Приборы и техника эксперимента, 2022, № 3, стр. 135-140

Технические характеристики камеры

Камера имеет следующие характеристики:

− количество независимых электронно-оптических каналов − 8; в состав одного канала входит электронно-оптический преобразователь (э.о.п.) с модулями управления его работой, проекционный объектив с апертурой 0.32 и переменным масштабом переноса с экрана э.о.п. на цифровую систему считывания импульсного оптического изображения;

− число кадров, регистрируемых камерой при поступлении запускающего сигнала на вход “Пуск”, − 16;

− минимальный временной интервал между первыми восемью кадрами − 5 нс;

− число кадров, регистрируемых с каждого канала, − 2;

− временной интервал между двумя кадрами в каждом канале − 2.7−1000 мкс;

− спектральный диапазон чувствительности фотокатода э.о.п. − 380−800 нм;

− рабочий диаметр фотокатода − 18 мм;

− длительность стробирующего (затворного) импульса от 5 нс до 20 мкс;

− пространственное разрешение при всех значениях длительности строб-импульсов ≥36 пар линий/мм;

− временная задержка срабатывания затвора э.о.к. − от 100 нс до 4 мс;

− временная нестабильность (джиттер) запуска каждого канала э.о.к. ≤10 нс;

− режим многократной экспозиции (для восьмикадрового варианта) 1−4;

− напряжение на микроканальной пластине э.о.п. (определяет конкретное значение коэффициента преобразования э.о.п. и устанавливается с шагом 1 В) − 400−910 В;

− максимальная частота запуска камеры − 1 Гц;

− разрядность аналого-цифрового преобразователя 12 бит;

− размер фоточувствительной поверхности камеры на основе прибора с зарядовой связью (п.з.с.) 15.4 × 15.4 мм;

− тип развертки − прогрессивная;

− число пикселей ≥ 2048 × 2048;

− формат сохраняемого файла изображения − tiff;

− количество волоконно-оптических выходов для связи с компьютером − 8.

Параметры запускающих сигналов и импульса Синхр

Электронно-оптическая камера запускается внешним импульсом, поступающим на вход “Пуск”, со следующими параметрами:

− полярность − положительная;

− амплитуда 5−15 В;

− регулируемый уровень запуска 5−12 В;

− длительность фронта импульса ≤5 нс;

− длительность импульса 60−1000 нс;

− входное сопротивление 50 Ом;

− импульс синхронизации на выходе “Синхр” − положительный, уровня TTL, фронт которого упреждает фронт затворного импульса э.о.п. на 15−20 нс (R_нагр = 50 Ом).

Функциональные возможности

− Независимая установка значений длительности затворных импульсов, задержки открытия затворов и коэффициентов усиления для каждого канала.

− Раздельная и одновременная визуализация всех зарегистрированных изображений на компьютере в среде Windows 7 (Windows 10).

− Габаритные размеры (без объектива) 580 × × 300 × 330 мм.

− Масса ≤ 32 кг.

Каждый из восьми каналов (К_i) представляет собой электронно-оптический модуль. Все модули идентичны между собой. Структурная схема электронно-оптического модуля приведена на рис. 2.

Рис. 2.

Структурная схема одного из восьми электронно-оптических каналов. 1 – один из восьми каналов блока оптических трансиверов; 2 – электронно-оптический канал К_i (i = 1−8); 3 – высоковольтный источник питания (определяет коэффициент усиления э.о.п.); 4 – формирователь высоковольтного наносекундного затворного импульса; 5 – программируемый формирователь длительности затворного импульса; 6 – программируемый формирователь временных интервалов задержки; 7 – цифровая п.з.с.-система Наноскан 2048 × 2048; 8 – оптический трансивер; 9 – э.о.п. с диаметром фотокатода 18 мм; 10 – объектив 1:1; 11 – волоконно-оптические линии связи; 12 – вход “Пуск”; 13 – выход “Синхр”; 12 – модули DC-DC-преобразователей.

Принцип работы электронно-оптического модуля в режиме однокадровой съемки быстропротекающего процесса основан на импульсном управлении (стробировании) э.о.п., синхронном считывании полученного импульсного изображения с его экрана п.з.с.-камерой и записи оцифрованного кадра в память компьютера в формате *tiff. Временные и энергетические параметры э.о.к. устанавливаются дистанционно с помощью программного обеспечения НАНОГЕЙТ.

После включения камеры и запуска программы управления НАНОГЕЙТ компьютера осуществляется установка параметров э.о.к.: длительности затвора э.о.п., задержки его срабатывания, коэффициента усиления э.о.п.

