动态光测力学数字式阵列高速摄像系统研制

The high speed camera technology will play an important role in studing dynamic optical measurement method,material dynamic mechanics properties and dynamic fracture. At present, the digital high speed camera system is extremely scarce for dynamic experimental study in photomechanics, which is only limitted to the traditional film-style multi-spark high speed camera system.In this project, the digital array high speed camera system will be developed including 4 * 4 array LED light source, 4 * 4 array CCD camera, a precise timing synchronization delay control systems, an optical imaging system, an impact loading system, a high speed image capture and software systems for 16 pictures and so on; The geometric optics design principes and imaging mechanism of the array high speed camera system are analyzed; The technical weaknesses of the traditional multi-spark high speed camera system (uneven light intensity,strike discharge, film recording and darkroom operation) will be overcomed; The high-speed digital recording, transmission and analysis of the dynamic optical images (dynamic caustics, dynamic photoelasticity, dynamic speckle images, dynamic moire, etc.) will be realized. The digital array high speed camera system will form a dynamic optical mesurement equipment/instrument with independent intellectual property rights in China, and it will promote the innovative fundmental experimental research for dynamic mechanical behaviors of materials and structural in solid mechanics.

高速摄像技术是动态光测力学及材料动态力学性能、动态断裂行为研究的重要手段。目前，适于动态光测力学研究的数字式高速摄像系统极其匮乏，主要限于传统的胶片式多火花高速摄影系统。本项目主要研制数字式阵列高速摄像系统样机，包括：４*４阵列ＬＥＤ光源、４＊４阵列ＣＣＤ相机、精密的时序同步延迟控制系统、光学成像系统、冲击加载系统、16幅高速摄像采集及分析软件系统等；揭示阵列高速摄像系统的几何光学设计原理与成像机制，攻克传统多火花高速摄影系统固有的技术弱点（光源光强不均匀、放电自击、胶片记录与暗室操作），实现动态光力学图像（动焦散、动光弹、动态散斑图像、动云纹等）的高速数字化记录、传输及分析。形成具有我国自主知识产权的动态光测力学仪器设备，推动材料与结构动态力学行为基础科学问题的创新性实验研究。

本项目对数字式阵列高速摄像系统进行设计及动态变形和断裂力学行为的应用研究。首先，提出3*3数字式阵列高速摄像系统的设计方案，包括3*3阵列LED光源单元、3*3阵列CCD相机单元、高精度时序同步延迟控制单元、光学成像单元、加载单元等。数字式阵列高速摄像系统由3*3阵列LED点光源发出的光经第一场镜作用变为平行光，穿过试件后再经过第二场镜汇聚，最终由3*3阵列CCD相机单元接收成像。其次，基于几何光学成像原理，分析了光学系统几何参数对视差的影响规律，建立理论视差模型，在场镜的焦距一定时，随着LED光源间距的增加，光学视差迅速增加；同时根据CCD相机空间位置差异和相机镜头对焦不一致等因素建立实际视差模型；基于数字图像相关技术，提出一种数字式阵列高速摄像系统的亚像素平移视差修正方法。最后，高速摄像技系统与先进动态光学测试方法相结合，利用动态焦散线法研究有机玻璃（PMMA）材料在低速落锤冲击载荷作用下断裂特性，获得I型、I+II复合型动态应力强度因子和裂纹扩展速度等信息；对于动态焦散线方法，视差修正前后动态应力强度因子最大偏差为0.2%；利用动态数字散斑法研究有机玻璃的动态力学行为，根据亚像素平移的视差修正方法，对有机玻璃实验前后的两组数字散斑图像相对于参考图像的视差进行修正，最终得到不同时刻的位移场。利用有限元分析软件对冲击过程进行模拟，修正后的水平和竖直位移场与模拟结果的最大偏差分别为5.2% 和4.2%，修正前的水平和竖直位移场与模拟结果的最大偏差分别为10.3% 和 7.7%，证明了视差修正方法对于提高阵列数字式高速摄像系统动态测试精度的有效性。.本项目对于形成具有我国自主知识产权的动态光测力学仪器设备，推动材料与结构动态力学行为基础科学问题的创新性实验研究具有重要学术意义。