扫描式超高速摄影中转镜镜面变形量的几何补偿

利用三维有限元计算技术,分析了从三面体到八面体铝合金转镜镜面变形规律.发现以四面体为界,三面体转镜镜面变形为向内凹进,五面体及以上转镜镜面则向外凸出·在对镜面变形定量分析基础上,提出了镜面变形的几何补偿方法,即采用柱面代替平直镜面,使镜面变形后的位置趋近于平直·结果表明,对镜面尺寸17.32mm,轴向长度32.5mm的三面体铝合金转镜,在5×104rpm下,镜面最高点偏离平直镜面的最大值为0.468μm,是平直镜面的1/9,与相同结构尺寸的铍转镜镜面变形量处于相同量级·说明铝合金转镜采用几何补偿方法,可以在扫描式摄影系统中代替铍转镜·

转镜式高速相机控制系统

由于应用的需求 ,转镜式高速相机的控制系统发展成以计算机和多种专用外围单元组成的计算机控制系统。介绍了该系统的组成和工作原理 ,系统各单元的具体实现方法。该系统采用了计算机控制、电力电子以及冲击电流放电等技术。

超高速摄影中蜂窝结构转镜的设计与力学分析

提出了蜂窝结构的三面体转镜,对这种新型转镜做了结构设计,并利用3维有限元计算技术,分析了蜂窝结构的三面体铝合金转镜的力学性能。结果表明:对镜面尺寸17.325 mm、轴向长度32.5 mm的三面体铝合金转镜,在5×104r/min转速下,镜面最大变形量为0.547μm,约为原结构铝合金转镜镜面的16%,与相同结构尺寸的铍转镜镜面变形量处于相同量级;内部最大应力小于原结构铝合金转镜。

航空相机的像旋转特性分析及其补偿方法

航空相机在多航迹成像方式中,随着45°反射镜绕光轴旋转对物进行扫描,物体反射像也将绕光轴进行旋转,为此必须采取消除像旋转的措施来保证成像质量。为阐述产生像旋转的原因,分析了扫描反射镜的像旋转特性;并在探讨消除像旋技术理论的基础上,提出了一种反射镜与探测器同步转动消除像旋转的方法。在多航迹工作方式中,此方法为相机扫描机构连续扫描成像提供了必要条件。利用此方法还改进了以往步进式扫描机构的惯量大、扫描效率低的问题,并在实际工程中得以应用和证明。试验结果表明,该方法的同步旋转误差小于1/3像元,能够获得良好的图像效果。

摆扫式面阵CCD航空相机的像旋转分析

航空相机在进行拍照时,通常采用45°扫描反射镜绕光轴摆扫或步进,进行多行迹摆扫式拍照,以增大对地面景物的观测范围,但当扫描镜绕光轴旋转对物体进行观测时,物体反射像也将绕轴进行旋转,目标相对探测器(CCD)产生了像旋转。通过运用光线矢量与光轴旋转变换的方法,建立了相机的数学模型。根据该模型,针对扫描反射镜旋转所产生的像旋转,利用光学矩阵建立了扫描镜转角与像旋转角之间的关系,对比各种消除像旋方法的优缺点,提出了采用扫描镜与像面旋转机构同步旋转结合的方法实现消除像旋,为工程设计提供了必要参考。

棱镜转像机构在超高速转镜相机中的应用

叙述了棱镜转像机构的原理,设计了与高速转镜相机匹配的别汉棱镜转像机构,并将其作为超高速转镜相机的固定组成部分,FJZ-250型转镜分幅和SJZ-15型转镜扫描相机通用。高速转镜相机中增配转像机构后,对目标成像360°连续可调,解决了多台相机同步使用时,爆轰装置不同研究方向的测试问题,对实验数据的获得及系统外场目标调试起了很大的作用,极大方便了相机的使用。经像质检测及动态实验结果表明:转镜式高速相机增配别汉棱镜转像机构后,对相机光学系统成像质量不受影响,甚至略有提高。

超高速摄影中铍转镜静力学与动力学性能分析

基于弹性力学空间问题基本方程、线性振动系统运动方程及有限元法,提出转镜力学特性的数值分析方法.运用该方法得出转镜镜面变形量、内部应力分布和振动模态参量的定量数值:在边缘线速度600m/s下,三面体铍转镜的最大变形量为约0.3346μm;最大应力0.204GPa,位于轴孔附近并与镜面距离最短处;两个在互相垂直平面内的一阶弯曲振动模态发生在3.4×105r/min附近,一阶扭振点位于5.13×105r/min附近,两个二阶弯曲振动点位于6.6×105r/min附近.结果表明,如制造无缺陷,由体力产生的静载荷不足以破坏镜体,对转镜产生较大破坏作用的是共振导致的疲劳破坏.

