基于投影成像原理的彈丸著靶姿態(tài)高精度測(cè)試方法研究

陶宗慧，劉唯奇，趙義武，婁巖，姜會(huì)林

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)　空間光電技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，長(zhǎng)春　130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)　空地激光通信技術(shù)重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春　130022；3.白城兵器試驗(yàn)中心，白城　137001）

基于投影成像原理的彈丸著靶姿態(tài)高精度測(cè)試方法研究

陶宗慧1，2，劉唯奇3，趙義武1，2，婁巖1，2，姜會(huì)林1，2

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)空間光電技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，長(zhǎng)春130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)空地激光通信技術(shù)重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130022；3.白城兵器試驗(yàn)中心，白城137001）

彈丸著靶姿態(tài)測(cè)試是彈道參數(shù)測(cè)試中的重要項(xiàng)目，姿態(tài)參數(shù)與著靶速度、彈丸質(zhì)量、能量傳遞效率共同反映了彈丸的終點(diǎn)效能，由于彈丸目標(biāo)小、速度快，對(duì)其著靶瞬間的三維姿態(tài)角的高精度測(cè)試還無法實(shí)現(xiàn)。采用投影測(cè)試方法、視場(chǎng)標(biāo)定方法、數(shù)據(jù)修正計(jì)算方法，解決了目標(biāo)的高質(zhì)量成像、標(biāo)定判讀、角度計(jì)算等難題，實(shí)現(xiàn)了小口徑彈丸的著靶姿態(tài)測(cè)試，完善了測(cè)試項(xiàng)目，提升了測(cè)試能力。

著靶姿態(tài)；投影測(cè)試；彈道參數(shù)

由于輕武器彈丸具有小、快、暗的目標(biāo)特性，所以一直以來對(duì)輕武器測(cè)試領(lǐng)域中彈丸著靶姿態(tài)高精度測(cè)試方法的研究進(jìn)展較為緩慢，而該項(xiàng)測(cè)試在輕武器外彈道參數(shù)測(cè)試中占有重要的地位，主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：一是彈丸著靶姿態(tài)是終點(diǎn)彈道測(cè)試中的重要參數(shù)，著靶攻角的大小直接影響了彈丸侵徹的能力，是彈丸終點(diǎn)效能綜合評(píng)定的重要依據(jù)；二是彈丸著靶姿態(tài)可以體現(xiàn)彈丸在有效射程內(nèi)的飛行穩(wěn)定性，對(duì)于被試品故障判讀具有重要意義；三是彈丸著靶姿態(tài)參數(shù)在很大程度上決定了彈丸對(duì)于有機(jī)目標(biāo)侵徹后的殺傷能力，體現(xiàn)了彈丸失穩(wěn)翻滾效果，可以作為彈丸殺傷能力的判定依據(jù)。

目前的輕武器彈丸著靶姿態(tài)測(cè)試方法主要存在試驗(yàn)鑒定測(cè)試需求少、試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)單一、缺少有效判定依據(jù)等問題。由于測(cè)試方法的研究相對(duì)滯后，所以在輕武器產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、鑒定等環(huán)節(jié)上都沒有對(duì)彈丸著靶姿態(tài)指標(biāo)提出測(cè)試要求，在判定彈丸終點(diǎn)效能時(shí)缺少直接有力的依據(jù)，從而制約了武器產(chǎn)品的發(fā)展；同時(shí)由于缺少?gòu)椡枳藨B(tài)測(cè)試手段，在終點(diǎn)彈道等重點(diǎn)測(cè)試項(xiàng)目的研究中也無法掌握著靶攻角與毀傷效能之間關(guān)系的有效數(shù)據(jù)，導(dǎo)致毀傷機(jī)理數(shù)理模型得不到有效的驗(yàn)證，在一定程度上影響了外彈道、終點(diǎn)彈道等重點(diǎn)測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試方法的發(fā)展。基于攝影測(cè)量原理的彈丸著靶姿態(tài)高精度測(cè)試方法，通過投影測(cè)試方法設(shè)計(jì)、標(biāo)定方法研究、數(shù)據(jù)處理方法研究，建立一套科學(xué)、系統(tǒng)、有效的輕武器彈丸姿態(tài)高精度測(cè)試方法，解決了目前輕武器靶場(chǎng)鑒定及彈道研究中的姿態(tài)測(cè)試需求，為輕武器產(chǎn)品的研制提供了重要支撐。同時(shí)對(duì)彈丸姿態(tài)測(cè)試方法的深入研究可以完善輕武器彈道測(cè)試體系，提升輕武器靶場(chǎng)的綜合試驗(yàn)?zāi)芰Γ谳p武器彈道測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域具有重要意義。

