本發(fā)明涉及超高速成像。更具體地說，本發(fā)明涉及斬斷式超高速高時空分辨的序列陰影成像技術(shù)。

背景技術(shù)：

1、隨著我國航天技術(shù)和基礎(chǔ)學(xué)科等發(fā)展，涉及超高速空氣動力學(xué)、超高速碰撞、爆炸與沖擊、燃燒與化學(xué)反應(yīng)等領(lǐng)域的研究不斷深入。在這些研究工作中，許多現(xiàn)象是持續(xù)時間僅為微秒甚至納秒級的超高速瞬態(tài)變化過程，需要有一種多序列成像技術(shù)能夠?qū)@一過程進(jìn)行清晰、連續(xù)地成像記錄，以便掌握物理現(xiàn)象的本質(zhì)。目前實驗室開展的多種超高速現(xiàn)象研究中，在某一固定測試區(qū)域的持續(xù)時間通常為幾微秒到幾十微秒，如超高速目標(biāo)的速度為10km/s（目前超高速現(xiàn)象通常低于此值），測試區(qū)域大小為100mm，則超高速目標(biāo)在測試區(qū)域的持續(xù)時間為10μs，在測試區(qū)域內(nèi)通常如果能夠獲得4幅-8幅超高速目標(biāo)圖像，則足以表征超高速現(xiàn)象的變化過程，也就是其幀頻至少達(dá)到40萬幅/秒-80萬幅/秒。如果超高速目標(biāo)速度低于10km/s，則超高速現(xiàn)象在測試區(qū)域的持續(xù)時間更長，相同幀頻下可以獲得更多數(shù)量的圖像。為了在記錄圖像時不因為目標(biāo)的運動引起較大的模糊，則每幅圖像的感光時間必須足夠短，通常要求記錄的圖像運動模糊量小于圖像分辨率的1/10，則認(rèn)為記錄的圖像滿足清晰成像要求。

2、目前國內(nèi)外采用微通道板（mcp）技術(shù)幅頻大于1000萬幅/秒的超高速成像設(shè)備，圖像像素都在130萬左右，并采用兩種成像方式，一種只有一個成像通道，其幀頻與圖像像素成反比，全畫幅時幀頻約2萬幅/秒，在最高幀頻為100萬幅/秒時像素為2萬左右；另一種采用分幅成像方式，拍攝4幅圖像時需要4個通道。國內(nèi)中國科學(xué)院西安光機(jī)所、深圳大學(xué)能生產(chǎn)序列數(shù)量大于8個、感光成像時間大于200納秒的轉(zhuǎn)鏡式分幅膠片攝影機(jī)，由于采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)的方式，每幅圖像的感光時間難以小于100ns，而且隨著膠片生產(chǎn)量減少，此類攝影機(jī)將很少使用。中國空氣動力研究與發(fā)展中心研制了基于“多光源空間分離技術(shù)”的超高速成像設(shè)備，在最短感光時間小于10ns時圖像像素大于1000萬，實現(xiàn)較高的時間和空間分辨成像，并能很好地消除測試區(qū)域自發(fā)光，但不同序列時刻的光束未經(jīng)過同一根光纖耦合輸出，不同光纖耦合效果如光束均勻性及耦合效率等參數(shù)會不一樣，而且進(jìn)入測試區(qū)域的光軸不一致，這樣會導(dǎo)致每幅圖像的成像角度和測試區(qū)域不一致，而且不同序列成像時因光路結(jié)構(gòu)不一樣，不同序列圖像的背景光斑質(zhì)量也會有所差別。如圖1為不同序列時刻獲得的測試目標(biāo)陰影圖像，圖像之間的間隔為6μs（對應(yīng)的幅頻為167萬幅/秒），每幅圖像的像素超高1000萬，但不同圖像的背景均勻性和亮度差別較大，而8幅圖像對應(yīng)的測試區(qū)域重合度小于95%。

3、總之，為了滿足超高速目標(biāo)變化過程多序列成像，國內(nèi)開發(fā)了多種超高速成像技術(shù)，其共同特點是實現(xiàn)了較高幀頻和較短的感光時間，但很難同時實現(xiàn)高的時間分辨（較短感光時間）和較高的空間分辨，而采用“多光源空間分離技術(shù)”實現(xiàn)了較高的時間和空間分辨，但存在測試區(qū)域不一致及不同序列圖像質(zhì)量不一致的特點。

