破片著靶速度及圖像獲取*

馮 毅，李 超，魯 娟

(中國兵器工業(yè)試驗測試研究院， 陜西華陰 714200)

0 引言

隨著我國國防實力的快速提升，國家對兵器行業(yè)給予越來越高的重視，越來越多的彈藥爆炸威力測試類試驗在靶場進行，該類試驗主要考核裝藥戰(zhàn)斗部能否滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，相關(guān)參數(shù)測試中破片穿靶過程圖像及靶前平均速度的獲取尤為關(guān)鍵和重要。測量破片速度的方法常見的有光幕靶、天幕靶、網(wǎng)靶、金屬箔靶等，也稱其為通斷靶或斷通靶。一次試驗往往需要很多個測試通道才能更加準(zhǔn)確地測量出全預(yù)制或半預(yù)制破片群的初速。目前在靶場大多采用梳狀靶、電探針等區(qū)截裝置接觸式測量方法[1]，而且該類測量方法只能測量飛行速度最快的破片的速度，由于破片飛行速度與區(qū)截裝置的探測面大多成一定的夾角[2]，導(dǎo)致測量值與真值相差較大，同時，每次布設(shè)區(qū)截裝置都需要耗費大量的人力和物力，效率低下且區(qū)截裝置基本上都是一次性的，造成很大資源浪費。高速攝影裝置和脈沖X射線攝影的方法雖然可以實時記錄破片的影像，并且可從最終拍攝的影像判讀破片的飛行速度，但對動態(tài)爆破的多個破片識別難度較大，對與預(yù)想彈道成大角度飛行的破片，測量誤差較大。在瞬態(tài)高溫、高壓、強沖擊條件下攝取的脈沖X射線底片，圖像本身模糊、信噪比小，人工判讀底片的過程中，不可避免地會引入一定程度的測量誤差,加之設(shè)備昂貴、測試環(huán)境惡劣、布設(shè)位置難以確定等因素，極易造成設(shè)備損壞而增加使用成本，實際很少有人使用[1-2]，目前對于戰(zhàn)斗部正常破片的初速以及初速分布的測量，國內(nèi)還沒有很好的解決辦法。

根據(jù)爆炸破片著靶類試驗定點、高速，尤其是著靶起光亮度高，破片著靶瞬間產(chǎn)生的火光高速攝像機易于識別等特點，結(jié)合靶場測試設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)性能，綜合考慮決定選用高速攝像機作為破片靶前平均速度及圖像獲取的主要測試手段，提出使用高速攝像機重點拍攝破片著靶火光點的方式獲取破片靶前平均速度及穿靶圖像的測試及數(shù)據(jù)處理方法，并比照梳狀靶測試數(shù)據(jù)對其數(shù)據(jù)處理方法進行簡要的分析和總結(jié),完成破片靶前平均速度及圖像的獲取。

1 測試要求

以在靶場進行的某彈藥爆炸威力試驗為例，彈藥爆炸破片飛行方向為定向飛散，試驗前根據(jù)現(xiàn)場場地情況分別在破片定向飛散區(qū)距彈藥戰(zhàn)斗部8 m、16 m處以戰(zhàn)斗部為圓心布設(shè)2個弧形鋼板靶，該試驗需要測試破片著靶前的速度及著靶過程。

2 系統(tǒng)布設(shè)方案

2.1 方案一

在兩靶后距戰(zhàn)斗部約100 m處布設(shè)1#、2#高速攝像機并用鋼掩體做好防護，用于測試破片靶前平均速度，在16 m處鋼板靶側(cè)方順光方向距戰(zhàn)斗部約100 m處布設(shè)3#高速攝像機，用于觀測戰(zhàn)斗部爆炸破片速度及著靶過程，3臺高速攝像機均使用鋼掩體加防彈玻璃的方式加以防護，掩體擺放位置要求保證高速攝像機視場內(nèi)無遮擋，采用戰(zhàn)斗部上捆綁斷靶線斷靶觸發(fā)的方式啟動高速攝像機，設(shè)備布設(shè)示意圖見圖1。

