СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF RECORDING HIGH-SPEED PROCESSES AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Область техники
Изобретение может быть использовано для получения информации о параметрах (скорости, форме, размере и плотности распределения в пространстве) быстропротекающих процессов, таких как поведение поражающих элементов (ПЭ) в полете при испытаниях снарядоформирующих взрывных устройств (СФВУ) или образование аэрозолей и выброс частиц со свободной поверхности твердых тел при их ударно-волновом нагружении.
Основными задачами в рассматриваемой области техники являются повышение качества изображений при исследовании быстропротекающих процессов, а также эффективности и оперативности управления параметрами системы регистрации.
Уровень техники
Известны устройство регистрации оптического изображения (фоторегистрации) быстропротекающего процесса [1] и способ регистрации оптического изображения, который можно осуществить с помощью данного устройства. Объектом исследования является процесс формирования кумулятивной струи из облицовки, выполненной из композитного материала при подрыве кумулятивного заряда. Способ регистрации оптического изображения включает фотосъемку в однокадровом режиме выбранного участка области исследования с помощью скоростного фоторегистратора (СФР) с подсветкой в момент его срабатывания. Формирование кумулятивной струи осуществляют кумулятивным зарядом, который размещают перед вакуумированной камерой таким образом, чтобы кумулятивная струя проходила через рабочую область камеры.
3
Устройство фоторегистрации включает в себя устройство формирования быстропротекающего процесса в виде кумулятивного заряда с облицовкой из композиционного материала, размещенного перед вакуумированной камерой, снабженной оптически прозрачными окнами, взрывной источник подсветки и СФР, установленные на одной оптической оси по разные стороны от вакуумированной камеры. Ось вакуумированной камеры перпендикулярна общей оптической оси источника подсветки и СФР. Вход в камеру со стороны устройства формирования быстропротекающего процесса закрыт пластиной толщиной (0,5-5) мм, изготовленной из материала с плотностью (1-8) г/см, а расстояние от него до общей оси фоторегистрации и взрывного источника подсветки не менее 5 диаметров кумулятивного заряда, при этом оптически прозрачные окна камеры размещены соосно с общей осью СФР и взрывного источника подсветки.
В данных способе и устройстве регистрация осуществляется на фотопленку, имеющую низкую разрешающую способность, что позволяет зарегистрировать только общую картину формирования кумулятивной струи, но не обеспечивает точного определения ее параметров (скорости, размеров, формы и пространственного распределения плотности).
Известны способ регистрации изображения с помощью рентгеновского излучения [2] и устройство для его осуществления.
Способ получения рентгеновского изображения реализован при помощи облучения объекта исследований импульсами рентгеновского излучения, которые попадают на конвертер рентгеновского излучения, после чего полученные изображения регистрируются видеокамерой, синхронно управляемой с моментом прихода импульсов рентгеновского излучения. Затем происходит преобразование аналогового сигнала в цифровую форму, его запоминание, обработка и получение изображения. Экспозиция конвертера осуществляется пакетом мощных наносекундных импульсов рентгеновского излучения, приходящим синхронно с кадровой разверткой видеокамеры во время обратного хода луча видеокамеры.
Устройство регистрации изображений, полученных с помощью рентгеновского излучения, включает в себя импульсную рентгеновскую трубку с генератором импульсов высокого напряжения, конвертер рентгеновского излучения, цифровую видеокамеру для регистрации видимого излучения со своим блоком управления, который включает устройство хранения и обработки видеообразов, а также общий блок управления, включающий блок управления цифровой видеокамерой, контроллер, формирователь пакетов импульсов запуска, устройство выделения кадровых синхроимпульсов, устройство синхронизации и устройство управления выходными параметрами генератора.
Данные способ и устройство обеспечивают регистрацию пространственного распределения плотности кумулятивной струи, аэрозолей или частиц, выбрасываемых с ударно-нагруженной поверхности твердых тел, но не позволяют зарегистрировать динамику развития исследуемого быстропротекающего процесса и точного определения их параметров (формы, размеров и скорости).
Наиболее близким по количеству сходных признаков и решаемой задаче к заявляемому техническому решению является устройство скоростной регистрации изображения и способ регистрации, примененный в этом устройстве [3], выбранные в качестве прототипа.
