基于投影成像原理的彈丸著靶姿態高精度測試方法研究

陶宗慧，劉唯奇，趙義武，婁巖，姜會林

（1.長春理工大學　空間光電技術國家地方聯合工程研究中心，長春　130022；2.長春理工大學　空地激光通信技術重點學科實驗室，長春　130022；3.白城兵器試驗中心，白城　137001）

基于投影成像原理的彈丸著靶姿態高精度測試方法研究

陶宗慧1，2，劉唯奇3，趙義武1，2，婁巖1，2，姜會林1，2

（1.長春理工大學空間光電技術國家地方聯合工程研究中心，長春130022；2.長春理工大學空地激光通信技術重點學科實驗室，長春130022；3.白城兵器試驗中心，白城137001）

彈丸著靶姿態測試是彈道參數測試中的重要項目，姿態參數與著靶速度、彈丸質量、能量傳遞效率共同反映了彈丸的終點效能，由于彈丸目標小、速度快，對其著靶瞬間的三維姿態角的高精度測試還無法實現。采用投影測試方法、視場標定方法、數據修正計算方法，解決了目標的高質量成像、標定判讀、角度計算等難題，實現了小口徑彈丸的著靶姿態測試，完善了測試項目，提升了測試能力。

著靶姿態；投影測試；彈道參數

由于輕武器彈丸具有小、快、暗的目標特性，所以一直以來對輕武器測試領域中彈丸著靶姿態高精度測試方法的研究進展較為緩慢，而該項測試在輕武器外彈道參數測試中占有重要的地位，主要體現在以下三點：一是彈丸著靶姿態是終點彈道測試中的重要參數，著靶攻角的大小直接影響了彈丸侵徹的能力，是彈丸終點效能綜合評定的重要依據；二是彈丸著靶姿態可以體現彈丸在有效射程內的飛行穩定性，對于被試品故障判讀具有重要意義；三是彈丸著靶姿態參數在很大程度上決定了彈丸對于有機目標侵徹后的殺傷能力，體現了彈丸失穩翻滾效果，可以作為彈丸殺傷能力的判定依據。

目前的輕武器彈丸著靶姿態測試方法主要存在試驗鑒定測試需求少、試驗測試系統單一、缺少有效判定依據等問題。由于測試方法的研究相對滯后，所以在輕武器產品研制、生產、鑒定等環節上都沒有對彈丸著靶姿態指標提出測試要求，在判定彈丸終點效能時缺少直接有力的依據，從而制約了武器產品的發展；同時由于缺少彈丸姿態測試手段，在終點彈道等重點測試項目的研究中也無法掌握著靶攻角與毀傷效能之間關系的有效數據，導致毀傷機理數理模型得不到有效的驗證，在一定程度上影響了外彈道、終點彈道等重點測試項目的測試方法的發展。基于攝影測量原理的彈丸著靶姿態高精度測試方法，通過投影測試方法設計、標定方法研究、數據處理方法研究，建立一套科學、系統、有效的輕武器彈丸姿態高精度測試方法，解決了目前輕武器靶場鑒定及彈道研究中的姿態測試需求，為輕武器產品的研制提供了重要支撐。同時對彈丸姿態測試方法的深入研究可以完善輕武器彈道測試體系，提升輕武器靶場的綜合試驗能力，在輕武器彈道測試技術領域具有重要意義。

1　投影測試方法

首先對彈丸著靶角進行測試需求分析，彈丸目標特性為：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），要求測角精度優于2mil。目前在小口徑彈丸姿態測試領域主要采用紙靶法，使用經過電烤的紙靶作為接收目標，高速飛行的彈丸經過后留下一個橢圓形的彈孔，通過對彈孔的判讀計算出著靶角，由于這種方法誤差源較多，不能實現較高精度的角度測試，所以在實際操作中需要在槍口增加起偏器增加彈丸的章動角。經過對測試需求以及傳統測試方法的分析可以得到以下結論：（1）彈丸著靶角度小、測試精度要求高、測試難度大；（2）傳統方法無法滿足測試需求。

為解決彈丸著靶角度測試問題設計采用投影成像測試方法，如圖1所示，在靶面上安裝正交照明燈，當彈丸進入測試區域即將著靶的瞬間，照明燈閃光，調試好的數碼相機采用B門等待的方式在閃光時對彈丸投影進行成像（采用B門拍攝是由于單反相機最低曝光時間為125μs，不能滿足瞬態目標拍攝需求，所以采用控制照明燈閃光時間的拍攝方式），試驗需要在內靶道低照度環境下進行。

