СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩЕГО ПРОЦЕССА

Изобретение относится к технической физике, а именно к системам для получения изображений быстропротекающих процессов на открытом фотоматериале на основе теневого фотографирования, и может быть использовано при аэробаллистических исследованиях, в частности условий полета испытываемых моделей.

Известно устройство-аналог (Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках. Под ред. М.В.Жерноклетова, Саров, 2003, с.133-135). Оно включает в себя импульсный источник рентгеновского излучения и камеру с усиливающим экраном и рентгеновской пленкой. Изображение, полученное на рентгеновской пленке в результате просвечивания объекта импульсом рентгеновского излучения, является лишь силуэтным изображением и отражает картину процесса только для оптически непрозрачных объектов. При этом невозможна визуализация оптических неоднородностей (ударные волны, слабые волны, турбулентные следы и т.п.), сопровождающих регистрируемый процесс и представляющих основной интерес при аэрофизических и газодинамических испытаниях.

Данное устройство ограничивает возможности исследования регистрируемого процесса недостаточной информативностью изображения (нет информации об оптических неоднородностях процесса), полученного на рентгеновской пленке.

Известно устройство получения изображения быстропротекающего процесса (прототип) - теневого стенда (В.Н.Бухтояров, В.Е.Журавлев, Н.С.Мищенко и др. Некоторые результаты оптико-аэрофизических исследований на аэробаллистических установках ВНИИЭФ. Сборник докладов научной конференции Волжского регионального центра РАРАН "Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения" Саров, ВНИИЭФ, 2000, с.487), состоящего из импульсного точечного источника света и камеры, содержащей кассету с фотопленкой, в стенках которой выполнены окна для пролета моделей. Возникающее при движении модели в воздухе изменение показателя преломления возмущенного газа приводит к изменению траектории лучей источника и перераспределению освещенности в зоне регистрации. Это позволяет визуализировать на построенном в проходящем свете теневом изображении оптические неоднородности и получать спектр обтекания модели.

Недостатком устройства-прототипа является невозможность его реализации в светлое время суток и при режимах испытаний, сопровождающихся фоновой подсветкой. Кроме того, относительно широкие окна камеры, необходимые для пролета модели и средств ее крепления в канале ствола метаемой установки (элементы поддона) увеличивают ее громоздкость (сложность) и ужесточают требования к источнику света для получения резкого изображения.

Задача заключается в расширении возможностей теневого широкоформатного фотографирования.

Актуальность задачи обусловлена необходимостью:

1) проведения ряда баллистических экспериментов в любое время суток;

2) увеличения скоростного диапазона испытаний при аэробаллистических исследованиях.

Это важно для получения изображений высокого качества при изучении движения испытываемых моделей (объектов исследования), сопровождающегося свечением ионизованного воздуха вокруг модели или частиц горящей краски с ее поверхности. Возникающее при этом фоновое излучение (фоновая подсветка) "забивает" полезное изображение.

Технический результат состоит в получении:

1) возможности теневого фотографирования на широкоформатную открытую фотопленку быстропротекающего процесса, сопровождающегося фоновой подсветкой (самосвечением) (т.е. в случае аэродинамических исследований с увеличением скоростного диапазона испытаний модели);

2) возможности проведения теневого фотографирования на широкоформатную открытую фотопленку в любое время суток, т.е. исключении влияния условий естественной освещенности на процесс регистрации; а также в упрощении системы регистрации.

Технический результат достижим за счет того, что в отличие от известной системы для получения изображения быстропротекающего процесса, включающей расположенные на одной оптической оси импульсный источник света и камеру с открытой фотопленкой, в предлагаемой камера выполнена в виде светонепроницаемого короба с отверстием, обращенным в сторону источника, выставленным по оси системы, радиус r которого не превышает величины , где λ - длина волны света, на которую приходится максимум чувствительности данного фотоматериала, f - фокусное расстояние от отверстия до фотоматериала, между камерой и источником света на оптической оси системы на расстоянии l, определяемом требуемым масштабом изображения m=f/l, от отверстия камеры размещен диффузный экран.

Кроме того, система может отличаться тем, что отверстие камеры снабжено управляемым затвором.

Регистрация процесса осуществляется при согласовании моментов пролета модели через зону экрана и момента запуска источника света. Получение промежуточного теневого изображения в проходящем свете на пропускающем свет тонком материале (ткань, калька, лавсан...), диффузно рассеивающем проходящий свет (диффузном экране), позволяет реализовать в заявляемой системе возможность регистрации спектров обтекания и силуэта летящего объекта при режимах, когда имеет место ионизация воздуха вокруг летящего объекта (фоновая подсветка). При этом перенесение этого изображения на фотоматериал с помощью обскур-эффекта, возникающего при использовании камеры заявляемого типа в системе, позволяет избежать искажений при регистрации на широкоформатный фотоматериал (отсутствуют оптические детали) и защитить его от фоновых подсветок за счет существенного ослабления потоков, достигающих пленки (съемка идет через отверстие с диаметром d порядка d/f=10^-3).

