СИСТЕМА МНОГОКАДРОВОЙ СИЛУЭТНОЙ ФОТОРЕГИСТРАЦИИ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩЕГО ПРОЦЕССА

Область техники
Полезная модель относится к оптическим схемам регистрации, а именно, к схемам фотографической регистрации быстропротекающих процессов и может быть использована для оптической диагностики при исследованиях в области аэродинамики, газодинамики, баллистики и т.д.
Уровень техники
Известна схема теневой фоторегистрации на открытую пленку (Г.Д.Саламандра. Фотографические методы исследований быстропротекающих процессов. М., «Наука», 1974, с.8, рис.1-2.) В состав схемы входит импульсный источник света, создающий расходящийся или параллельный пучок лучей и открытая широкая фотопленка.
Работа схемы основана на подаче светового импульса от импульсного источника света в область регистрации объекта исследования (летящей модели) в момент прохождения его около фотоматериала (фотопленки). Возникающее при движении модели в воздухе изменение показателя преломления возмущенного газа (закон Лорентца-Лорентца) приводит к изменению траектории лучей источника и перераспределению освещенности в зоне регистрации. Это позволяет визуализировать на теневом изображении, оптические неоднородности и получать спектр обтекания модели. В состав схемы входит импульсный источник света, создающий расходящийся или параллельный пучок лучей и открытая широкая фотопленка
Недостатком является возможность реализации схемы при режимах испытаний, не сопровождающихся фоновой подсветкой, т.е. при регистрации
процессов, не сопровождающихся самосвечением. Основной недостаток - один кадр на опыт.
Известна схема силуэтной фоторегистрации (С.И.Герасимов, Ю.И.Файков, С.А.Холин. Кумулятивные источники света. РФЯЦ-ВНИИЭФ, Саров, 2002, с.163, рис.3.60), выбираемая за прототип, в которой регистрируемый быстропротекающий процесс (объект исследования) фотографируют при подаче светового импульса от импульсного источника света на фоне освещенного диффузного экрана скоростной кинокамерой. Данная схема обеспечивает регистрацию самосветящегося процесса, а также получение серии изображений для любого быстропротекающего процесса, (более одного рабочего кадра), что позволяет судить о динамике изучаемого процесса и определять его скоростные характеристики.
Основной недостаток - недостаточное для большинства приложений разрешение схемы, например, на практике, отсутствие возможности различать мелкие детали процесса, а зачастую и сам объект (например, небольшой летящий осколок). Малое разрешение (10-15 лин/мм) в этом случае сочетается с малым размером кадра (в камерах типа СФР, ВФУ, ЖЛВ 10÷15×10÷15 мм×мм), что приводит к масштабу изображения, при котором его обработка и анализ становятся затруднительными. Поэтому для ряда технических проблем, связанных с регистрацией разгоняемых средств нагружения (высокоскоростные осколки, пули и т.п.) различных объектов для получения изображения в масштабе близком к натурному используют методы рентгенографирования (см., например, «Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках». Под ред. М.В.Жерноклетова, Саров, 2003, с.133-135). Методы эти крайне неэффективны: необходим допуск к работе с ионизирующим излучением, низкое разрешение снимка (менее 1 лин/мм), в 99% использования - один кадр на опыт и т.д. Увеличение размера кадра в прототипе до размера рентгеновской кассеты было бы достаточно для полного исключения методов рентгенографирования для упомянутых задач, но обеспечить
скоростную протяжку пленки таких размеров (схемы типа СКС) или вращение с большой частотой огромного зеркала (схемы типа СФР, ЖЛВ) технически и экономически сложно.
Задача
Получение нескольких кадров с высоким разрешением на широкую фотопленку в одном опыте для съемки динамических (быстропротекающих) процессов.
Технический результат
Технический результат полезной модели состоит в создании условий для увеличения разрешения схемы (в общем случае до нескольких сот пар лин/мм) при значительном увеличении изображения (вплоть до получения изображения превышающего истинные размеры регистрируемого объекта).