Способ основан на методе последовательной съемки выбранного участка быстропротекающего процесса в однокадровом режиме с требуемой для него дискретностью путем применения электронно-оптической скоростной видеокамеры с подсветкой этого участка лампой-вспышкой, запуск которой осуществляется от фотодатчика синхронно с моментами появления объекта исследований (ОИ) в поле зрения входного объектива электронно-оптической скоростной видеокамеры.
Устройство скоростной регистрации изображения включает в себя: устройство формирования быстропротекающего процесса, в результате срабатывания которого образуется снаряд, движущийся по линейной траектории с определенной скоростью; электронно-оптическую скоростную цифровую видеокамеру с блоком управления, захватывающую изображение выбранной области исследования; источник подсветки выбранной области исследования (импульсная лампа-вспышка) и устройство запуска источника подсветки в виде оптически связанных лазерного излучателя и фотодатчика, установленных на линии, пересекающей траекторию движения регистрируемого объекта. Причем устройство запуска источника подсветки связано с устройством формирования быстропротекающего процесса.
Эта система предназначена для регистрации формы, скорости, размеров и положения в пространстве ПЭ, но она не обеспечивает получения информации об их плотности.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является улучшение качества и увеличение количества получения информации при исследовании параметров быстропротекающих процессов, а именно характеристик ПЭ или аэрозолей и частиц, выбрасываемых с поверхности твердых тел при их ударно-волновом нагружении (формы, скорости, размере, плотности и распределении частиц в пространстве), за счет одновременного использования оптического и рентгенографического методов, а также за счет повышения эффективности и оперативности управления системами регистрации.
Изобретение может быть использовано при исследовании быстропротекающих процессов для регистрации характеристик ПЭ, аэрозолей и частиц, выбрасываемых с поверхности твердых тел при воздействии на них ударных волн и волн сжатия.
Техническим результатом изобретения является повышение информативности каждого из опытов за счет увеличения количества и качества регистрируемой информации.
Дополнительным техническим результатом является упрощение процесса регистрации, повышение эффективности и оперативности управления оптической и рентгенографической системами регистрации при проведении опытов за счет автоматизации режима их работы.
Технический результат достигается тем, что способ регистрации быстропротекающих процессов включает съемку в однокадровом режиме выбранной области исследования с требуемым для данного процесса исследования временем экспозиции путем применения электронно-оптической видеокамеры с подсветкой этой области в момент срабатывания регистрирующей аппаратуры. Дополнительно осуществляется съемка в однокадровом режиме, по крайней мере, еще одного локального участка области исследования с помощью дополнительной электронно-оптической видеокамеры с источником подсветки данного участка, а также дополнительно регистрируется теневое изображение выбранных локальных областей исследования за счет использования рентгеновского излучения, при этом осуществляется покадровая съемка области исследования дополнительной скоростной видеокамерой с длительностью регистрации, соответствующей длительности процесса исследования.
Кроме этого, дополнительную скоростную видеокамеру предварительно настраивают на макро- или на микроизображение области исследования, а также ведут съемку локального участка области исследования в однокадровом режиме, по крайней мере, еще одной электронно-оптической видеокамерой, при этом она может быть настроена на макро- или на микроизображение области исследования.
В системе регистрации быстропротекающих процессов технический результат достигается тем, что наряду с общими с прототипом признаками, а именно: устройством формирования быстропротекающего процесса, электронно-оптической видеокамерой с блоком управления, источником подсветки области исследования и устройством запуска источника подсветки, связанным с устройством формирования быстропротекающего процесса, включены новые, а именно: вдоль области исследования дополнительно размещены, по крайней мере, еще одна электронно-оптическая видеокамера с блоком управления и два импульсных рентгеновских аппарата с устройствами регистрации рентгеновского излучения, при этом установлена дополнительная скоростная видеокамера со своим блоком управления, захватывающая частично или полностью изображение области исследования, а источник подсветки выполнен в виде дискретно размещенных вдоль области исследования лазеров, количество которых соответствует количеству электронно-оптических видеокамер и каждый из которых представляет собой импульсный полупроводниковый лазер с электронной накачкой, мощностью не менее 50 мДж, а в устройство запуска источника подсветки дополнительно включен блок синхронизации работы рентгеновских аппаратов, лазеров и электронно-оптических видеокамер, причем система снабжена общим блоком управления, который включает в себя блоки управления электронно-оптическими видеокамерами и дополнительной скоростной видеокамерой, устройство запуска источника подсветки и регулируемый генератор задержки срабатывания рентгеновских аппаратов.