1　投影測(cè)試方法

首先對(duì)彈丸著靶角進(jìn)行測(cè)試需求分析，彈丸目標(biāo)特性為：槍彈5.8～14.5mm，著靶速度700～1000m/s，著靶角≤5°（彈丸軸線與靶面法線間的角度，為三維立體角），要求測(cè)角精度優(yōu)于2mil。目前在小口徑彈丸姿態(tài)測(cè)試領(lǐng)域主要采用紙靶法，使用經(jīng)過電烤的紙靶作為接收目標(biāo)，高速飛行的彈丸經(jīng)過后留下一個(gè)橢圓形的彈孔，通過對(duì)彈孔的判讀計(jì)算出著靶角，由于這種方法誤差源較多，不能實(shí)現(xiàn)較高精度的角度測(cè)試，所以在實(shí)際操作中需要在槍口增加起偏器增加彈丸的章動(dòng)角。經(jīng)過對(duì)測(cè)試需求以及傳統(tǒng)測(cè)試方法的分析可以得到以下結(jié)論：（1）彈丸著靶角度小、測(cè)試精度要求高、測(cè)試難度大；（2）傳統(tǒng)方法無法滿足測(cè)試需求。

為解決彈丸著靶角度測(cè)試問題設(shè)計(jì)采用投影成像測(cè)試方法，如圖1所示，在靶面上安裝正交照明燈，當(dāng)彈丸進(jìn)入測(cè)試區(qū)域即將著靶的瞬間，照明燈閃光，調(diào)試好的數(shù)碼相機(jī)采用B門等待的方式在閃光時(shí)對(duì)彈丸投影進(jìn)行成像（采用B門拍攝是由于單反相機(jī)最低曝光時(shí)間為125μs，不能滿足瞬態(tài)目標(biāo)拍攝需求，所以采用控制照明燈閃光時(shí)間的拍攝方式），試驗(yàn)需要在內(nèi)靶道低照度環(huán)境下進(jìn)行。

從圖1中可以看出正交投影測(cè)試系統(tǒng)主要包括光源系統(tǒng)、攝影系統(tǒng)、靶板。其中對(duì)光源系統(tǒng)指標(biāo)要求為：最小閃光時(shí)間優(yōu)于5μs，輸出功率大于40W。相機(jī)指標(biāo)為：分辨率4256×2832；像元尺寸15μm；感光能力12800iso。光學(xué)鏡頭：光圈優(yōu)于F2.8；焦距600mm定焦。其他指標(biāo)：相機(jī)作用距離15m；視場(chǎng)：0.9m×0.6m；照明燈主軸與靶面角度：15°～25°（根據(jù)彈丸長(zhǎng)度調(diào)節(jié)）；兩燈主軸在靶面上投影線夾角：90°±5°。根據(jù)以上選定設(shè)備指標(biāo)進(jìn)行成像能力分析。

圖1　正交斜投影測(cè)試系統(tǒng)

作為成像設(shè)備的主體，相機(jī)的感光能力是系統(tǒng)最終成像能力的關(guān)鍵，所選相機(jī)的最高感光度為12800iso，則相機(jī)靈敏度為 0.8/12800=0.0625× 10-3lx.s，當(dāng)曝光時(shí)間為5μs時(shí)所需最小照度為0.0625×10-3lx.s/0.000005s=12.5lx，也就是說理論上在5μs曝光時(shí)間內(nèi)照度高于12.5勒克斯可以成像，但在實(shí)際拍攝中，選擇12800iso感光度會(huì)有較大的噪聲，過低的輸入照度會(huì)被噪聲淹沒無法精確判讀，所以這里引入相機(jī)的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)光譜響應(yīng)度，通常情況下單反相機(jī)參數(shù)中不包含該參數(shù)，需要對(duì)相機(jī)成像元件進(jìn)行測(cè)定，最終得到所選相機(jī)的平均光譜響應(yīng)度約為160LSB/（nJ/cm2）～200LSB/（nJ/ cm2），最終選定該值為180LSB/（nJ/cm2）。