Упрощение системы регистрации достигается за счет того, что вместо осложненной окнами и средствами крепления камеры по прототипу предложено выполнение камеры в виде простого в изготовлении светонепроницаемого короба с отверстием, обращенным в сторону источника и выставленным по оси системы, что позволяет получить изображение движения модели с помощью обскур-эффекта. При этом выбор размеров отверстия - радиус r не превышает величины , где λ - длина волны света, на которую приходится максимум чувствительности данного фотоматериала, f - фокусное расстояние от отверстия до фотоматериала - определяется размером первой зоны Френеля (Физический Энциклопедический Словарь, М.: Советская Энциклопедия, 1984, с.241). Расстояние от отверстия до пленки f и требуемый масштаб m=f/l объекта регистрации определяет расстояние l от отверстия до прозрачного диффузного экрана, что должно обеспечивать получение действительного перевернутого изображения процесса на фотопленке. При этом импульсной фоновой подсветки от регистрируемого процесса (объекта) по сравнению с прототипом уже недостаточно для засветки фотоматериала до плотностей почернения выше плотности вуали, а естественная дневная освещенность не приводит к этому эффекту (засветке пленки) за времена порядка десятка секунд.

Наличие управляемого затвора на отверстии (если в условиях дневной освещенности в силу особенностей опыта пленка должна оставаться "открытой" более десятка секунд) позволяет открывать и закрывать его в необходимый промежуток времени для подсветки регистрируемого процесса. Затвор используется в случае, если естественная освещенность вызывает плотность почернения пленки за времена проведения эксперимента и, таким образом, исключает влияние условий естественной освещенности на получение изображений исследуемых быстропротекающих процессов на открытом фотоматериале. Это, например, возможно в случае расположения такой системы вне помещения закрытого баллистического тира. Отметим, что внутри баллистического тира предлагаемое устройство, в отличие от прототипа, не требует полной светоизоляции (т.е. работоспособно в условиях искусственного освещения и без затвора).

На чертеже схематично изображена система получения изображения быстропротекающего процесса, где: 1 - импульсный источник света, 2 - отражатель, в фокусе которого расположен источник 1, 3 - исследуемый объект (быстропротекающий процесс), 5 - диффузный прозрачный экран, 4 - теневое изображение объекта на экране, 6 - камера-обскура с отверстием, 8 - кассета с открытой фотопленкой, 7 - изображение объекта на фотопленке.

Система, изображенная на чертеже, включает в себя установленные вдоль одной оптической оси импульсный источник света (1), размещенный в фокусе отражателя (2), между источником (1) и диффузным экраном (5) расположен исследуемый объект (быстропротекающий процесс) (3), за экраном (5) установлена камера обскура (6) с отверстием, снабженным затвором, и открытой фотопленкой (8).

Для получения изображения (7) на открытой фотопленке (8) необходимо построение промежуточного теневого изображения (4) в проходящем свете на диффузном экране (5). Для этого запускают импульсный источник света (1), расположенный в фокусе отражателя (2), и подают световой импульс в зону регистрации, предварительно синхронизировав момент его запуска с временем пролета модели (3) мимо фотопленки. Далее переносят промежуточное теневое изображение (4) на фотопленку обскур эффектом, т.е. в камере обскура с выбранным в соответствии с заявляемым условием отверстием (диаметр не превышает величины , где λ - длина волны света, на которую приходится максимум чувствительности данного фотоматериала, f - фокусное расстояние от отверстия до фотоматериала) получают действительное перевернутое изображение (7) на пленке (8) с увеличением, по сравнению с истинным равным f/l.

При относительном отверстии порядка 1:1000 аэрофотопленка чувствительностью порядка 1000 ед. ГОСТ не засвечивается выше плотности вуали за время порядка 1 сек при уровнях дневной освещенности в 10-20 тыс.лк. Полезное изображение строится с помощью мощных импульсных источников света в параллельных лучах. Время работы источника на шесть порядков меньше времени допустимого открытия отверстия камеры, поэтому рабочая экспозиция осуществляется при простом согласовании работы источника и относительно медленного затвора, открывающего и перекрывающего диафрагму диаметром d порядка 1 мм за 1 сек.

Проверка работоспособности заявляемой системы была проведена в условиях искусственной освещенности (лампы накаливания) внутри баллистического тира в схеме, содержащей источник света с яркостной температурой 20 кК, размещенный в фокусе параболического отражателя диаметром 900 мм. Объектом регистрации был разлет элементов электровоспламенителя, инициируемого импульсом тока. Электровоспламенитель располагался в 0,5 м от источника и в 0,3 м от экрана. Максимальная яркость данного самосветящегося процесса составляла 3 кК при общей длительности в несколько мс, что приводит к засветке открытой широкоформатной фотопленки чувствительностью 1000 ед (с максимальной чувствительностью в УФ-диапазоне). В условиях опыта данная пленка находилась в камере обскура с диаметром отверстия d=1 мм на расстоянии f=1 м от отверстия. В условиях фоновой освещенности и освещенности, создаваемой регистрируемым процессом, пленка не засвечивалась. Теневая картина разлета строилась на тонком лавсановом экране с матовой поверхностью, расположенном на расстоянии l=1 м от отверстия камеры. Теневая картина содержит качественное изображение конфигурации облака разлетающихся продуктов пиротехнического состава и головную ударную волну, сфотографированные обскур-эффектом в масштабе 1:1.

Проверка показала, что реализация заявляемой системы для получения изображений быстропротекающих процессов позволяет за счет использования обскур-эффекта, обеспечиваемого конструктивными особенностями камеры и составляющих системы, получить на открытой фотопленке качественное изображение быстропротекающего процесса (полет модели), сопровождающегося свечением ионизованного воздуха, и исключить при этом влияние условий естественной освещенности на процесс регистрации в относительно простой конструктивной постановке.