從圖1中可以看出正交投影測試系統主要包括光源系統、攝影系統、靶板。其中對光源系統指標要求為：最小閃光時間優于5μs，輸出功率大于40W。相機指標為：分辨率4256×2832；像元尺寸15μm；感光能力12800iso。光學鏡頭：光圈優于F2.8；焦距600mm定焦。其他指標：相機作用距離15m；視場：0.9m×0.6m；照明燈主軸與靶面角度：15°～25°（根據彈丸長度調節）；兩燈主軸在靶面上投影線夾角：90°±5°。根據以上選定設備指標進行成像能力分析。

圖1　正交斜投影測試系統

作為成像設備的主體，相機的感光能力是系統最終成像能力的關鍵，所選相機的最高感光度為12800iso，則相機靈敏度為 0.8/12800=0.0625× 10-3lx.s，當曝光時間為5μs時所需最小照度為0.0625×10-3lx.s/0.000005s=12.5lx，也就是說理論上在5μs曝光時間內照度高于12.5勒克斯可以成像，但在實際拍攝中，選擇12800iso感光度會有較大的噪聲，過低的輸入照度會被噪聲淹沒無法精確判讀，所以這里引入相機的另一個關鍵指標光譜響應度，通常情況下單反相機參數中不包含該參數，需要對相機成像元件進行測定，最終得到所選相機的平均光譜響應度約為160LSB/（nJ/cm2）～200LSB/（nJ/ cm2），最終選定該值為180LSB/（nJ/cm2）。

根據以上選定指標進行計算如下，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—靶面的發射系數為0.3；L—靶面長；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—光學系統透過率，取0.7；F—光學系統光圈數；Vλ—成像元件光譜響應率。

進行照度轉化計算可得：

該值遠高于成像所需的最小照度12.5lx，為計算最終的成像效果，引入相機光譜響應度指標后計算預計靶面背景成像灰度為：

其中：T—曝光時間5μs；E—感光元件上的平均功率；B—光譜響應度。

根據以上計算結果可以看出照明系統提供的福照度可以有效的將靶面照亮，該測試系統可以滿足較高質量的成像要求。

2　視場標定及數據修正計算方法

對彈丸著靶角度的高精度測試主要包括兩個關鍵因素，一是對目標的成像捕獲，二是視場內的標定與數據處理，通過上一節的分析可以得到能夠有效成像的結論，下面將對標定方法以及數據處理計算方法進行設計研究。

決定系統測試精度主要為兩個方面，一方面是測試系統裝調精度，另一方面是視場標定校準精度。在裝調環節通過目前較為成熟的檢測裝調設備的高精度校準，裝調精度可以控制，而重點環節在于系統標定上，目前設計采用角度指示裝置在試驗后對測試系統進行標定，并根據標定數據計算測試彈丸的著靶角。

圖2　標定器材示意圖

圖2為測角標定裝置（測角器），其中每個尖端與下端中心點間的角度相差10°，天頂90°左右的尖端之間相差5°，試驗中在捕獲彈丸圖像后，將測角標定裝置放置于視場內，下端中心點與彈丸著靶中心點重合，徑向方向與垂線重合，底座與靶面重合，確保標定面與靶面垂直，拍攝其投影照片。并對彈丸圖像與標定圖像進行判讀，經過計算得到彈丸著靶角方位角，同理測量著靶俯仰角。

圖3　圖像判讀方法示意圖

如圖3所示，拍攝中對彈丸著靶瞬時的捕獲很難實現，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投影軸線的交點O作為著靶點，以判讀彈丸著靶俯仰角為例，投影軸線落在角度指示點A、B中間，其中B點指示角度為0°，A點指示角度為5°，C點為投影軸線與AB的交點，所以C點指示角度為彈丸著靶俯仰角θ。設AB間距離為d1，BC間距離為d2則計算得

在目前測試系統框架下對測角精度產生影響的誤差源較多，其中的關鍵的影響因素是成像系統的分辨率與成像質量，由于測試精度分析需要以實施中的具體參數為基礎進行計算，所以對目前的設計方案進行分析如下。估算圖像判讀中相面特征點定位誤差為1個像元，其中主要包括著靶點1、標定點2、投影軸交點1，所以總的均方根誤差為線AB的成像像元為82，最終估算測角精度最大約為0.12°（7′），在章動角小于5°時測角精度優于3%。

