彈丸脫靶量及速度測(cè)量的高速攝影試驗(yàn)

焦志剛，杜 寧，范龍剛，黃維平

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng) 110159；2.齊齊哈爾建華機(jī)械有限公司試驗(yàn)場(chǎng)，黑龍江 齊齊哈爾 161006；3.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110116）

彈丸脫靶量及速度測(cè)量的高速攝影試驗(yàn)

焦志剛1，杜 寧1，范龍剛2，黃維平3

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng) 110159；2.齊齊哈爾建華機(jī)械有限公司試驗(yàn)場(chǎng)，黑龍江 齊齊哈爾 161006；3.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110116）

為驗(yàn)證某型號(hào)無(wú)線電引信對(duì)空中目標(biāo)的近炸性能，設(shè)計(jì)了兩臺(tái)高速攝像機(jī)脫靶量觀測(cè)方案，在靶機(jī)上設(shè)置三維標(biāo)尺，運(yùn)用PCC軟件進(jìn)行后處理，可快速測(cè)量出脫靶量。同時(shí)用高速攝像機(jī)中的兩點(diǎn)法測(cè)速得到的結(jié)果與多普勒雷達(dá)測(cè)速結(jié)果吻合較好。結(jié)果證明此種方法簡(jiǎn)單，測(cè)試精度高，可為類似試驗(yàn)提供一定的參考依據(jù)。

無(wú)線電引信，高速攝像機(jī)，脫靶量，快速測(cè)量

0 引言

武器系統(tǒng)中戰(zhàn)斗部或彈丸的毀傷效能直接與引信有關(guān)，近炸引信具有使用靈活、作用可靠、可提高對(duì)目標(biāo)的命中概率等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)空使用近炸引信具有更大作用［1-2］。因此，考核對(duì)空中目標(biāo)作用近炸引信的性能，需測(cè)量引信作用時(shí)與目標(biāo)之間的距離—脫靶量。測(cè)量時(shí)將靶機(jī)吊在距離地面一定高度的空中，射擊點(diǎn)距離靶機(jī)的水平距離約3 000 m，由于彈丸運(yùn)動(dòng)速度快，且具有一定隨機(jī)散布，準(zhǔn)確測(cè)量彈靶距離和相對(duì)位置難度較大。采用傳統(tǒng)的網(wǎng)靶等方法不但費(fèi)用高而且不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確觀測(cè)。

高速攝影機(jī)具有測(cè)量精度高、直觀、可靠、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)［3］，已被廣泛應(yīng)用于各類兵器測(cè)試中，如炮彈、火箭等物體的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的測(cè)量［3-7］。并且利用跟蹤標(biāo)記點(diǎn)法可以進(jìn)一步測(cè)量彈丸的速度等參量。

1 試驗(yàn)方案及測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)方案

考慮到靶機(jī)距離地面有一定的高度，為減小誤差，更準(zhǔn)確地測(cè)量脫靶量，火炮、高速攝像機(jī)、靶機(jī)之間的位置關(guān)系至關(guān)重要。綜合考慮打擊目標(biāo)的實(shí)際情況，將靶機(jī)頭部指向炮口方向，高速攝像機(jī)在彈道線的正下方與靶機(jī)對(duì)地投影有一定距離，可計(jì)算出高速攝影機(jī)相對(duì)靶機(jī)頭部仰角度數(shù)。三者之間的位置關(guān)系在射擊平面內(nèi)的投影（D、N重合）如圖1所示，其中D為火炮，N為高速攝像機(jī)，F(xiàn)為吊車，H為吊車臂，CE為彈丸距靶機(jī)側(cè)面的距離。

在靶機(jī)一側(cè)安裝空間三維標(biāo)尺，在標(biāo)尺上設(shè)置顏色標(biāo)志作為測(cè)量刻度，采用紅藍(lán)相間，每種顏色代表1 m。利用大型吊車將靶機(jī)吊于預(yù)定高度，測(cè)量距炮位的距離，并在靶機(jī)四角用繩索張緊，以使靶在空中定位穩(wěn)定，保持合適的姿態(tài)。如圖2所示。

