1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 4 期 2023 年 4 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.4 Apr.2023 收稿日期:2022-12-14 基金项目:国家自然科学基金基础科学中心项目（51988101）作者简介:刘代峰（1993），男，山东济南，硕士，实验师，主要研究方向为超重力机载实验装置，。引文格式:刘代峰，闫子壮，柳景淳，等.超重力环境下高速相机测试平台研制J.实验技术与管理,2023,40(4):156-161.Cite this article:LIU D F,YAN Z Z,LIU J C,e
2、t al.Development of high-speed camera test platform in high gravity environmentJ.Experimental Technology and Management,2023,40(4):156-161.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.04.023 超重力环境下高速相机测试平台研制 刘代峰1,2，闫子壮1,2，柳景淳1,2，施昌宇1,2（1.浙江大学 超重力研究中心，浙江 杭州 310058；2.浙江大学 软弱土与环境土工教育
3、部重点实验室，浙江 杭州 310058）摘 要：该文研制了一套可应用于离心超重力实验环境的高速相机的测试平台，设计了稳定、可靠、能溯源的图像信号发生装置，可适配高速相机不同的拍摄工况，用于图像质量评价。结合实际工程需求，通过常重力和超重力环境下高速相机的性能测试实验，评估了不同工况下的相机成像质量，验证了测试平台的稳定性和可靠性，为高速相机在超重力环境中的实际应用提供了实验依据和技术支持。关键词：高速相机；超重力环境；图像评价；测试平台 中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)04-0156-06 Development of high-speed cam
4、era test platform in high gravity environment LIU Daifeng1,2,YAN Zizhuang1,2,LIU Jingchun1,2,SHI Changyu1,2(1.Hypergravity Research Center,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;2.Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering of Ministry of Education,Zhejiang University,Hangzhou 3
5、10058,China)Abstract:In this paper,a set of high-speed camera test platform that can be applied to the centrifugal gravity experiment environment is developed.A stable,reliable and traceable image signal generation device is designed,which can adapt to different shooting conditions of high-speed cam
6、era and can be used for image quality evaluation.According to the actual engineering requirements,the camera imaging quality under different working conditions is evaluated through the performance test experiments of high-speed camera under constant gravity and high gravity environment,and the stabi
7、lity and reliability of the test platform is verified,providing experimental basis and technical support for the practical application of high-speed camera in high gravity environment.Key words:high-speed camera;high gravity environment;image evaluation;test platform 与常重力相比，超重力实验具有时空缩尺和加速相物质分离效应，为研究
8、多相介质演变开辟了新途径，为解决工程问题提供了新手段，因而广泛应用于材料科学、地质科学和岩土工程等不同的领域1-2。由离心机搭载实验装置可实现超重力场与多物理场耦合，使得离心超重力实验的研究领域不断拓宽，其中高速摄像技术已成为超重力场下爆破工程、颗粒流、雨滴运动轨迹等不同学科问题的重要研究方法3-4。高速相机可以在短时间内对高速运动的目标进行多次采样，记录清晰的画面5-6。通过事后慢速回放，应用数字图像算法处理工具，可实现运动目标位移、速度、加速度、角度、角加速度、长度、形变等参数的测量和数据分析7-8。为提高影像信息分析结果的质量和间接测量的精度，除提高帧频外，还应提高图像的成像清晰度9-1