試驗后對高速攝像機拍攝的圖像進行觀察處理，發(fā)現(xiàn)3#高速攝像機位置由于炸點火光亮度過高，圖像過飽和，1#、2#高速攝像機測試效果圖見圖2。

從圖2的成像效果和該方案的設(shè)備布設(shè)策略可明顯看出該測試方法存在以下不足：

1)1#、2#高速攝像機均位于靶標(biāo)正后方，僅能觀測到穿透靶面的破片與靶面碰撞產(chǎn)生的火光，隨機反彈未能穿透靶面的破片則無法觀測到，數(shù)據(jù)無法獲取。

2)3#相機將炸點位置框入視場中，導(dǎo)致圖像過飽和，無法獲取有效數(shù)據(jù)圖像。

3)高速攝像機布設(shè)位置均位于靶標(biāo)正后方，破片穿靶后很可能擊中攝像機、控制電腦及相關(guān)附件和供電設(shè)施，雖然加裝鋼掩體及防彈玻璃進行防護，但處于破片攻擊飛散區(qū)鋼掩體和防彈玻璃的防護能力畢竟有限，仍然存在很大的安全隱患。

2.2 方案二

采用3臺高速攝像機拍攝戰(zhàn)斗部破片靶前平均速度及著靶過程，8 m、16 m鋼板靶的位置固定，試驗前根據(jù)試驗現(xiàn)場情況，分別在8 m、16 m鋼板靶正側(cè)方距爆心100 m處布設(shè)1#、2#高速攝像機，用于監(jiān)測破片靶前平均速度及著靶過程圖像。在16 m處鋼板靶正側(cè)方距爆心約100 m處布設(shè)3#高速攝像機，用于重點拍攝戰(zhàn)斗部爆炸及破片打擊16 m處靶板過程，1#、2#、3# 3臺高速攝像機視場在爆心至鋼板靶處相互交叉重疊，可互為備份。

3臺高速攝像機均使用鋼掩體加防彈玻璃進行防護，掩體放置位置要求相機拍攝視場內(nèi)無遮擋。試驗時，高速攝像機均架設(shè)在事先放置好的鋼掩體內(nèi)，采用戰(zhàn)斗部爆心事先綁斷靶線的方式觸發(fā)啟動高速攝像機。設(shè)備布設(shè)示意圖見圖3。

圖3 方案二高速攝像機現(xiàn)場布設(shè)示意圖

從試驗后的測試效果來看，2#高速攝像機測試效果較好,1#、3#高速攝像機測試效果圖見圖4。

2.3 方案三

綜合前兩種測試方案的優(yōu)缺點，結(jié)合試驗測試的場地及戰(zhàn)斗部的實際情況，決定在前面方案二的基礎(chǔ)上將8 m處鋼板靶向遠離戰(zhàn)斗部爆心方向移動2 m，即改為距爆心10 m鋼板靶，同時高速攝像機布設(shè)時相機視場將戰(zhàn)斗部爆心位置避開一些，避免爆炸火光亮度過高導(dǎo)致圖像過飽和，同時盡量將相機曝光時間設(shè)置短些，以能夠隱約看到鋼板靶位置為宜，其它高速攝像機布設(shè)位置、防護措施、試驗場地、試驗方法等均不變，測試效果圖見圖5。

圖4 1#、3#高速攝像機測試效果圖

圖5 1#、2#高速攝像機拍攝破片著靶圖像

從圖5可以看出，破片著靶瞬間產(chǎn)生的亮光非常明顯，易于破片著靶過程的觀測及靶前平均速度的處理，所以根據(jù)該類試驗的實際情況，一般將方案三作為首選試驗測試方案。

3 參數(shù)設(shè)置

考慮到破片速度很高，高速攝像機擬使用5 000f/s 幀頻的拍攝速率進行測試，除了常規(guī)設(shè)置外，主要考慮曝光時間和EDR以及光圈和景深[2]，結(jié)合試驗使用的設(shè)備的實際技術(shù)指標(biāo)情況，高速攝像機的主要參數(shù)設(shè)置如表1所示，1#、2#、3#高速攝像機的型號分別為PhantomV10、PhantomMiro3、PhantomM110。

表1 高速攝像機主要參數(shù)設(shè)置

注意：將EDR曝光時間設(shè)置為曝光時間的1/2時，圖像中最亮的像素將比較暗像素低一個光圈進行曝光。應(yīng)根據(jù)可能遇到的最暗照明條件下可獲得滿意圖像的要求來設(shè)置曝光時間極限值；并盡可能使用短焦鏡頭來拍攝，這樣就可以得到更高質(zhì)量的圖像[3]，便于對破靶前平均速度的判讀和著靶過程圖像的獲取。