Кроме того, в системе регистрации в качестве устройства регистрации рентгеновского излучения может быть использована фотопленка или цифровой носитель информации. Дополнительная скоростная видеокамера имеет регулируемое в диапазоне от 2 мкс до 2 мс время экспозиции, а угол рассеяния излучения импульсного полупроводникового лазера не менее 20°.
Влияние отличительных признаков патентной формулы способа на технический результат.
Осуществление дополнительной съемки в однокадровом режиме, по крайней мере, еще одного локального участка области исследования с помощью дополнительной электронно-оптической видеокамеры с источником подсветки данного участка позволяет получить информацию о характеристиках быстропротекающего процесса на разных стадиях его развития, а также экономить время и снизить затраты на проведение исследований.
Дополнительная регистрация теневого изображения выбранных локальных участков области исследования за счет использования рентгеновского излучения позволяет получить дополнительную информацию о параметрах быстропротекающего процесса, таких как характеристики ПЭ (форма, размер и плотность) или аэрозолей и выброса частиц со свободной поверхности твердых тел при их ударно-волновом нагружении (динамика развития процесса и плотность распределения частиц в пространстве), которая необходима для понимания физики конкретных быстропротекающих процессов и их математического моделирования.
Осуществление покадровой видеосъемки области исследования дополнительной скоростной видеокамерой с длительностью регистрации, соответствующей длительности процесса исследования, ведет к увеличению количества и качества регистрируемой информации за время проведения одного опыта, благодаря получению дополнительной информации о динамике развития быстропротекающего процесса.
Предварительная настройка дополнительной скоростной видеокамеры на макро- или на микроизображение области исследования позволяет в одном эксперименте получать более качественную информацию всего процесса, либо какой-то отдельной стадии его развития в зависимости от цели исследования.
Осуществление съемки локального участка области исследования в однокадровом режиме, по крайней мере, еще одной электронно-оптической видеокамерой, настроенной на макро- или на микроизображение области исследования, за счет оперативного изменения режимов регистрации позволяет получать дополнительную информацию о быстропротекающем процессе за время проведения одного опыта.
Влияние отличительных признаков патентной формулы системы регистрации на технический результат.
Дополнительное размещение вдоль области исследования, по крайней мере, еще одной электронно-оптической видеокамеры с блоком управления позволяет получить информацию о характеристиках быстропротекающего процесса на разных стадиях его развития, а также экономить время и снизить затраты на проведение исследований.
Размещение вдоль области исследования двух импульсных рентгеновских аппаратов с устройствами регистрации рентгеновского излучения позволяют получить теневые изображения ПЭ в двух различных точках траектории его движения (например, в начале и в конце траектории) или в два различных момента времени исследования быстропротекающих процессов.
Установка дополнительной скоростной видеокамеры со своим блоком управления, захватывающая частично или полностью изображение области исследования, позволяет выбирать режимы регистрации быстропротекающих процессов, обеспечивающие получение максимально возможной информации об их параметрах в каждом из экспериментов.
Выполнение источника подсветки в виде дискретно размещенных вдоль области исследования лазеров, количество которых соответствует количеству электронно-оптических видеокамер и каждый из которых представляет собой импульсный полупроводниковый лазер с электронной накачкой мощностью не менее 50 мДж, позволяет значительно повысить качество видеосъемки, в том числе в условиях недостаточной освещенности ПЭ (или области исследования). Было экспериментально установлено, что при меньшей мощности лазера получить качественное изображение процессов, развивающихся со скоростью порядка нескольких км/с, невозможно.
Дополнительное включение в устройство запуска источника подсветки блока синхронизации работы рентгеновских аппаратов, лазеров и электронно-оптических видеокамер обеспечивает регистрацию динамики развития быстропротекающего процесса с единой временной шкалой, благодаря организации определенного алгоритма работы вышеуказанных устройств, что повышает информативность и качество изображения.
Наличие в системе регистрации быстропротекающих процессов общего блока управления, включающего устройство запуска источника подсветки, блоки управления электронно-оптическими видеокамерами и дополнительной скоростной видеокамерой, регулируемый генератор задержки срабатывания рентгеновских аппаратов, обеспечивает реализацию автоматизированного режима (по заданному алгоритму), приводящего к повышению оперативности управления работой системы регистрации, а также к увеличению количества и качества информации, получаемой как для всей области исследования, так и для отдельных ее участков в одном опыте.
