . Development of focusing mechanism for space camera ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 12 ）： 2956 - 2962 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20182612.2956 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20182612.2956

于志，孟庆亮，于峰，等 . 某低轨倾斜轨道相机热控系统设计与验证［J］. 红外与激光工程， 2021 ， 50 （ 5 ）： 149 - 154 . doi: 10.3788/IRLA20200332 http://dx.doi.org/10.3788/IRLA20200332

YU ZH ， MENG Q L ， YU F ， et al . Thermal design and test for space camera on inclined-LEO orbit ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2021 ， 50 （ 5 ）： 149 - 154 . （in Chinese） . doi: 10.3788/IRLA20200332 http://dx.doi.org/10.3788/IRLA20200332

李强，孔林，张雷，等 . 多光谱大幅宽光学遥感卫星的热设计及验证［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 4 ）： 904 - 913 . doi: 10.3788/OPE.20202804.0904 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20202804.0904

LI Q ， KONG L ， ZHANG L ， et al . Thermal design and validation of multispectral max width optical remote sensing satellite ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 4 ）： 904 - 913 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20202804.0904 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20202804.0904

王阳，高长春，孟庆亮，等 . 石墨膜导热带在空间遥感器低温光学上的应用［J］. 西北工业大学学报， 2020 ， 38 （ S1 ）： 16 - 21 .

WANG Y ， GAO CH CH ， MENG Q L ， et al . Application of heat conduction band of graphite film in low temperature optics of space remote sensor ［J］. Journal of Northwestern Polytechnical University ， 2020 ， 38 （ S1 ）： 16 - 21 . （in Chinese）

朱晔晨，张波涛，梅勇，等 . 石墨膜表面临界热流密度实验研究［J］. 工程热物理学报， 2020 ， 41 （ 3 ）： 643 - 647 .

ZHU Y CH ， ZHANG B T ， MEI Y ， et al . Experimental study of critical heat flux on a graphite film ［J］. Journal of Engineering Thermophysics ， 2020 ， 41 （ 3 ）： 643 - 647 . （in Chinese）

陈玥，侯德鑫，叶树亮 . 石墨膜热导率测试中热像仪测温不确定度传递［J］. 激光与红外， 2020 ， 50 （ 9 ）： 1088 - 1094 . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2020.09.010 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2020.09.010

CHEN Y ， HOU D X ， YE S L . Temperature measurement uncertainty of thermal imager in thermal conductivity measurement for graphite film ［J］. Laser & Infrared ， 2020 ， 50 （ 9 ）： 1088 - 1094 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2020.09.010 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2020.09.010

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