Регистрируемое изображение через входной объектив фокусируется на фотокатоде э.о.к. В момент прихода импульса Пуск через установленное время задержки (модуль программируемого формирователя временных интервалов) открывается затвор э.о.п. на время, также установленное при подготовке эксперимента (модули программируемого формирователя длительности затворных импульсов и формирователя высоковольтного наносекундного импульса). Одновременно формируется импульс, переводящий п.з.с.-матрицу в режим накопления. Прошедшие через затвор электроны усиливаются в микроканальной пластине э.о.п., коэффициент усиления которой определяется приложенным к ней напряжением (модуль программируемого высоковольтного источника питания). На выходе “Синхр” формируется импульс, фронт которого упреждает на 15−20 нс момент открытия затвора э.о.п.

Через высокоапертурный проекционный объектив с масштабом 1:1 импульсное и усиленное изображения переносятся на фоточувствительную поверхность п.з.с-матрицы. Накопленные в ячейках заряды считываются, преобразуются в цифровой код и передаются через одномодовый волоконно-оптический кабель на один из оптических разъемов восьмиканального трансивера. Выходной кабель USB-3 подключен к USB-входу промышленного компьютера.

Каждый из восьми каналов регистрирует два последовательных независимых кадра с интервалом от 2.7 мкс. Таким образом, при последовательном срабатывании от первого до восьмого каналов с интервалом 340 нс повторное срабатывание первого канала произойдет через 2.7 мкс.

Каждый канал может работать в режиме с многократной экспозицией. Затвор э.о.п. может открываться установленное количество раз при поступлении единственного импульса на разъем “Пуск”. Длительность всех затворных импульсов одинакова и равна установленному значению в окошке “Длительность”. Число затворных импульсов может устанавливаться от 1 до 4. Интервалы между повторяющимися импульсами задаются одинаковыми в диапазоне от 50 нс до 100 мкс.

Рабочая программа НАНОГЕЙТ обеспечивает возможность независимой установки параметров съемки индивидуально для каждого канала. После прихода импульса одновременно на все входы “Пуск” каждый э.о.п. срабатывает в соответствии с установленными параметрами (задержкой, длительностью экспозиции и напряжением на микроканальной пластине, определяющими коэффициент усиления), и все шестнадцать зарегистрированных изображений визуализируются на мониторе компьютера, отображая шестнадцать фаз быстропротекающего процесса.

Примеры использования камеры в условиях взрывного эксперимента и выстрела из легкогазовой установки приведены на рис. 3, 4.

Рис. 3.

Кадры регистрации детонации пленки состава ВС-2.

Рис. 4.

Кадры регистрации высокоскоростного пробивания преграды стержнем. Указано время от срабатывания контактного датчика.

В опытах со светочувствительными энергонасыщенными материалами было зарегистрировано распространение детонационной волны в пленках состава ВС-2 [1]. Согласно рис. 3, фронт детонационной волны имеет форму ломаной кривой, изменяющейся со временем. Указанное время на кадрах отсчитывается от момента появления инициирующего светового импульса газоразрядного протяженного излучателя [2].

Кадры на рис. 4 получены при регистрации соударения стального стержня длиной 300 мм на скорости 2.2 км/с с алюминиевой преградой толщиной 5 мм. В экспериментах для фоторегистрации применялся объектив с фокусным расстоянием 300 мм и диафрагмой 5.0. Настройки параметров э.о.к.: время экспозиции 240 нс, напряжение на э.о.п. 800 В. В эксперименте регистрация проводилась без использования внешней подсветки. Время на кадрах отсчитывалось от срабатывания контактного датчика, расположенного на преграде. Поскольку камера позволяет варьировать время между кадрами, в данном случае решались две задачи: определение появления светового импульса в начальной стадии соударения с визуализацией процесса пенетрации, а также регистрация светящейся зоны после прохождения преграды и деформации стержня. Для этого половина кадра перед преградой имеет светлый размеченный фон, а зона за преградой затемнена авиационным брезентом (авизентом).

Первые кадры получены с частотой 10⁶ кадров/с, а заключительные − 2 · 10⁴ кадров/с. Свечение в данном случае определяется зажиганием алюминиевых частиц, собираемых у торца стержня через 7−8 мкс после соударения. Область горения алюминиевых частиц сопровождает прохождение стержнем преграды, отставая от стержня к моменту времени 250 мкс, размеры области горения соизмеримы с линейным размером стержня.