为了提高超高速物体运动速度的测量精度,在分析高速摄影系统测试过程的基础上,加入校正量δ对传统计算模型进行优化。结合优化前、后的两种模型,在不同速度区间、校正量δ、相机和反射屏距离h_z等条件下,对运动物体的理论弹道和实际弹道的速度进行仿真。分析可知所提模型对于高速、超高速物体的运动速度模型具有很好的修正效果,且对于运动速度越快的模型修正效果越好;并对距离与测量误差间的关系进行研究,得到当h_z值大于30 m时,相对偏差小于1%。外场测试结果与建立的计算模型和仿真模型均相符。

炸药柱面内爆磁通量压缩实验技术具有加载压力高、加载过程温升低及样品体积大等特点，在材料高压物性、新材料高压合成及超强磁场下的凝聚态物理等多个领域都具有广阔的应用前景。叙述了超高速摄影技术在柱面内爆磁能量压缩实验中的研究应用，用超高速分幅摄影和扫描摄影技术首次拍摄到柱面内爆强磁场压缩过程具有高时空分辨的一维和二维图像，成功观察到柱面套筒内爆整个压缩和反弹过程以及压缩过程中的界面不稳定性现象，获得了该过程的压缩直径随时间连续变化曲线，由此计算出柱面套筒内爆强磁场压缩速度。该实验数据对于炸药柱面内爆磁通量压缩实验技术研究具有重要的指导意义。

为探索超高速摄影仪转镜的设计，提出了系统性的转镜动力学性能设计理论和方法。结合静力学和动力学理论，利用有限元分析软件对初始设计的转镜进行静强度、模态、谐响应、固有频率灵敏度进行数值分析，并对数值分析结果进行试验验证，根据分析结果反复修改相应的转镜的结构尺寸并设计新的转镜，对新设计的转镜进行交变力疲劳分析和试验。结果发现，初始设计转镜的最大应力小于转镜材料的屈服强度，转镜不会出现静强度失效；转镜一阶临界转速落在工作转速以内，其动力学特性不满足要求；镜体外接圆半径与转镜的固有频率负相关且相关程度最高；新转镜的一阶固有频率从459.4 Hz增大到713.6 Hz，变化率55.3%，转镜的一阶临界转速达到42 816 r/min，成功地避开了共振点，且疲劳强度满足设计要求。

为探讨分析转镜运转可靠性的数值方法，运用Monte Carlo理论并结合ANSYS参量化设计语言，根据小样本原理和可靠性理论建立了转镜运转可靠性分析数学模型.对转镜运转可靠性进行了数值分析，并对数值分析结果进行了实验验证.数值分析结果表明:转镜的功能函数值远大于零，最大应力与转镜转速的线性相关系数达0.9，镜体密度的相关系数值为0.15，最大应力、应变、位移的偏斜度和峭度值均为正值，统计结果服从正态分布呈右偏态，在95%的置信度水平下，转镜可靠度为0.999.这说明在理想状态下转镜的运转可靠性满足要求，转镜的最大应力值取决于转镜转速，并且镜体的密度对转镜最大应力有较大影响.转镜运转可靠性试验中没有转镜出现破坏，表明转镜运转可靠性数值分析方法是正确的，为转镜的运转可靠性分析提供一种可行、高效的数值分析手段.

对超高速摄影仪转镜动力学特性提出了系统的数值分析方法,包括对转镜分别进行模态、谐响应、灵敏度数值分析和试验研究.首先利用数值方法提取出转镜前5阶固有频率、振型及转镜幅频特性曲线,发现转镜的1阶和2阶共振带出现了叠加现象,在1阶弯曲振动处幅频特性曲线上的峰值远大于其它各阶的峰值,最大应力出现在转轴上,说明转轴的损伤是转镜失效的主要形式,1阶弯曲是转镜失效的主要原因.为验证转镜结构尺寸与转镜固有频率的关系,利用ANSYS参量化设计语言建立转镜固有频率灵敏度分析模型,使用ANSYS概率设计模块对转镜进行了固有频率灵敏度数值分析.计算结果表明,镜体外接圆半径和转轴轴段2半径对转镜固有频率影响最大.灵敏度实验结果表明,转镜的结构尺寸改变引起的转镜固有频率的改变方式和改变程度与数值分析结果是一致的.为转镜动力学设计提供了较高准确度的数值分析方法.

为了精确获取分幅摄影机的拍摄频率和条纹摄影机的扫描速度，必须精确测量转镜在拍摄期间的速度。提出一种基于数字信号处理器（DSP）与现场可编程门阵列（FPGA）相结合的高精度数字测量方法。DSP与FPGA采用高速串行外设接口（SPI）通信，DSP根据转镜转速的变化，自动对FPGA预置适当的时间闸门，FPGA计数缓冲后将测速数据发送给DSP处理，再经DSP串行口发送给计算机进行实时显示。FPGA的逻辑单元采用32位而且预置时间闸门可变，有效防止了数据的溢出，提高了转速的范围和精度；高速DSP提高了数据处理的速度，保证了实时性。系统仿真结果和实际工程使用情况表明此设计是可行的，测速精度可达0.0001%，测速范围为3～3×108 r/min。

利用三维有限元计算技术,分析了从三面体到八面体铝合金转镜镜面变形规律.发现以四面体为界,三面体转镜镜面变形为向内凹进,五面体及以上转镜镜面则向外凸出.在对镜面变形定量分析基础上,提出了镜面变形的几何补偿方法,即采用柱面代替平直镜面,使镜面变形后的位置趋近于平直.结果表明,对镜面尺寸17.32 mm,轴向长度32.5 mm的三面体铝合金转镜,在5×104 rpm下,镜面最高点偏离平直镜面的最大值为0.468 μm,是平直镜面的1/9,与相同结构尺寸的铍转镜镜面变形量处于相同量级.说明铝合金转镜采用几何补偿方法,可以在扫描式摄影系统中代替铍转镜.

提出了蜂窝结构的三面体转镜,对这种新型转镜做了结构设计,并利用3维有限元计算技术,分析了蜂窝结构的三面体铝合金转镜的力学性能.结果表明:对镜面尺寸17.325 mm、轴向长度32.5 mm的三面体铝合金转镜,在5×104 r/min转速下,镜面最大变形量为0.547 靘,约为原结构铝合金转镜镜面的16%,与相同结构尺寸的铍转镜镜面变形量处于相同量级;内部最大应力小于原结构铝合金转镜.

基于弹性力学空间问题的基本理论与有限元计算技术,建立了转镜力学分析的数值方法,并与四面体钢转镜的计算结果做了对比,表明它能够较为精确地模拟出转镜的强度及其任意点处的位移.利用该方法,计算了目前常用的三面体金属铍转镜和铝合金转镜的稳态强度,得出了转镜镜面变形量及内部应力分布的定量数值.结果表明,金属铍转镜在强度和镜面变形两方面均优于铝合金转镜.

在有限元计算技术基础上,利用动力学理论提出了超高速摄影仪中转镜的模态分析方法,它能够较为精确模拟出任何结构转镜的固有频率及对应的振型.对三面体铝合金转镜的模拟结果表明,运用该方法设计转镜的临界点,可保证实际运转中临界点出现在选定的转速范围.