根據(jù)以上選定指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算如下，靶面上的平均功率約為：

其中：P—靶面反射光平均功率；Φ—光源輸出功率；κ—靶面的發(fā)射系數(shù)為0.3；L—靶面長(zhǎng)；K—靶面寬。

則在感光元件上的平均功率為：

其中：E—感光元件上的平均功率；P—靶面反射光平均功率；τ—光學(xué)系統(tǒng)透過率，取0.7；F—光學(xué)系統(tǒng)光圈數(shù)；Vλ—成像元件光譜響應(yīng)率。

進(jìn)行照度轉(zhuǎn)化計(jì)算可得：

該值遠(yuǎn)高于成像所需的最小照度12.5lx，為計(jì)算最終的成像效果，引入相機(jī)光譜響應(yīng)度指標(biāo)后計(jì)算預(yù)計(jì)靶面背景成像灰度為：

其中：T—曝光時(shí)間5μs；E—感光元件上的平均功率；B—光譜響應(yīng)度。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以看出照明系統(tǒng)提供的福照度可以有效的將靶面照亮，該測(cè)試系統(tǒng)可以滿足較高質(zhì)量的成像要求。

2　視場(chǎng)標(biāo)定及數(shù)據(jù)修正計(jì)算方法

對(duì)彈丸著靶角度的高精度測(cè)試主要包括兩個(gè)關(guān)鍵因素，一是對(duì)目標(biāo)的成像捕獲，二是視場(chǎng)內(nèi)的標(biāo)定與數(shù)據(jù)處理，通過上一節(jié)的分析可以得到能夠有效成像的結(jié)論，下面將對(duì)標(biāo)定方法以及數(shù)據(jù)處理計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

決定系統(tǒng)測(cè)試精度主要為兩個(gè)方面，一方面是測(cè)試系統(tǒng)裝調(diào)精度，另一方面是視場(chǎng)標(biāo)定校準(zhǔn)精度。在裝調(diào)環(huán)節(jié)通過目前較為成熟的檢測(cè)裝調(diào)設(shè)備的高精度校準(zhǔn)，裝調(diào)精度可以控制，而重點(diǎn)環(huán)節(jié)在于系統(tǒng)標(biāo)定上，目前設(shè)計(jì)采用角度指示裝置在試驗(yàn)后對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，并根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)計(jì)算測(cè)試彈丸的著靶角。

圖2　標(biāo)定器材示意圖

圖2為測(cè)角標(biāo)定裝置（測(cè)角器），其中每個(gè)尖端與下端中心點(diǎn)間的角度相差10°，天頂90°左右的尖端之間相差5°，試驗(yàn)中在捕獲彈丸圖像后，將測(cè)角標(biāo)定裝置放置于視場(chǎng)內(nèi)，下端中心點(diǎn)與彈丸著靶中心點(diǎn)重合，徑向方向與垂線重合，底座與靶面重合，確保標(biāo)定面與靶面垂直，拍攝其投影照片。并對(duì)彈丸圖像與標(biāo)定圖像進(jìn)行判讀，經(jīng)過計(jì)算得到彈丸著靶角方位角，同理測(cè)量著靶俯仰角。

圖3　圖像判讀方法示意圖

如圖3所示，拍攝中對(duì)彈丸著靶瞬時(shí)的捕獲很難實(shí)現(xiàn)，通常情況下彈尖距靶面存在一定距離，在這種情況下將彈丸軸線與兩個(gè)投影軸線的交點(diǎn)O作為著靶點(diǎn)，以判讀彈丸著靶俯仰角為例，投影軸線落在角度指示點(diǎn)A、B中間，其中B點(diǎn)指示角度為0°，A點(diǎn)指示角度為5°，C點(diǎn)為投影軸線與AB的交點(diǎn)，所以C點(diǎn)指示角度為彈丸著靶俯仰角θ。設(shè)AB間距離為d1，BC間距離為d2則計(jì)算得