4、對于上述問題，現(xiàn)有技術(shù)中也提出了相應(yīng)的解決方案，如圖4-圖8所示，申請?zhí)枮椋?02111626236?.2的一種同軸超高速多序列激光陰影成像裝置中，提出一種解決方案，其方案原理如下：

5、如圖4所示，其公開了從多腔光源子系統(tǒng)1發(fā)出的光束通過耦合器2進(jìn)入光纖3，發(fā)散光束4通過準(zhǔn)直鏡5后形成平行光束，平行光束穿過測試區(qū)6后進(jìn)入成像鏡7，成像鏡7對平行光束進(jìn)行匯聚進(jìn)入成像子系統(tǒng)8，成像子系統(tǒng)8對光束進(jìn)行等光程分光后變?yōu)槎鄠€光束，數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)9對測試區(qū)6不同時刻的圖像進(jìn)行成像并進(jìn)行圖像的遠(yuǎn)程傳輸和處理，時序控制子系統(tǒng)10控制多腔光源子系統(tǒng)1在不同時刻進(jìn)行閃光，同時控制數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)9在某一閃光時間段內(nèi)進(jìn)行相機(jī)的開啟和圖像采集，此光路實現(xiàn)超高速高時空分辨序列陰影成像。

6、圖5是多腔光源子系統(tǒng)示意圖，圖3中第一個激光頭101、第二個激光頭102、第三個激光頭103、第四個激光頭104共用一個控制和電源系統(tǒng)105。第一個激光頭101通過分束鏡ⅰ106和分束鏡ⅱ107后進(jìn)入耦合器2，第二個激光頭102通過反射鏡ⅰ108、分束鏡ⅰ106和分束鏡ⅱ107后進(jìn)入耦合器2，第三個激光頭103通過分束鏡ⅲ109和分束鏡ⅱ107后進(jìn)入耦合器2，第四個激光頭104通過反射鏡ⅱ110、分束鏡ⅲ109和分束鏡ⅱ107后進(jìn)入耦合器2。

7、圖6為序列陰影成像子系統(tǒng)8的示意圖，成像透鏡ⅰ801把成像鏡7的匯聚光束進(jìn)行準(zhǔn)直后通過成像透鏡ⅱ802進(jìn)行匯聚，匯聚光束通過分束鏡ⅴ807、分束鏡ⅳ805、反射鏡ⅲ803后進(jìn)入第一個短時間感光相機(jī)804（簡稱為第一相機(jī)），匯聚光束通過分束鏡ⅴ807、分束鏡ⅳ805后進(jìn)入第二個短時間感光相機(jī)806（簡稱為第二相機(jī)），匯聚光束通過分束鏡ⅴ807、分束鏡ⅵ808、反射鏡ⅴ811后進(jìn)入第三個短時間感光相機(jī)810（簡稱為第三相機(jī)），匯聚光束通過分束鏡ⅴ807、分束鏡ⅵ808、反射鏡ⅲ809后進(jìn)入第四個短時間感光相機(jī)812（簡稱為第四相機(jī)）。

8、圖7為時序控制器10的信號示意圖，橫軸為信號提供的時間，縱軸為ttl信號，當(dāng)s1時序中第一個ttl信號ⅰ905提供給第一個相機(jī)804后，相機(jī)804開始感光1μs左右，當(dāng)?shù)谝粋€ttl信號ⅰ905提供給第一個相機(jī)804經(jīng)過10ns-200ns的延時后提供給多腔光學(xué)系統(tǒng)s2時序中第一個ttl信號ⅱ901，第一個激光頭101閃光；當(dāng)s1時序中第二個ttl信號ⅰ906提供給第二個相機(jī)806后，相機(jī)806開始感光1μs左右，當(dāng)?shù)诙€ttl信號ⅰ906提供給第二個相機(jī)806經(jīng)過10ns-200ns的延時后提供給多腔光學(xué)系統(tǒng)s2時序中第二個ttl信號ⅱ902，第二個激光頭102閃光；當(dāng)?shù)谌齻€ttl信號907提供給第三個相機(jī)810后，相機(jī)810開始感光1μs左右，當(dāng)s1時序中第三個ttl信號ⅰ907提供給第三個相機(jī)810經(jīng)過10ns-200ns的延時后提供給多腔光學(xué)系統(tǒng)s2時序中第三個ttl信號ⅱ903，第三個激光頭103閃光；當(dāng)?shù)谒膫€ttl信號908提供給第四個相機(jī)812后，相機(jī)812開始感光1μs左右，當(dāng)s1時序中第四個ttl信號ⅰ908提供給第四個相機(jī)812經(jīng)過10ns-200ns的延時后提供給多腔光學(xué)系統(tǒng)s2時序中第四個ttl信號ⅱ904，第四個激光頭104閃光。