9、0。高速相机多使用 CMOS 图像传感器，在百万像素分辨率下的拍摄速度可达 1000 f/s 以上，并且通过缩减分辨率还可以进一步提高帧频，以满足各种拍摄需求11-12。基于国家重大科技基础设施项目“超重力离心模拟与实验装置”的研究需求，评估高速相机在离心模 刘代峰，等：超重力环境下高速相机测试平台研制 157 拟超重力场下的性能参数是亟待解决的问题。构建真实的应用拍摄场景耗时耗力、成本高、可重复性差，而且没有标准化的参考指标，不能定量地评价成像效果。因此需要研制一套可应用于离心超重力实验环境，以稳定、可靠、能够溯源的图像信号发生装置为主体，可适配高速相机不同的拍摄工况，并有图像评价标准的实验
10、测试平台。1 平台系统设计 1.1 设计指标 高速相机成像光学系统的设计要根据运动目标的活动范围和检测精度，计算成像视场大小和分辨率，确定满足要求的拍摄速度和曝光时间，选择适当的相机、镜头和照明光源，得到成像效果最佳的图像13。视场是指相机所拍摄的物方空间大小，各方向的视场（F）可由下式计算：Fabcd=+（1）式中，a 为目标动态移动的最大尺寸；b 为位置容差；c 为边界余量；d 为相机芯片横纵比调整值。空间分辨率由相机芯片和视场共同决定，空间分辨率（Rs）是保证检测精度（）的重要因素，可由下式计算：s11510R=|（2）由下式计算满足要求的相机分辨率（Rc）：csFRR=（3）镜头选取的
11、两个重要参数是焦距和工作距离（物距），相机靶面尺寸（L）、焦距（f）与视场（F）、物距（u）的关系如下：LFfu=（4）相机靶面尺寸（L）的计算公式为 csLRC=（5）式中，Cs为相机的像元尺寸。同时，所选配镜头的靶面尺寸应大于或等于相机的靶面尺寸。相机高帧率捕捉运动场景，并通过超慢速播放将动态瞬间还原，单位时间采集图像的密度由运动分析的需求决定。为了避免产生重影、拖尾等模糊的图像，运动目标单个曝光时间所产生的位移须小于单个像素的实际尺寸。根据“超重力离心模拟与实验装置”国家重大科技基础设施项目记录高速运动目标和实验现象的需求，实验测试平台应满足以下实验环境和测试指标：（1）超重力实验环境的
12、最大离心加速度达到100 g；（2）视场不小于 400 mm200 mm（长宽）；（3）物距 100500 mm 可调；（4）被测相机的最高分辨率不小于 19201080；（5）被测相机的最高拍摄速度不小于 1000 f/s；（6）运动目标的最高模拟速度不小于 40 m/s。1.2 系统组成 高速相机测试平台集拍摄单元、图像信号发生装置和光照单元于一体，如图 1 所示。测试平台采用箱体式基座安装形式，为高速相机提供密闭的拍摄环境，同时也提高了机械安全防护的等级。由于高速摄像的曝光时间极短，因此选用发光功率大、无频闪的 LED灯作为辅助光源，为相机提供足够的曝光亮度。测试平台预留多组相机螺钉固定
13、孔，满足被摄目标到镜头100500 mm 可调物距的设计要求。图 1 高速相机测试平台三维模型 图像信号发生装置结构如图 2 所示。伺服电机的转速由西门子 S7-1200 PLC 和 V90 驱动器组成的控制系统控制，最高转速为 4000 r/min，速度控制精度可达 0.1%。伺服电机驱动标准圆盘靶面旋转，产生高速动态稳定的图像。装置采用一体化电机支座，保证伺服电机和传动轴良好的安装同轴度。传动轴两端采用双角接触轴承的布置方案，可以承受较大的径向载荷和轴向载荷，提高了整套传动机构的强度和刚度。图 2 图像信号发生装置结构组成 158 实 验 技 术 与 管 理 在满足测试平台功能要求的基础上
14、，部署多传感器状态监测系统，以便更好地了解平台运行状态和性能参数：低照度工业摄像头实时监控平台的实验进程，起到安全防范的作用；伺服电机配装有单圈绝对值编码器，实现对圆盘靶面转速的反馈和控制；使用激光位移计对高转速、超重力环境工况下的圆盘靶面的振动情况进行监测；在圆盘靶面和高速相机的安装区域，均配置有 X、Y、Z 三个方向的单轴向加速度传感器，用于监测不同工况下平台的振动情况。1.3 结构校核 箱体式基座、法兰及圆盘靶面均采用轻质铝合金6061-T651 材料，屈服强度可达 245 MPa。传动轴、轴承座采用 45 钢，屈服强度可达 355 MPa，其调质处理工艺进一步提高了传动轴的抗弯及抗扭强
15、度。使用ANSYS Workbench 软件对整套测试平台进行超重力环境下的静力学仿真分析，施加如图 3 所示的 100 g重力加速度。图 3 加速度施加示意图 箱体式基座及图像信号发生装置的应力、应变云图分别如图 45 所示。箱体式基座顶部盖板最大等效应力为 17.24 MPa，最大变形为 0.50 mm；图像信号发生装置的圆盘最大变形量为 0.013 mm，最大轴套等效应力为 20.57 MPa，材料强度具有较高的安全系数。图 4 箱体式基座静力学仿真 图 5 图像信号发生装置静力学仿真 1.4 运动目标 选用 USAF1951 分辨率板作为高速相机成像质量评价的运动目标，分辨率板安装固定
16、在圆盘靶面上，如图 6 所示。分辨率板使用玻璃基底材料制作，最大分辨率为 228l p/mm，即 2.2 m 的检测精度，适用于对各类光学仪器设备和镜头的分辨率和成像系统的畸变做评估。图 6 分辨率板安装示意图 刘代峰，等：超重力环境下高速相机测试平台研制 159 分辨率板外形尺寸为 25 mm25 mm，在伺服电机4000 r/min 转速的驱动下，最大线速度可达 42 m/s，高速相机通过拍摄窗捕捉分辨率板的动态图像。分辨率板的不同分辨率单元使用对应的组和元素标记，可以通过查表 1 得出每个单元对应的分辨率。表 1 分辨率对照表 m 组编号 元素 0 1 2 3 4 5 6 7 1 500 250 125 63 31 15.6 7.83.92 445 223 111 56 28 13.9 7.03.53 397 198 99 50 25 12.4 6.23.14 354 177 88 44 22 11.1 5.52.85 315 157 79 39 20 9.8 5.02.56 281 140 70 35 18 8.8 4.42.2 2 实验测试分析 2.1 实验系统搭建 基于视场