FJZ-1000型超高速转镜分幅相机及其应用

FJZ-1000型超高速转镜分幅相机最高摄影幅频为1×107幅/s,画幅总数160幅,尺寸7.5×10mm2。光学系统中新加入场镜以使相机的所有画幅均完整成像,使相机摄影频率全面达到标称值的技术指标。配备了新型数字化微机控制台,使相机的操作更加方便,并且实现了两台气动相机的联合拍摄,与脉冲X光机也进行了联动实验。相机达到了设计技术性能指标,实验取得了满意的结果。

超高速摄影仪转镜动力学性能的研究

对超高速摄影仪转镜动力学特性提出了系统的数值分析方法,包括对转镜分别进行模态、谐响应、灵敏度数值分析和试验研究.首先利用数值方法提取出转镜前5阶固有频率、振型及转镜幅频特性曲线,发现转镜的1阶和2阶共振带出现了叠加现象,在1阶弯曲振动处幅频特性曲线上的峰值远大于其它各阶的峰值,最大应力出现在转轴上,说明转轴的损伤是转镜失效的主要形式,1阶弯曲是转镜失效的主要原因.为验证转镜结构尺寸与转镜固有频率的关系,利用ANSYS参量化设计语言建立转镜固有频率灵敏度分析模型,使用ANSYS概率设计模块对转镜进行了固有频率灵敏度数值分析.计算结果表明,镜体外接圆半径和转轴轴段2半径对转镜固有频率影响最大.灵敏度实验结果表明,转镜的结构尺寸改变引起的转镜固有频率的改变方式和改变程度与数值分析结果是一致的.为转镜动力学设计提供了较高准确度的数值分析方法.

两台联动转镜式高速相机像漂移分析

讨论了两台联动转镜式高速相机像漂移的各种原因,从理论和实验对相机像漂移的影响因素进行了分析,比如磁电式传感器、材料、制作工艺、装配精度及操作不当等。并针对这些影响因素,提出了解决像漂移的技术措施,通过实验证明了改进效果。

基于特征值灵敏度分析的超高速摄影仪转镜设计

利用数值分析方法,通过建立转镜特征值灵敏度分析模型,根据模态分析计算生成转镜特征值灵敏度循环执行文件,选用Monte Carlo法拉丁超立方抽样对转镜结构尺寸参数在其概率密度分布函数内进行抽样计算,统计分析得到反应转镜结构尺寸与特征值之间的Spearman秩相关系数。根据数值分析结果,修改镜体外接圆半径,并对修改前后的转镜分别进行模态数值分析和试验,结果显示转镜1阶模态增大101.8%,1阶临界转速达到8.7×105 r/m,说明根据转镜特征值灵敏度数值分析结果优化转镜结构尺寸是一种实用、有效的方法。

高速扫描相机时间测量不确定度分析

以国内普遍使用的SJZ 3 0型高速扫描相机为例 ,用精测转速方法的结果处理数据 ,转速测量相对合成不确定度小于 0 1 % ,时间间隔测量的相对扩展不确定度为 0 2 % 扫描速度在像面上的位置误差 ,采用“中值扫描速度” ,可予以校正

基于拓扑理论的超高速摄影仪转镜结构设计

提出基于连续体拓扑优化设计理论的转镜结构拓扑描述方式和材料插值模型,利用有限元理论和方法,建立转镜各向同性惩罚微结构单模态拓扑优化插值模型,对转镜的第1阶固有频率进行最大动刚度拓扑优化数值分析,并根据转镜伪密度分布图,修改原有转镜结构.通过对修改前后转镜模态进行数值分析与试验发现,转镜第1阶固有频率由原来的713.6 Hz提高到821.4 Hz,第2阶固有频率值增加48%,第3阶固有频率值增加50%,其他各阶固有频率都有明显提高.试验结果和数值解在误差范围内保持一致.