9、但該技術(shù)關(guān)注的點在于：如圖8所示，上述的因為不同序列激光束穿過測試區(qū)域的不同軸，導(dǎo)致8幅不同序列圖像中黑色豎線寬窄不一致，這種豎線為測試區(qū)域放置某個薄板引起，另外不同序列激光束穿過的光學(xué)元件不同，導(dǎo)致圖像中黑色顆粒外的其它區(qū)域背景亮度不一致的問題，但在實際的應(yīng)用中，因激光束的高斯效應(yīng)特性，在垂直于光束傳播方向的截面會不均勻，這種不均勻的光束擴(kuò)束后照射到測試區(qū)域時就導(dǎo)致被記錄的圖像背景不均勻，影響成像分辨率。另外，原公開的成像光路不能實現(xiàn)超高速序列前光成像，使其應(yīng)用場景受到限制。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的一個目的是解決至少上述問題和/或缺陷，并提供至少后面將說明的優(yōu)點。

2、為了實現(xiàn)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點，斬斷式超高速高時空分辨的序列陰影成像技術(shù)，包括：將多腔光源子系統(tǒng)發(fā)出的光束送入光纖的耦合器；將光纖輸出的發(fā)散光束轉(zhuǎn)換成平行光束的準(zhǔn)直鏡；將穿過測試區(qū)的平行光束匯聚至成像子系統(tǒng)的成像鏡；對測試區(qū)不同時刻的圖像進(jìn)行成像，并對成像的圖像進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸和處理的數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)；控制多腔光源子系統(tǒng)在不同時刻進(jìn)行閃光，同時控制數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)在對應(yīng)閃光時間段內(nèi)進(jìn)行相機(jī)的開啟和圖像采集，以實現(xiàn)超高速高時空分辨序列陰影成像的時序控制子系統(tǒng)；其特征在于，還包括：設(shè)置在光纖輸出通路上的液態(tài)勻化機(jī)構(gòu)。

3、優(yōu)選的是，所述液態(tài)勻化機(jī)構(gòu)被配置為包括：

4、設(shè)置在光纖輸出末端的硬管；

5、設(shè)置在硬管內(nèi)，用于勻化光束的液體；

6、設(shè)置在硬管內(nèi)，并位于液體兩端用于密封液體的透明玻璃片。

7、優(yōu)選的是，所述液態(tài)勻化機(jī)構(gòu)還包括：

8、設(shè)置在硬管前端的聚光鏡。

9、優(yōu)選的是，還包括：用于獲取測試目標(biāo)不同時刻前光信息的序列前光成像子系統(tǒng)。

10、優(yōu)選的是，所述序列前光成像子系統(tǒng)通過成像透鏡組、分束鏡組將進(jìn)入的光束等光程分光為4組光束，以不同光路上設(shè)置的相機(jī)分別記錄不同組的光束；

11、其中，各相機(jī)的最短曝光時間為1μs，獲取4幅陰影圖像時不同圖像之間的間隔時間最短為1μs；

12、在將輸入光束一分為二的分光鏡后端光路上，分別設(shè)置有對應(yīng)的成像透鏡。

13、優(yōu)選的是，還包括應(yīng)用斬斷式超高速高時空分辨的序列陰影成像技術(shù)的方法，采用所述斬斷式超高速高時空分辨的序列陰影成像系統(tǒng)，對于不同序列的激光束，在超高速目標(biāo)變化過程中，將成像時刻段分割斬斷為多個微秒級的時間段，以對不同時間段的陰影圖像成像光路進(jìn)行多個等光程分光，進(jìn)而通過不同的短感光時間相機(jī)接收不同分光后的目標(biāo)圖像；

14、其中，將不同相機(jī)靶面的實際感光時間設(shè)置為與對應(yīng)序列脈沖激光光源的閃光時間同步。

15、本發(fā)明至少包括以下有益效果：本發(fā)明通過斬斷式成像技術(shù)，在滿足較高的時間和空間分辨前提下實現(xiàn)測試區(qū)域一致和不同序列圖像質(zhì)量一致，而通過液體勻化技術(shù)，每幅圖像的背景均勻性將得到較大提升，相應(yīng)地成像分辨率得到提高，采用不同的激光光源照明方式和成像方式可分別實現(xiàn)超高速高時空分辨的序列陰影和前光成像。

16、本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本發(fā)明的研究和實踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。