Использование в качестве устройства регистрации рентгеновского излучения фотопленки или цифрового носителя информации позволяет осуществить выбор аппаратуры регистрации без ограничений, в зависимости от ее наличия в момент проведения опыта.
Наличие у дополнительной скоростной видеокамеры возможности регулировки времени экспозиции в диапазоне от 2 мкс до 2 мс позволяет регистрировать частично или полностью изображение области исследования за заданный период времени, а наличие у импульсного полупроводникового лазера угла рассеяния излучения ~20° обеспечивает охват большего участка области исследования и повышение качества подсветки.
Рассмотрим вариант реализации предлагаемого способа в виде устройства, схематично изображенного на чертеже, где ОИ - объект испытаний (или область исследования); 1 - устройство формирования быстропротекающего процесса; 2 - электронно-оптические видеокамеры «NANOGATE»; 3 - источники подсветки на базе импульсных лазеров «ОИГ-50»; 4 - регулируемый цифровой генератор задержек «DG-535»; 5 - рентгеновские аппараты «ГРИ-1000»; 6 - устройство для регистрации рентгеновского излучения; 7 - высоковольтный источник питания «ULTRAVOLT»; 8 - дополнительная скоростная видеокамера «VS-FAST»; 9 - блок управления дополнительной скоростной видеокамерой «VS-FAST»; 10 - общий блок управления; 11 - улавливатель ОИ.
Устройство представляет собой систему регистрации быстропротекающих процессов, включающую устройство формирования быстропротекающего процесса (ПЭ, кумулятивное явление, выброс частиц с поверхности ударно-нагруженных поверхностей), видеокамеру, в составе которой находятся 3 электронно-оптические видеокамеры «NANOGATE» (от 1 до 8) с программируемыми режимами работы, позволяющие получать от 3 до 8 оптических изображений ОИ размером (1390×1024) пикселей в спектральном диапазоне от 400 до 850 нм с временем экспозиции, регулируемым в диапазоне от 10 нс до 10 мкс (с шагом 10 нс), и задержкой запуска видеокамеры относительно начала быстропротекающего процесса, регулируемой в диапазоне от 50 нс до 1 мс (с шагом 5 нс), а также источники подсветки, представляющие собой импульсные полупроводниковые лазеры «ОИГ-50» (от 1 до 8) с регулируемой от 0,38 до 1,7 мкм длиной волны излучения и задержкой между импульсом запуска и выходом излучения не более 1 мкс, расположенные рядом с каждой из видеокамер «NANOGATE».
Устройство запуска источника подсветки представляет собой регулируемый цифровой генератор задержек «DG-535», который предназначен для запуска каждого из лазеров «ОИГ-50» с заданной задержкой относительно начала быстропротекающего процесса.
В состав системы регистрации быстропротекающих процессов включено не менее двух переносных рентгеновских установок «ГРИ-1000» со следующими техническими характеристиками: энергия - до 1 МэВ; длительность импульса на полувысоте - не более 2,5 нс; диаметр фокусного пятна - не более 2,8 мм. Установки «ГРИ-1000» обеспечивают на 1 м от фокуса установки дозу рентгеновского излучения в 20 мР, что позволяет просвечивать на этом расстоянии до 30 мм стали. Для регистрации рентгеновского излучения используются устройства, в качестве которых могут быть использованы фотопленка или цифровые носители информации. Запуск рентгеновских установок «ГРИ-1000» с заданной задержкой относительно начала быстропротекающего процесса, также, осуществляется от цифрового генератора задержек «DG-535», а для подачи высокого напряжения на рентгеновские трубки установки «ГРИ-1000» используется источник высоковольтного питания «ULTRAVOLT».
Кроме того, в систему регистрации быстропротекающих процессов введена дополнительная скоростная видеокамера «VS-FAST» с регулируемым в диапазоне от 2 мкс до 2 мс временем экспозиции и длительностью записи до 5 с, для программирования режимов работы которой в составе системы имеется свой блок управления.
Система регистрации быстропротекающих процессов снабжена общим блоком управления, который обеспечивает управление электронно-оптическими видеокамерами «NANOGATE», регулируемым генератором задержек «DG-535» для запуска источников подсветки (лазеров «ОИГ-50») и рентгеновскими установками «ГРИ-1000», а также блоком управления дополнительной скоростной видеокамеры «VS-FAST». Улавливатель предназначен для ограничения зоны движения ОИ, который представляет собой компактный ПЭ, сформированный из облицовки СФВУ, являющегося вместе с системой его задействования устройством формирования быстропротекающего процесса.
