史 魁， 杨洪涛， 彭建伟， 王 浩， 闫阿奇
（1.中国科学院 西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119；
2.中国科学院大学，北京 100049）
高帧频摄像系统是一种能够以极大的帧速率捕获运动图像的设备。它可以在很短的时间内完成对高速运动目标的快速采样，在以常规速度放映时，所记录目标的快速变化过程就清晰、缓慢地呈现出来。借助自身与目标非接触的独特优势，高帧频摄像系统在核探测、爆轰效应、高速碰撞等现代科学领域有着广泛的应用需求［1］。为了清晰拍摄某运动速度达2 000 m/s的高速运动目标的碰撞过程，需要研究一种帧频大于5万帧/秒的高帧频摄像技术。
当前具备5万帧/秒成像能力的图像传感器被外国垄断，核心技术受到限制。美国Phantom公司和日本Photron公司在售的商业产品中，均有采用单一传感器实现帧频大于5万帧的超高速摄影数码相机。在遵循核心器件国产化的原则下，如何使用帧频不高的国产成像探测器实现5万帧/秒的高帧频成为研究的重点与难点，目前国内尚无成熟先例。在高速碰撞时，进行近距离拍摄的高帧频摄像系统的镜头可能会损坏，需要研究一种高帧频摄像系统镜头的防护技术［2］。
本文提出采用七组成像单元在顺序脉冲的控制下接续拍摄的方法，设计了一种高帧频摄像系统，研究并设计了一种三组保护窗可移动切换的保护窗组件，解决了振动环境下切换机构自锁的问题并实现了大传动比驱动，保护窗切换的位置可以实时反馈。针对成像单元FPGA的散热问题，进行了热设计。高帧频摄像系统样机满足指标和实际使用的要求，具有较高的环境适应性。
由于国产高帧频探测器的型号稀少，性能有限，调研后最终所选用长光辰芯的某国产高帧频CMOS探测器，最高输出帧频为7 200 frame/s［3］。
为了实现5×104frame/s的高速摄像，采用7组成像单元按照一定时序接续拍摄成像。7个成像单元拼接形成的5万帧与单个高帧频摄像系统相比，系统可靠性较高，7个成像单元中部分成像单元工作异常时，依然能够实现万帧级的高帧频成像，而单个高帧频摄像系统如果工作异常，则可能直接失去成像能力。然而，由于7个成像单元的拍摄角度不同，所拼接出来的高速视频流中相邻的两幅图像存在一定差异。
考虑安全裕度，每个探测器的帧频为7 150 frame/s，最终组成大于5×104frame/s的高速摄像视频流。
2.1 主要技术指标
根据实际的使用需求，高帧频摄像系统的主要技术指标如下：
（1）拍摄帧频≥50 000帧/秒；
（2）成像光谱范围为可见光；
（3）视场角大于90°×30°；
（4）分辨率为1 600×500；
（5）功耗≤85 W；
（6）质量为（6±0.5） kg。
2.2 主要组成
光学系统由7个光学镜头构成，每个光学镜头对应1块高速成像板。
结构系统主要包括镜头结构及箱体结构，为摄像系统提供支撑和防护。相机前端有移动切换且可自锁的保护窗组件。
高帧频摄像系统电子学组件由7个高速成像单板和1块控制板构成。每个高速成像单板的帧频是7 150 frame/s，控制板负责完成电源转换、外部通讯和7块成像板拍摄顺序的控制。
图1 高帧频摄像系统组成Fig.1 Composition of high frame frequency camera
图1所示为高帧频摄像系统组成。拍摄时目标位于高帧频摄像系统前方1 m位置，相邻成像单元的探测器中心间距为60 mm，为了保证7个成像单元的图像有足够的重叠率，重叠区域对应的视场角大于90°×30°。由光学视场分析得到，两侧成像单元与最中间成像单元的夹角依次分别为1.7°，3.4°，5.1°，误差不大于0.1°。
2.3 光学系统方案
根据高速摄像机原理以及技术指标要求，光学系统的设计指标为：
（1）光谱为450～700 nm；
（2）焦距为5.2 mm；
（3）视场角≥92°×35°；
（4）相对孔径为F/2；
（5）畸变≤5%；
（6）杂光系数≤5%。
光学系统初步的设计结果如图2所示。光学系统的中心视场平均MTF≥0.7@77 lp/mm；
温度适应范围为-40～+70 ℃。
图2 高帧频摄像系统光学系统Fig.2 Optical system of high frame frequency camera