3　測試試驗

由于試驗器材條件限制，只進行俯仰方向的彈丸著靶角測試。驗證試驗共分兩部分進行，首先驗證該測試方案的可行性，進行射擊試驗，考核成像質量，并進行圖像判讀與數據處理，得到試驗結果；證明方案可行后進行測試系統測試精度的復合，采用靜態拍攝標尺的方法，通過兩個或三個標志點作為已知標定點，推其它標志點位置，將得到的數據與已知數據對比得到測試精度。

彈丸：12.7mm×67mm；

彈速：1000m/s；

曝光時間：3μs；

焦距：200mm；

分辨率：2784×1848；

射擊距離：100m；

射擊發數：10發。

3．非暴力性。傳統的舊意識形態在掩蓋社會危機本質、壓制人們反抗、維護階級關系等方面更多的是采用“鎮壓”“暴力”“斗爭”的方式，帶有極強的暴力性特征。而科學技術作為一種新的意識形態，超越了舊意識形態，通過滿足人們需求，向社會成員提供福利來換取其對資本主義制度忠誠的新意識形態模式，從而“把確定私有經濟的資本價值增殖形式和確保群眾忠誠的、分配社會補償的形式，作為政治形式來闡明其維護社會制度的功能性任務，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發的試驗圖像如圖4所示，疊加標尺圖像后，進行圖像判讀和數據處理如圖5所示。

圖4　第6發彈丸著靶成像圖

圖5　標尺圖像疊加判讀圖

其中A點為標尺90°度標志點，通過圖像判讀得到d1=203.711pix，d2=17.117pix所以根據角度計算公式得到：

經過計算第6發彈丸的著靶俯仰角為-0.42013°，即θ=-25′12″（-7mil），同理計算本組其他彈丸著靶角得到數據如表1所示。

表1　速度衰減數據表

從試驗結果數據來看可以得到以下3個結論：（1）該測試方法可以對彈丸著靶角度進行有效測試；（2）測試系統角分辨率和測試精度均優于1mil；（3）彈丸在100m處的章動角小于1°基本符合彈丸運動的理論模型。

3.2試驗二：測試精度試驗

曝光時間：10μs；

焦距：200mm；

分辨率：2784×1848；

標定角度：5°。

如圖6所示，圖像中共有13個角度標志點，每兩個標志點間的角度差為5°，試驗中取目標點為未知點，取兩側的標志點作為已知點，進行判讀計算目標點角度值。

圖6　標尺圖像判讀圖

其中實際標尺中A點為0°，B點為5°，以此類推，L點為55°，M點為-5°。圖像判讀方法與計算方法與試驗一相同，最終得到試驗數據如表2所示。

表2　圖像標定試驗數據表

對測量檢測數據進行擬合分析，結果如圖7所示。

圖7　標定測量誤差擬合曲線

通過對試驗數據分析可知試驗中測定數據精度平均為2個密位，也就是優于7.3′，與理論計算得到的圖像判讀誤差7′基本一致，標尺在視場邊緣也就是與照明燈呈較大角度的位置精度下降，與兩標志點間的距離減小有關，從曲線中可以看出測量精度呈波浪形，經實踐測算為標尺自身角度指示精度誤差所致（標尺加工精度影響），對標定角度復合后B、D、H點指示精度較高，所以綜上分析，通過高精度標校，測試系統精度可以達到優于0.5個密位。

4　結論

基于投影成像原理的彈丸著靶姿態高精度測試方法研究，提出了控制照明系統與高性能數字照相機進行彈丸著靶姿態的高精度測試方法，突破了高質量成像、圖像標定、數據修正計算等難題，使照相法在彈丸姿態測試中得到有效應用，解決了傳統方法缺少測試手段、無法錄取有效數據等問題。測試中通過射擊試驗與系統精度試驗，證明了方法的有效性與可實施性。此方法可以應用于多種輕武器殺傷元的研制和鑒定中，為多項國家重點項目提供數據支撐，提高國家靶場的測試能力。

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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

國家自然基金資助項目（91338116）

陶宗慧（1986-），碩士，實驗員，E-mail：taoz01@163.com

劉唯奇（1986-），工程師，E-mail：lwq31jd@163.com