在目前測(cè)試系統(tǒng)框架下對(duì)測(cè)角精度產(chǎn)生影響的誤差源較多，其中的關(guān)鍵的影響因素是成像系統(tǒng)的分辨率與成像質(zhì)量，由于測(cè)試精度分析需要以實(shí)施中的具體參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，所以對(duì)目前的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析如下。估算圖像判讀中相面特征點(diǎn)定位誤差為1個(gè)像元，其中主要包括著靶點(diǎn)1、標(biāo)定點(diǎn)2、投影軸交點(diǎn)1，所以總的均方根誤差為線AB的成像像元為82，最終估算測(cè)角精度最大約為0.12°（7′），在章動(dòng)角小于5°時(shí)測(cè)角精度優(yōu)于3%。

3　測(cè)試試驗(yàn)

由于試驗(yàn)器材條件限制，只進(jìn)行俯仰方向的彈丸著靶角測(cè)試。驗(yàn)證試驗(yàn)共分兩部分進(jìn)行，首先驗(yàn)證該測(cè)試方案的可行性，進(jìn)行射擊試驗(yàn)，考核成像質(zhì)量，并進(jìn)行圖像判讀與數(shù)據(jù)處理，得到試驗(yàn)結(jié)果；證明方案可行后進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試精度的復(fù)合，采用靜態(tài)拍攝標(biāo)尺的方法，通過兩個(gè)或三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)作為已知標(biāo)定點(diǎn)，推其它標(biāo)志點(diǎn)位置，將得到的數(shù)據(jù)與已知數(shù)據(jù)對(duì)比得到測(cè)試精度。

彈丸：12.7mm×67mm；

彈速：1000m/s；

曝光時(shí)間：3μs；

焦距：200mm；

分辨率：2784×1848；

射擊距離：100m；

射擊發(fā)數(shù)：10發(fā)。

3．非暴力性。傳統(tǒng)的舊意識(shí)形態(tài)在掩蓋社會(huì)危機(jī)本質(zhì)、壓制人們反抗、維護(hù)階級(jí)關(guān)系等方面更多的是采用“鎮(zhèn)壓”“暴力”“斗爭(zhēng)”的方式，帶有極強(qiáng)的暴力性特征。而科學(xué)技術(shù)作為一種新的意識(shí)形態(tài)，超越了舊意識(shí)形態(tài)，通過滿足人們需求，向社會(huì)成員提供福利來?yè)Q取其對(duì)資本主義制度忠誠(chéng)的新意識(shí)形態(tài)模式，從而“把確定私有經(jīng)濟(jì)的資本價(jià)值增殖形式和確保群眾忠誠(chéng)的、分配社會(huì)補(bǔ)償?shù)男问?，作為政治形式來闡明其維護(hù)社會(huì)制度的功能性任務(wù)，作為輿論工具來滿足民眾非政治化要求”。［10］(P71)

其中射擊中第6發(fā)的試驗(yàn)圖像如圖4所示，疊加標(biāo)尺圖像后，進(jìn)行圖像判讀和數(shù)據(jù)處理如圖5所示。

圖4　第6發(fā)彈丸著靶成像圖

圖5　標(biāo)尺圖像疊加判讀圖

其中A點(diǎn)為標(biāo)尺90°度標(biāo)志點(diǎn)，通過圖像判讀得到d1=203.711pix，d2=17.117pix所以根據(jù)角度計(jì)算公式得到：

經(jīng)過計(jì)算第6發(fā)彈丸的著靶俯仰角為-0.42013°，即θ=-25′12″（-7mil），同理計(jì)算本組其他彈丸著靶角得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　速度衰減數(shù)據(jù)表

從試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)來看可以得到以下3個(gè)結(jié)論：（1）該測(cè)試方法可以對(duì)彈丸著靶角度進(jìn)行有效測(cè)試；（2）測(cè)試系統(tǒng)角分辨率和測(cè)試精度均優(yōu)于1mil；（3）彈丸在100m處的章動(dòng)角小于1°基本符合彈丸運(yùn)動(dòng)的理論模型。