高帧频摄像系统的结构总体上分为前、中、后3大部分，结构件都采用高强度镁合金MB15材料。图3为高帧频摄像系统机械结构爆炸图。前部由保护窗组件、防护罩和遮光罩组成。针对保护窗易被损坏的特殊使用环境，保护窗组件有3组可自动移动切换的保护窗玻璃，保护窗架通过两端的直线导轨固定在主壳体上。为了对传动机构和非工作的保护窗玻璃形成有效的保护，保护窗组件最前面设计了一个防护罩。在工作的那一组保护窗的通光口四周设计了一个遮光罩，既可以遮挡视场边沿的杂散光，又可以对工作的保护窗玻璃形成一定的保护。
图3 高帧频摄像系统机械构型爆炸图Fig.3 Explosive view of mechanical configuration of high frame frequency camera
中部由主壳体及安装在主壳体内部的7个成像单元组成。7个光学物镜分别固定在对应的成像基板上的一面，成像基板的另一面固定有成像电路板，成像基板通过4个角上的安装孔固定在主壳体内部。在主壳体的前面板上对应位置开有7个圆孔，7个光学物镜的头部从这7个圆孔中露出来，以获取视场。在每个成像单元的后端，紧贴着成像电路板设计了导热装置，导热装置可以将成像电路板上的热量传导至主壳体的内壁上，达到散热的目的。
后部为后盖板和主控电路板，主控电路板固定在后盖板上。电接口为3个对外的接插件，安装在主壳体的底面。
在实际工作过程中，高帧频摄像系统的前端可能遭受来自拍摄目标的打击，为了保证高帧频摄像系统前端光学部分不被损坏从而能够正常工作，在高帧频摄像系统前端设计了移动切换且可自锁的保护窗组件。保护窗组件有3组保护窗，当镜头正前方的一组被损坏，严重影响成像效果时，可以人工判别并发送遥控指令，切换至另外一组完好的保护窗，保证高帧频摄像系统能够继续正常工作。
图4为高帧频摄像系统前端的移动切换且可自锁的保护窗组件。保护窗组件主要包括光窗玻璃、保护窗架、导轨导向机构、齿轮齿条驱动机构、蜗轮蜗杆自动锁紧传动机构、霍尔传感器位置反馈机构及支撑主壳体［4］。
3组保护窗玻璃分别固定在保护窗架上，每一组保护窗玻璃有7块石英JGS1玻璃。保护窗架在齿轮齿条驱动机构的驱动下，由导轨导向机构进行导向平移移动，可实现多组保护窗的移动切换。
蜗杆一头通过两个背对背安装的角接触球轴承固定在电机座上，另一头通过电机轴压板压紧在电机的转轴上，蜗杆与电机转轴同步转动。蜗杆转动时驱动蜗轮转动，传动比为1∶32。蜗杆不转动时，蜗轮被锁紧，不能通过外力使蜗轮转动并驱动蜗杆转动，此为自锁功能。
图4 移动切换且可自锁的保护窗Fig.4 Switchable and self-locking protective window component
蜗轮固定在齿轮轴的一头，齿轮固定在齿轮轴的另一头。当蜗轮转动时，齿轮轴和齿轮同步转动。齿轮转动带动齿条直线移动。齿条的一头固定在导轨滑块上，另一头与保护窗架的中部固定连接，齿条直线移动时，推动保护窗架移动，实现保护窗的平移切换［5］。霍尔传感器安装在保护窗架与主壳体之间，对保护窗移动位置进行精确反馈。
在电机选型时，需要对所需电机的最小输出力矩和对应的转速进行分析。由结构组成可知，在驱动移动保护窗时，齿条输出的力分两部分，一部分用来抵抗保护窗组件移动时的摩擦阻力F1，另一部分力F2用来保证保护窗组件获得足够的加速度。因此，齿条输出的力为：
保护窗组件的质量m约为1 kg，摩擦系数μ最大时为0.95，因此F1为9.5 N。
保护窗组件的行程最大为0.04 m，切换时间不大于0.4 s，则所需加速度a为0.5 m/s2，计算得到F2为0.5 N。因此，齿条的输出力F为10 N。
由齿轮齿条传动可知，齿轮的分度圆直径为16 mm，因此齿轮轴的输出力矩T1为：
蜗杆与电机轴固定连接，考虑传动机构的摩擦及安全系数，电机的最小输出力矩应为蜗杆输出力矩的2倍，即5 mN·m。
完成一次切换所需的最大移动量为0.04 m，对应电机轴转动26圈，所需时间为0.4 s，电机转动过程近似为匀加速转动过程和匀减速转动过程，计算可得电机的最大转速至少为130 rad/s。
经分析可得，所选电机转速为130 rad/s时，输出力矩不小于5 mN·m。
高帧频摄像系统的工作环境为真空环境，温度为-40～+70 ℃，正常情况下最长工作时间为10 min。高帧频摄像系统的总热耗为71.5 W，每个成像单元的热耗为9.5 W，控制电路板的热耗为5 W。
在极端低温-40 ℃的情况下，电子学组件都可以正常开机工作。对于保护窗切换的运动机构，高帧频摄像系统可在极端低温工况时开机预热5 min，运动机构温度≥-20 ℃，此时运动机构即可接收指令正常运动并实现保护窗的切换。