基于动力学性能的超高速摄影仪转镜的设计

为探索超高速摄影仪转镜的设计,提出了系统性的转镜动力学性能设计理论和方法。结合静力学和动力学理论,利用有限元分析软件对初始设计的转镜进行静强度、模态、谐响应、固有频率灵敏度进行数值分析,并对数值分析结果进行试验验证,根据分析结果反复修改相应的转镜的结构尺寸并设计新的转镜,对新设计的转镜进行交变力疲劳分析和试验。结果发现,初始设计转镜的最大应力小于转镜材料的屈服强度,转镜不会出现静强度失效;转镜一阶临界转速落在工作转速以内,其动力学特性不满足要求;镜体外接圆半径与转镜的固有频率负相关且相关程度最高;新转镜的一阶固有频率从459.4Hz增大到713.6Hz,变化率55.3%,转镜的一阶临界转速达到42 816r/min,成功地避开了共振点,且疲劳强度满足设计要求。

转镜高速相机的电机调速系统设计

转镜高速相机的转镜驱动电机通常采用特种高速直流调速电机 ,对启动控制要求较高。而转镜高速相机不但要求其转镜驱动电机有较高的调速精度 ,还对整个转速—时间曲线提出了要求。这里介绍的计算机控制电机调速系统采用了专家控制型控制策略 ,使用了驱动简单、热稳定性好的绝缘门双极型晶体管 (IGBT)作功率放大元件 ,满足了转镜高速相机的需求。

高精度透平驱动器的设计

透平驱动器可以高效稳定的驱动转镜式高速相机。本设计中气动部分采用高压和低压双气路通道，分别利用SMC的ITV2050系列不同耐压值的高精度电气比例阀进行高精度控制；电气控制方面以XC164CS单片机为核心控制器，利用超高速光耦ACPL-072L对激光测速计的转速信号进行光电隔离；采用了模糊控制与PID控制相结合，优势互补的控制策略。实验曲线表明转镜相机转速被设定在3—30万转／min的范围内时，该系统可以使得转镜在8s内达到稳定状态，稳态误差小于0．5％。

爆炸驱动金属管膨胀理论计算

描述了对爆炸驱动金属管膨胀的理论计算并通过实验对其进行了验证。利用力学模型和经验公式计算不同材料和尺寸的金属管的爆轰参数:膨胀角、破裂半径和爆速。采用高速分幅相机测试技术,得到了金属管膨胀运动过程的分幅照片,掌握了金属管的膨胀及破裂情况,由此测得了膨胀角,并使用电探针测量了炸药爆速。通过与实验金属管的膨胀数据对比,为理论计算可靠性提供重要依据。

转镜式高速相机扫描速度检测装置及不确定度评定

基于光电转换基本原理,设计并研制了用于转镜式高速扫描相机扫描速度的检测装置,包括均匀脉冲光源、精密双狭缝、超快响应光电转换器以及高带宽、高采样率数字示波器等。论述了检测装置的核心部件,用该装置实测了SJZ-15型转镜扫描相机名义扫速为4.5mm/μs的扫描速度,计算出了扫速不均匀性。按照国军标GJB3756,对检测装置的测量不确定度来源进行了分析,给出了该装置的不确定度评定方法及测量不确定度,对检测结果的评定表明,该检测装置的相对测量不确定度不大于0.1%,远低于目前转镜扫描相机的最大扫速不均匀性水平。实验证明,设计的检测装置具有很高的准确度和可靠性。

斜入射高速转镜相机数字像面的研究

转镜相机像面设计中,基于传统代替圆理论的设计存在原理性误差,而通过综合考虑几种代替圆理论衍生出来的最佳设计理论会出现圆心不重合、转镜中心点偏离坐标中心等问题,对加工和装配的要求高。在数字像面设计中,把转镜旋转中心点设为坐标中心,推导出每个传感器成像像面坐标和像面边缘离焦量方程,从模拟结果可以看出,转镜扫描时形成了Pascal蜗线,且每个像面又单独为一条直线,符合高速转镜原理和本文计算理论的结论。可为像面定位、工作角、倾斜角选取提供依据。

FJZ-250型高速分幅相机时间测量不确定度分析

FJZ-250型高速转镜分幅相机因转镜速度的不可重复性,光机结构的构造原理和控制系统各路高压触发时间的漂移,导致了时间测量的不确定度。为此,须对相机测量数据进行校正。阐述了校正方法、提供了逐幅校正位置误差的修正系数。若以预置转速对应的名义周期值去处理测量结果,则相机的时间测量合成不确定度将达1%,对名义周期值和名义幅间间隔时间值进行修正后,则可降至0.3%。