高速攝影機(jī)設(shè)在彈道下方距離靶機(jī)一定水平距離的掩體里，用云臺(tái)調(diào)節(jié)高速攝像機(jī)的高低與方向。將筆記本電腦與高速攝像機(jī)相連進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，根據(jù)距離選用適當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)攝變焦鏡頭，用觸發(fā)開關(guān)對(duì)攝影機(jī)進(jìn)行觸發(fā)控制。由于野外無(wú)法使用市電，實(shí)驗(yàn)采用自備發(fā)電機(jī)供電。連接完成后，打開計(jì)算機(jī)軟件，調(diào)整云臺(tái)角度使得靶機(jī)在取景中心位置，根據(jù)當(dāng)時(shí)的天氣條件以及綜合情況調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)，使在圖像中可以清晰看到固定在靶機(jī)上的標(biāo)尺。拍攝參數(shù)：F=2.8；f=20 000 fps；分辨率：1 280×720；曝光時(shí)間：10 μs可拍攝時(shí)間為3.78 s。觸發(fā)方式為前觸發(fā)即觸發(fā)后會(huì)記錄3.78 s的視頻，因此，準(zhǔn)確把握觸發(fā)點(diǎn)至關(guān)重要，通過與炮位之間的有效通訊進(jìn)行觸發(fā)控制。實(shí)驗(yàn)中采用對(duì)講機(jī)進(jìn)行通訊，操作人員要綜合考慮炮位距靶機(jī)距離、彈丸飛行時(shí)間等因素，測(cè)試過程要求現(xiàn)場(chǎng)指揮高度協(xié)調(diào)。高速攝像機(jī)安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

1.2 測(cè)試原理及方法

試驗(yàn)采用某型號(hào)滑膛炮，彈丸為后張式尾翼。炮位、高速攝像機(jī)、靶機(jī)采用GPS定點(diǎn)。靶機(jī)側(cè)面安裝三維空間實(shí)木標(biāo)尺。標(biāo)尺的材料屬性采用實(shí)木而非金屬可以避免金屬標(biāo)尺對(duì)無(wú)線電引信的干擾。

炮位調(diào)整密位等相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用對(duì)講機(jī)保持相關(guān)人員之間的通訊。第一發(fā)炮彈為目標(biāo)彈，高速攝影為炮位提供相關(guān)修正數(shù)據(jù)，調(diào)整后，開始正式彈的射擊試驗(yàn)，為砂彈加被試引信。為更加清晰觀察引信作用，在引信中添加紅色染色劑。當(dāng)引信作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生紅煙，如圖4所示。

射擊指令發(fā)出后，觸發(fā)高速攝像機(jī)并拍攝彈丸的飛行過程，用PCC軟件截取所需的拍攝圖像信息并保存，以便對(duì)結(jié)果的后處理。

1.3 PCC軟件介紹

PCC軟件是對(duì)所采集的圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，可以對(duì)被拍攝物體的標(biāo)記點(diǎn)自動(dòng)跟蹤、快速測(cè)量等。PCC軟件對(duì)于本文的射擊試驗(yàn)，進(jìn)行飛行姿態(tài)記錄、數(shù)據(jù)處理，得出彈丸的脫靶量及速度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 觀測(cè)結(jié)果及后處理

首先設(shè)定比例尺，點(diǎn)擊Calibrate，在待測(cè)量的圖片上點(diǎn)擊參照水平標(biāo)尺的起始點(diǎn)，如圖5所示。在待測(cè)的圖片上點(diǎn)擊參照標(biāo)尺的第2點(diǎn)，如圖6所示。在彈出的對(duì)話框中輸入?yún)⒄諛?biāo)尺的實(shí)際尺寸，系統(tǒng)將自動(dòng)算出當(dāng)前視頻單位像素代表的實(shí)際尺寸，如圖7所示。然后激活快速測(cè)量中的Active，選擇2點(diǎn)法的測(cè)量方式。最后在同一張照片中，選擇引信作用時(shí)的位置點(diǎn)及靶機(jī)側(cè)面一點(diǎn)，將在result中顯示出測(cè)量結(jié)果，如圖8所示。

運(yùn)用軟件中的自動(dòng)跟蹤標(biāo)記法，以彈丸為設(shè)定的標(biāo)記點(diǎn)，自動(dòng)跟蹤彈丸軌跡，軌跡越長(zhǎng)，所測(cè)得的彈丸速度越準(zhǔn)確。

以其中一發(fā)彈丸為例，運(yùn)用軟件中的2點(diǎn)法可以測(cè)量彈丸的速度，在Result中顯示如圖9所示。

2.2 結(jié)果對(duì)比分析

2.2.1 理論分析

為驗(yàn)證高速攝像機(jī)測(cè)量距離的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了兩臺(tái)高速攝像機(jī)的測(cè)量方案，火炮、高速攝像機(jī)、靶機(jī)位置關(guān)系如圖10所示。其中M和N為高速攝像機(jī)，C為彈丸位置，E為靶機(jī)，A為靶機(jī)側(cè)面一點(diǎn)且A點(diǎn)位置距彈丸最近，AC即為所求的彈丸距靶機(jī)的距離。由M和N兩臺(tái)高速攝像機(jī)通過空間三維標(biāo)尺可以分別測(cè)量出AP、CG之間的距離。