在极端高温+70 ℃的情况下，运动机构可接收指令正常运动并实现保护窗的切换。对于电子学组件，成像单元的图像处理器选用Xilinx公司的K7系列工业级FPGA来实现，选用型号为XC7K325T-2FFG676I。因限购原因，该型号FPGA只可采购到工业级型号，其最高适用温度不能超过100 ℃。电子学的其他电子元器件均使用普军级，最高适用温度均不低于125 ℃。无热控措施下的热分析结果表明，电路板上所有器件温度均不会超过125 ℃。当高帧频成像时，成像单元FPGA的使用效率约为60%，功耗约为6 W，发热会导致自身温度升高，当温度超过100 ℃时，FPGA可能损坏，无法正常工作。因此，需要采取热控措施，将FPGA上的热量释放出去［6］。
成熟、高效的主动热控方法通常为风冷散热和制冷机散热。该超高帧频摄像系统用于空间真空环境下，风冷散热主动热控方法不适用。制冷机主动热控可以较快地为FPGA降温，但是制冷机带来的体积、质量、功耗、成本大幅度增加，会使得系统的相关指标严重超标。因此，该系统的FPGA热控主要以被动热控为主。
2.1.1 暴力行为 患者常患有被害妄想、夸大妄想、幻视、幻听、兴奋、行为冲动等精神异常症状。部分表现为抑郁，此类患者常在幻觉、妄想等精神障碍的支配下发生突然的冲动行为，导致意外的发生。
主控电路板上FPGA的热耗为4 W，由于主控电路板固定在后盖板上，在后盖板上设计了散热凸台，凸台与主控板FPGA的外壳紧贴，为了减小接触热阻并防止短路，紧贴面上隔一层0.25 mm厚的导热绝缘垫。主控板FPGA可将热量传导至后盖板凸台上，实现散热。
成像电路板上FPGA的热耗高达6 W，且成像电路板远离主壳体的侧壁，难以将热量传导至主壳体上［7］。热管导热是比较成熟且适用的被动热控措施，但是定制热管的成本相对较高。本文采用另外一种低成本的被动热控措施，即在每个成像单元上设计了一种高导热石墨导热装置［8］，满足成像单元FPGA散热的热控要求。
图5 高导热石墨导热装置Fig. 5 Heat conduction device composed of high conduction graphite
图5为高导热石墨导热装置组成。导热装置两头为导热率较高的铝合金6061材料的导热板。如果导热装置为一个刚性组件，一端与主壳体紧固，另一端与成像电路板上FPGA外壳紧贴，则会因为过定位造成调节光轴夹角时无法移动成像单元，因此在导热装置中间设计了一段柔性材料［9］。导热装置中间的柔性材料采用高导热石墨板，石墨板采用9张石墨膜叠压而成，石墨膜的导热系数不低于1 300 W/（m·K）。采用石墨板，导热装置不但具有柔性结构，还具有极高的热导率［10］。
图5中，导热板1与主壳体的上内壁紧贴并固定连接，为了减小接触热阻，配合面上涂覆导热硅脂。导热板2通过4个角上的固定孔固定在成像单元基板上，同时导热板2与成像电路板紧贴。导热板2上的U型凸台与成像电路板上CMOS探测器的背面紧贴，配合面上隔一层0.25 mm厚的导热绝缘垫。导热板2上U型凸台下面的大平面区域与成像电路板上FPGA的外壳紧贴，配合面上隔一层0.25 mm厚的导热绝缘垫。图6为导热装置实物图。
图6 导热装置实物图Fig.6 Physical picture of heat conduction device
依据上述的设计与研究结果，完成整机加工生产装配。装调完成后的高帧频摄像系统，成像清晰，高帧频视频流稳定，保护窗切换平稳流畅，结构稳定性高。高帧频摄像系统实物如图7所示。
图7 高帧频摄像系统实物图Fig.7 Physical picture of high frame frequency camera
6.1 力学实验验证
在设计阶段对高帧频摄像系统进行了随机振动、冲击力学仿真分析。随机振动试验条件如表1所示，冲击试验条件如表2所示。由分析结果得到，X向（光轴方向）随机振动有应力最大值，最大应力出现在保护窗架的固定连接根部，为87 MPa。冲击仿真在X方向有应力最大值，最大应力出现在主壳体凸耳的根部，为183 MPa。保护窗架和主壳体均选用高强度镁合金MB15材料，最大许用应力为235 MPa，力学仿真分析表明设计是合理可行的。
表1 随机振动试验条件Tab.1 Random vibration test conditions