3.2試驗(yàn)二：測(cè)試精度試驗(yàn)

曝光時(shí)間：10μs；

焦距：200mm；

分辨率：2784×1848；

標(biāo)定角度：5°。

如圖6所示，圖像中共有13個(gè)角度標(biāo)志點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)標(biāo)志點(diǎn)間的角度差為5°，試驗(yàn)中取目標(biāo)點(diǎn)為未知點(diǎn)，取兩側(cè)的標(biāo)志點(diǎn)作為已知點(diǎn)，進(jìn)行判讀計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)角度值。

圖6　標(biāo)尺圖像判讀圖

其中實(shí)際標(biāo)尺中A點(diǎn)為0°，B點(diǎn)為5°，以此類推，L點(diǎn)為55°，M點(diǎn)為-5°。圖像判讀方法與計(jì)算方法與試驗(yàn)一相同，最終得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　圖像標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

對(duì)測(cè)量檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7　標(biāo)定測(cè)量誤差擬合曲線

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知試驗(yàn)中測(cè)定數(shù)據(jù)精度平均為2個(gè)密位，也就是優(yōu)于7.3′，與理論計(jì)算得到的圖像判讀誤差7′基本一致，標(biāo)尺在視場(chǎng)邊緣也就是與照明燈呈較大角度的位置精度下降，與兩標(biāo)志點(diǎn)間的距離減小有關(guān)，從曲線中可以看出測(cè)量精度呈波浪形，經(jīng)實(shí)踐測(cè)算為標(biāo)尺自身角度指示精度誤差所致（標(biāo)尺加工精度影響），對(duì)標(biāo)定角度復(fù)合后B、D、H點(diǎn)指示精度較高，所以綜上分析，通過高精度標(biāo)校，測(cè)試系統(tǒng)精度可以達(dá)到優(yōu)于0.5個(gè)密位。

4　結(jié)論

基于投影成像原理的彈丸著靶姿態(tài)高精度測(cè)試方法研究，提出了控制照明系統(tǒng)與高性能數(shù)字照相機(jī)進(jìn)行彈丸著靶姿態(tài)的高精度測(cè)試方法，突破了高質(zhì)量成像、圖像標(biāo)定、數(shù)據(jù)修正計(jì)算等難題，使照相法在彈丸姿態(tài)測(cè)試中得到有效應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)方法缺少測(cè)試手段、無法錄取有效數(shù)據(jù)等問題。測(cè)試中通過射擊試驗(yàn)與系統(tǒng)精度試驗(yàn)，證明了方法的有效性與可實(shí)施性。此方法可以應(yīng)用于多種輕武器殺傷元的研制和鑒定中，為多項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目提供數(shù)據(jù)支撐，提高國(guó)家靶場(chǎng)的測(cè)試能力。

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High-precision Testing for Hitting Attitude of Projectile Base on the Principle of Projection Imaging

TAO Zonghui1，2，LIU Weiqi3，ZHAO Yiwu1，2，LOU Yan1，2，JIANG Huilin1，2
（1.NUERC of Space and Optoelectronics Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Fundamental Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；3.Baicheng Ordnance Test Center of China，Baicheng 137001）

Hitting attitude testing of projectile is an important project in the test of trajectory parameter which can reflect the effectiveness of the projectile together with the parameters including hit velocity，projectile mass and the efficiency of the energy transferring.Because of small target and fast speed of the projectile，one cannot achieve high-precision testing of the three-dimensional attitude angle.The testing for hitting attitude of projectile with small diameter has been demonstrated in this work base on the methods of projection test，vision field calibration and data modify calculating，which solved the problems of high quality imaging，calibration reading and angle calculation of the target.And then the test project and capability has been improved.

hitting attitude；projection testing；trajectory parameter

TP394.1；TH691.9

A

1672-9870（2015）06-0025-05

2015-00-00

國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目（91338116）

陶宗慧（1986-），碩士，實(shí)驗(yàn)員，E-mail：taoz01@163.com

劉唯奇（1986-），工程師，E-mail：lwq31jd@163.com