Сущность изобретения
Данный технический результат достижим за счет того, что в отличие от известной системы многокадровой силуэтной фоторегистрации быстропротекающего процесса как объекта исследования, включающей импульсный источник света, связанный с системой синхронизации момента его запуска с моментом появления объекта исследования в зоне регистрации, создаваемой источником; диффузно рассеивающего прозрачного экрана, расположенного между источником и объектом исследования; и устройство для скоростной фоторегистрации объекта исследования, в предлагаемой системе, в качестве устройства для скоростной фоторегистрации используют камеру обскура с фотопленкой длиной s и фокусным расстоянием f от фотопленки до отверстия, а импульсный источник света дополнен источниками света, расположенными вдоль траектории движения объекта исследований, причем общее количество источников света выбрано
из условия, что , где  - характерный размер яркого пятна от соответствующего i-го источника света на диффузно рассеивающем экране с учетом масштаба фотографирования f/d, где f - фокусное расстояние камеры обскура, d - расстояние от отверстия камеры до экрана.
Предложенная схема не содержит оптических деталей, поэтому ее разрешение определяется лишь разрешением фотопленки, размещенной в камере обскура, а обработка изображения (измерение) облегчается из-за отсутствия аббераций. Силуэтное изображение фотографируется с тыльной стороны прозрачного диффузного экрана в любом масштабе без потери резкости видимого изображения при отклонении летящего объекта регистрации (исследований), например, летящей модели от оси полета. Регистрация процесса осуществляется при согласовании моментов пролета объекта через зону экрана и моментов запуска источников света в соответствии с установками системы синхронизации. Геометрия расположения и количество источников, устанавливаемое с учетом условия ,где  - характерный размер яркого пятна от соответствующего i го источника света на диффузно рассеивающем экране с учетом масштаба фотографирования f/d, выбирается так, чтобы зоны яркого фона от отдельных источников не перекрывали друг друга, т.е. чтобы построенное изображение объекта исследований в свете предыдущего источника не оказалось смазанным изображением этого объекта в свете последующего источника.
Размер резкого изображения может превышать натурный при f/d>1, что легко реализуется при больших размерах камеры. Таким образом, зная параметры импульсного источника, тип пленки и ее размеры, а также характеристики объекта регистрации (размер, предполагаемая скорость), можно определить расстановку оборудования и число кадров.
Перечень фигур и графических изображений
На фигуре схематично представлена заявляемая система трехкадровой фоторегистрации, где 1 - источники света, запускаемые системой синхронизации 6, 2 - рассеивающий диффузный экран, 3 - объект регистрации (быстропротекающий процесс) в трех стадиях движения, 4 - камера обскура в виде светонепроницаемой камеры с центральным отверстием и фотопленкой - 5.
Сведения, подтверждающие возможность достижения технического результата
Осуществлена двухкадровая, трехкадровая и пятикадровая регистрация летящей пули (объект регистрации - быстропротекающий процесс) калибром 9,5 мм (пистолет Стечкина) с помощью камеры обскура в соответствии с заявляемой схемой согласно фигуре. Источники света (1) запускались посредством системы синхронизации (6) в расчетный момент появления объекта регистрации (3) в зоне «пятна» - ярко освещенной зоны, создаваемой источником (1) на рассеивающем диффузном экране (2). Силуэт объекта (3) на различных стадиях его движения фотографируется обскур эффектом с помощью светонепроницаемой камеры (4) с центральным отверстием на установленную в ней фотопленку (5). В реализованном случае газоразрядные импульсные источники устанавливались в соответствии с заявляемым условием так, чтобы высвечиваемые ими яркие зоны на
лавсановом экране с матовой поверхностью не перекрывались и создавались в момент пролета пули. Зона регистрации каждого источника определялась по предварительному фотографированию в масштабе 1:1 (f=d) (). Далее осуществлялась расстановка оборудования, исходя из требуемого количества кадров регистрации с учетом выполнения условия неперекрытия светящихся зон при разном масштабе изображения (, здесь d - расстояние от экрана до отверстия камеры, n - количество источников). Запуск источников осуществлялся через систему синхронизации, представляющую собой многоканальный блок задержки с выставленными расчетными временными уставками для запуска каждого из источников. Фотографирование велось при искусственном освещении внутри баллистического тира (фоновая освещенность порядка 5-10 тыс.лк) на пленку шириной 32 см, тип 52 (1700 ед. ГОСТ, разрешение 200 пар лин/мм), установленную в кассете длиной s=52 см внутри камеры обскура с фокусом f=980 мм и центральным отверстием d=1.2 мм.