Система регистрации быстропротекающих процессов, в частности, процесса формирования и движения ПЭ, работает следующим образом. Основой системы являются электронно-оптические видеокамеры 2 с источниками подсветки 3, скоростная видеокамера 8 и импульсные рентгеновские аппараты 5, обеспечивающие регистрацию изображения движущегося с большой скоростью ПЭ с временем экспозиции от 10 нс.
При проведении съемки быстропротекающего процесса реализуется метод совмещенной регистрации оптического и рентгеновского изображения.
Устройство формирования быстропротекающего процесса 1 срабатывает от общего блока управления 10, в результате чего при подрыве СФВУ образуется компактный ПЭ, который может разделяться в процессе движения на несколько частей.
Далее регистрируют форму, размер и скорость ПЭ по мере его движения вплоть до улавливателя 11 с помощью электронно-оптических видеокамер «NANOGATE» 2 с блоками источника подсветки на базе импульсных полупроводниковых лазеров «ОИГ-50» 3, причем, каждую из видеокамер «NANOGATE» за счет использования объективов с разным фокусным расстоянием можно настраивать как на макро-, так и на микросъемку.
Одновременно с этим регистрируют форму и размеры ПЭ или плотность распределения частиц в пространстве с помощью рентгеновских установок «ГРИ-1000» 5 с устройствами регистрации рентгеновского излучения 6 (фотопленка или цифровые носители информации).
Для видеосъемки процесса исследования за требуемый период времени (до 5 нс) используют дополнительную скоростную видеокамеру «VS-FAST» 8 со своим блоком управления 9, которую, как правило, настраивают на макросъемку, но, в случае замены объектива, она может использоваться и для микросъемки.
Каждый источник импульсной подсветки на базе лазеров «ОИГ-50» 3 и рентгеновскую установку «ГРИ-1000» 5 запускают со своим временем задержки относительно начала быстропротекающего процесса, определяемым скоростью движения ПЭ (от 0,5 до 3,5 км/с), от цифрового генератора задержек «DG-535» 4, управляемого от общего блока управления 10, который, также, с заданной задержкой относительно начала быстропротекающего процесса запускает каждую из видеокамер «NANOGATE» 2. Причем, время запуска рентгеновских установок «ГРИ-1000» 5, а также блоков импульсной подсветки 3 и электронно-оптических видеокамер «NANOGATE» 2 определяется моментами нахождения ПЭ в зоне их действия, может задаваться в диапазоне от 500 мкс до 200 мс. Скоростную видеокамеру «VS-FAST» 8 запускают непосредственно от общего блока управления 10 в момент начала формирования быстропротекающего процесса 1, Подачу высоковольтного напряжения на рентгеновские трубки установок «ГРИ-1000» производят от источника питания «ULTRAVOLT» 7, управление которым осуществляют программно от общего блока управления 10.
Так как технические параметры данной системы позволяют расположить электронно-оптические видеокамеры «NANOGATE» с источниками подсветки, скоростную видеокамеру «VS-FAST» и рентгеновские установки «ГРИ-1000» вокруг ограниченной области исследований, то ее можно использовать, также, для получения информации о параметрах образования аэрозолей и выброса частиц со свободной поверхности твердых тел при их ударно-волновом нагружении, таких как форма, размер, скорость и плотность их распределения в пространстве.
К настоящему времени предлагаемые способ и устройство прошли тестирование и опробованы при определении параметров ПЭ, образующихся при испытаниях СФВУ, а также в ряде экспериментов при исследовании процессов образования аэрозолей и выброса частиц со свободной поверхности металлических пластин при их ударно-волновом нагружении.
Источники информации
1. Патент РФ на полезную модель №39410, опублик. 27.07.2004.
2. Патент РФ на способ №02153848, опублик. 10.08.2000.
3. Патент РФ на полезную модель №53524, опублик. 10.05.2006.
4. Руководство по эксплуатации электронно-оптической камеры «NANOGATE FRAME 9», НПО «НАНОСКАН», Москва, 2006.
5. Руководство по эксплуатации импульсного монохроматического полупроводникового лазера «ОИГ-50», ООО «Вариант-М», Москва, 2006.
6. Руководство по эксплуатации рентгенографического комплекса «ГРИ-1000», ООО «Полярис», Москва, 2006.