連接點(diǎn)M、C并延長(zhǎng)MC與DA的延長(zhǎng)線相交于P點(diǎn)，過C點(diǎn)做CG垂直于AP垂足為G，連接AC。由M和N兩臺(tái)高速攝像機(jī)通過空間三維標(biāo)尺可以分別測(cè)量出AP、CG之間的距離。

運(yùn)用兩臺(tái)高速攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)彈丸位置的準(zhǔn)確定位，測(cè)試原理圖如下頁(yè)圖11所示。

照片中距離采用刻度尺量得；由于運(yùn)用刻度尺測(cè)量時(shí)存在一些誤差，也是造成理論值與測(cè)量值不同的原因。

試驗(yàn)場(chǎng)根據(jù)彈丸的速度根據(jù)彈道射表，以及多普勒測(cè)速雷達(dá)技術(shù)測(cè)得彈丸速度，多普勒雷達(dá)測(cè)速場(chǎng)地布置如下頁(yè)圖12所示。

2.2.2 結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)采用某型號(hào)火炮發(fā)射10發(fā)某型號(hào)彈丸選取其中3發(fā)進(jìn)行比較，其中多普勒雷達(dá)、高速攝像機(jī)測(cè)速測(cè)量彈丸到達(dá)靶機(jī)時(shí)速度、距離的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

運(yùn)用高速攝像機(jī)中的兩點(diǎn)法測(cè)速得到的結(jié)果與多普勒雷達(dá)測(cè)速結(jié)果吻合較好，相對(duì)測(cè)速差值小于7 m/s。第1發(fā)彈丸在靶機(jī)側(cè)下方，第2、第3發(fā)彈丸在靶機(jī)側(cè)方。根據(jù)彈丸的散布規(guī)律以及炮手的熟練程度，多數(shù)彈丸分布在靶機(jī)側(cè)方，因此，在類似試驗(yàn)中采用2臺(tái)高速攝像機(jī)即可滿足需求。

3 結(jié)論

經(jīng)過試驗(yàn)證明某型號(hào)無(wú)線電引信對(duì)靶近炸性能試驗(yàn)的可行性，運(yùn)用高速攝影機(jī)可以測(cè)量高速飛行體的位移以及與參照物之間的距離。采用兩臺(tái)高速攝像機(jī)觀測(cè)脫靶量時(shí)，根據(jù)照片中的標(biāo)尺校準(zhǔn)比例尺，可快速測(cè)量出脫靶量，得出高速攝影機(jī)測(cè)量距離的準(zhǔn)確性。利用兩點(diǎn)發(fā)法可測(cè)量彈丸飛行速度，與多普勒雷達(dá)測(cè)速發(fā)對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證高速攝影技術(shù)測(cè)速的可行性。根據(jù)炮手的經(jīng)驗(yàn)以及彈丸散布規(guī)律，彈丸軌跡在靶機(jī)側(cè)方，用兩臺(tái)高速攝像機(jī)可以直接測(cè)量出彈丸距靶機(jī)距離?？梢詾樵囼?yàn)降低成本，為類似試驗(yàn)提供一定的參考依據(jù)。

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Experimental Investigation of Projectile Miss Distance and Velocity Measurement with High-speed Photography

JIAO Zhi-gang1，DU Ning1，F(xiàn)AN Long-gang2，HUANG Wei-ping3
（1.Shenyang Ligong University ，Shenyang 110159，China；2.Qiqihaer JianHua Co.，LTD，Qiqihaer 161006，China；3.Liaoshen Industries Group Co.Ltd，Shenyang 110116，China）

For the validation of a certain type radio fuze features of air targets，two high-speed photography miss distance observation scheme are designed，three dimensional scale on the targetplanes is setted，using PCC software for reprocessing，it can instant measurement the miss distance.At the same time，with two point method of a high-speed photography in speed measuring results and the doppler radar velocity measuring results are in good agreement.The results prove that this method is simple，high testing precision，can provide certain reference basis for similar test.

radio fuze，high-speed photography，miss distance，instant measurement

TJ410.3+3

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.11.41

1002-0640（2017）11-0191-04

2016-09-05

2016-11-07

焦志剛（1963- ），男，遼寧沈陽(yáng)人，教授。研究方向：彈箭仿真技術(shù)、彈藥工程。