表2 冲击试验条件Tab.2 Impact test conditions
对装配好的高帧频摄像系统进行随机振动和冲击力学实验。实验后整机结构完好，图像清晰，工作正常。力学实验过程中，保护窗没有因为振动、冲击而移动，验证了保护窗切换机构的自锁功能。力学实验后，保护窗组件接收指令能够正常地完成保护窗的切换，验证了运动机构的稳定性和抗力学性能。保护窗组件实物如图8所示。
图8 保护窗组件实物图Fig.8 Physical picture of protective window assembly
在力学实验前即装配过程中，通过装调使得各成像单元相对中间成像单元光轴方位夹角的实测值接近理论要求，即分别为5.10°，3.40°，1.70°，0°，1.70°，3.40°，5.10°。力学实验后，实测各成像单元相对中间成像单元光轴方位夹角，分别为5.17°，3.37°，1.74°，0°，1.73°，3.35°，5.13°。各成像单元光轴夹角实验前后变化量均小于0.1°，满足设计要求，验证了高帧频摄像系统光机结构系统的稳定性。
6.2 热真空实验验证
对装配好的高帧频摄像系统进行了热真空实验，图9所示为热真空实验现场，控温点设置在产品外壳表面的非热源处。实验后整机结构完好，图像清晰，工作正常。
图9 高帧频摄像系统热真空实验Fig.9 Thermal vacuum test of high frame frequency camera
实验过程中，高温+70 ℃热透后，高帧频摄像系统开机并持续工作10 min，通过遥控遥测数据，获取了各成像单元FPGA内部的温度。表3所示为各成像单元FPGA的温度随时间的变化情况。在10 min内，最中间成像单元FPGA的温度最高，为93 ℃。由表3可知，持续工作10 min后，各成像单元FPGA的温度均小于100 ℃，满足设计和使用要求。
表3 各成像单元FPGA温度随时间的变化Tab.3 FPGA temperature change of each imaging unit with time （℃）
6.3 高帧频测试验证
7个成像单元在顺序脉冲的控制下接续拍摄，每个成像单元的拍摄帧频均为7 150 frame/s，相邻两个成像单元的拍照使能信号间隔均不大于20 μs，所以7台相机每秒共可拍摄50 050帧。
环境实验完成后，对高帧频摄像系统的帧频进行了测试，实测得到高帧频摄像系统的帧频为500 50 帧/秒。图10所示为50 050帧下7个成像单元依次拍摄某LED灯阵的视频流照片，拍摄时LED灯阵距离高帧频摄像系统光窗1 m。
图10 50 050 帧/秒下7个成像单元依次拍摄LED灯阵Fig.10 Images of led lights by 7 imaging units in turn at 50 050 frame/s
图11为50 050帧下7个成像单元依次拍摄实物场景的视频流照片，拍摄时实物场景与高帧频摄像系统光窗的距离为3 m。
图11 50 050帧/秒下7个成像单元依次拍摄实物Fig.11 Images of real objects by 7 imaging units in turn at 50 050 frame/s
本文针对5万帧/秒的高速拍摄需求，提出了采用7组成像单元在顺序脉冲的控制下接续拍摄的方法，设计了一种高帧频摄像系统。选定了光学系统方案和结构系统组成，完成了系统的详细结构设计。针对实际使用需要，研究并设计了一种三组保护窗移动切换的保护窗组件，驱动机构中采用了蜗轮蜗杆，解决了振动环境下的自锁问题。采用柔性的高热导率石墨板设计了一种中间部分为柔性的导热装置，可将FPGA的热量快速传导至主壳体上，既解决了在极端高温+70 ℃下成像单元FPGA的温度过高的问题，又解决了装调节环节中刚性导热装置过定位的问题。装配好的高帧频摄像系统样机实测拍摄帧频为50 050 帧/秒。对高帧频摄像系统样机进行了相关的力、热实验，实验结果表明，保护窗组件自锁功能正常，保护窗组件移动切换正常，高帧频摄像系统成像正常。该高帧频摄像系统设计合理可行，满足指标和实际使用的要求，有较高的可靠性和环境适应性。
本文的设计对其他航空航天光学设备中高帧频相机、保护窗切换和电子学热控等的设计具有一定的参考和借鉴作用。
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