4 數(shù)據(jù)處理

1#、2#高速攝像機主要用于拍攝并處理破片10 m、16 m處靶前的平均速度，其中對1#高速攝像機拍攝的圖像，使用專用數(shù)據(jù)處理軟件事后判讀，獲取10 m靶著靶的破片幀數(shù)、破片數(shù)和判讀出的著靶平均速度如表2所示。

表2 高速攝像機主要參數(shù)設(shè)置

兩次摸底試驗，高速攝像機測試處理的靶前平均速度與梳狀靶測試處理的靶前平均速度對比如表3所示。

表3 高速攝像機及梳狀靶判讀破片靶前平均速度對比

從表3可以看出，針對同一發(fā)戰(zhàn)斗部爆炸破片攻擊同一個靶，高速攝像機處理的靶前平均速度和梳狀靶處理的靶前平均速度數(shù)值趨勢正確，都是10 m鋼板靶處的平均速度高于16 m鋼板靶處的平均速度，但是梳狀靶測試的破片靶前平均速度均比高速攝像機測試的高些，速度最大差近50 m,誤差較大，造成這種情況的原因需要從高速攝像機及梳狀靶的數(shù)據(jù)處理方法來簡要分析：

1)高速攝像機數(shù)據(jù)處理方法

試驗前精確測量爆心至靶標(biāo)的距離d，通過爆心斷靶觸發(fā)的方式獲取起爆零時刻，使用高速攝像機專用數(shù)據(jù)處理軟件讀取破片著靶瞬間靶標(biāo)上出現(xiàn)亮點幀數(shù)，根據(jù)斷靶觸發(fā)零時刻及靶標(biāo)上出現(xiàn)亮點幀數(shù)，結(jié)合高速攝像機的拍攝幅率綜合計算，獲取破片著靶的時間t，根據(jù)速度v=d/t計算得出破片的靶前平均速度[4-5]，計算公式如下：

(1)

(2)

將式(2)中t代入式(1)得到：

式中：v為破片靶前平均速度；t為破片著靶時間；d為靶距；f為拍攝幀頻；n為破片距離零時刻幀數(shù)。

2)梳狀靶數(shù)據(jù)處理方法

梳狀靶破片靶前平均速度的獲取主要依靠測試不同方向、時間飛出的破片在多塊梳狀靶上的著靶時刻與起爆零時刻做減法獲取破片著靶時間，再用靶距除以著靶時間獲得破片靶前平均速度。數(shù)據(jù)處理計算方法與高速攝像機比較類似。

不同的是與高速攝像機獲取數(shù)據(jù)圖像方式相比，高速攝像機獲取的是每個破片著靶的時間，而梳狀靶的測試方法是將多個梳狀靶安裝于鋼板靶靶面上不同的指定位置，單個小塊梳狀靶在被破片擊中觸發(fā)后傳遞給信號采集裝置一個斷通信號從而獲取破片的著靶時間，該靶即為觸發(fā)狀態(tài)，后續(xù)擊中該梳狀靶的破片時間將無法有效獲取，梳狀靶數(shù)量有限，所以鋼板靶同一區(qū)域獲取的破片數(shù)據(jù)也是有限的，無法對鋼板靶同一區(qū)域的著靶破片數(shù)及時間進行加權(quán)平均計算，因而梳狀靶獲取的破片速度并不能真實反映每個著靶破片的速度，而是取一個平均值。從數(shù)據(jù)處理的結(jié)果來看，從高速攝像機拍攝的破片著靶圖像處理出的靶前平均速度與理論設(shè)計的速度更為接近，這一點更印證了高速攝像機在該類試驗破片速度測試中的優(yōu)越性[6-7]。

5 結(jié)論

文中通過對3種不同拍攝點位的高速攝像機拍攝破片著靶圖像進行對比并結(jié)合同樣位置的梳狀靶測試數(shù)據(jù)做簡要分析，提出了一種實用的測試方法，同時對該類試驗參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)處理方法進行了分析。該測試方法拓展了靶場高速攝像機的測試領(lǐng)域，對靶場現(xiàn)代化建設(shè)具有一定的積極意義。然而，由于該方法是新研究總結(jié)的測試方法，還需要在實際工作過程中予以不斷完善和改進。