焦志剛，杜 寧，范龍剛，黃維平

（1.沈陽理工大學，沈陽 110159；2.齊齊哈爾建華機械有限公司試驗場，黑龍江 齊齊哈爾 161006；3.遼沈工業(yè)集團有限公司，沈陽 110116）

彈丸脫靶量及速度測量的高速攝影試驗

焦志剛1，杜 寧1，范龍剛2，黃維平3

（1.沈陽理工大學，沈陽 110159；2.齊齊哈爾建華機械有限公司試驗場，黑龍江 齊齊哈爾 161006；3.遼沈工業(yè)集團有限公司，沈陽 110116）

為驗證某型號無線電引信對空中目標的近炸性能，設計了兩臺高速攝像機脫靶量觀測方案，在靶機上設置三維標尺，運用PCC軟件進行后處理，可快速測量出脫靶量。同時用高速攝像機中的兩點法測速得到的結果與多普勒雷達測速結果吻合較好。結果證明此種方法簡單，測試精度高，可為類似試驗提供一定的參考依據(jù)。

無線電引信，高速攝像機，脫靶量，快速測量

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，近炸引信具有使用靈活、作用可靠、可提高對目標的命中概率等優(yōu)點，對空使用近炸引信具有更大作用［1-2］。因此，考核對空中目標作用近炸引信的性能，需測量引信作用時與目標之間的距離—脫靶量。測量時將靶機吊在距離地面一定高度的空中，射擊點距離靶機的水平距離約3 000 m，由于彈丸運動速度快，且具有一定隨機散布，準確測量彈靶距離和相對位置難度較大。采用傳統(tǒng)的網(wǎng)靶等方法不但費用高而且不能實現(xiàn)準確觀測。

高速攝影機具有測量精度高、直觀、可靠、便于攜帶等優(yōu)點［3］，已被廣泛應用于各類兵器測試中，如炮彈、火箭等物體的運動速度和運動姿態(tài)的測量［3-7］。并且利用跟蹤標記點法可以進一步測量彈丸的速度等參量。

1 試驗方案及測試方法

1.1 試驗方案

考慮到靶機距離地面有一定的高度，為減小誤差，更準確地測量脫靶量，火炮、高速攝像機、靶機之間的位置關系至關重要。綜合考慮打擊目標的實際情況，將靶機頭部指向炮口方向，高速攝像機在彈道線的正下方與靶機對地投影有一定距離，可計算出高速攝影機相對靶機頭部仰角度數(shù)。三者之間的位置關系在射擊平面內的投影（D、N重合）如圖1所示，其中D為火炮，N為高速攝像機，F(xiàn)為吊車，H為吊車臂，CE為彈丸距靶機側面的距離。

在靶機一側安裝空間三維標尺，在標尺上設置顏色標志作為測量刻度，采用紅藍相間，每種顏色代表1 m。利用大型吊車將靶機吊于預定高度，測量距炮位的距離，并在靶機四角用繩索張緊，以使靶在空中定位穩(wěn)定，保持合適的姿態(tài)。如圖2所示。

高速攝影機設在彈道下方距離靶機一定水平距離的掩體里，用云臺調節(jié)高速攝像機的高低與方向。將筆記本電腦與高速攝像機相連進行參數(shù)設置，根據(jù)距離選用適當?shù)倪h攝變焦鏡頭，用觸發(fā)開關對攝影機進行觸發(fā)控制。由于野外無法使用市電，實驗采用自備發(fā)電機供電。連接完成后，打開計算機軟件，調整云臺角度使得靶機在取景中心位置，根據(jù)當時的天氣條件以及綜合情況調節(jié)各個參數(shù)，使在圖像中可以清晰看到固定在靶機上的標尺。拍攝參數(shù)：F=2.8；f=20 000 fps；分辨率：1 280×720；曝光時間：10 μs可拍攝時間為3.78 s。觸發(fā)方式為前觸發(fā)即觸發(fā)后會記錄3.78 s的視頻，因此，準確把握觸發(fā)點至關重要，通過與炮位之間的有效通訊進行觸發(fā)控制。實驗中采用對講機進行通訊，操作人員要綜合考慮炮位距靶機距離、彈丸飛行時間等因素，測試過程要求現(xiàn)場指揮高度協(xié)調。高速攝像機安裝現(xiàn)場如圖3所示。

1.2 測試原理及方法

試驗采用某型號滑膛炮，彈丸為后張式尾翼。炮位、高速攝像機、靶機采用GPS定點。靶機側面安裝三維空間實木標尺。標尺的材料屬性采用實木而非金屬可以避免金屬標尺對無線電引信的干擾。

炮位調整密位等相關參數(shù)，運用對講機保持相關人員之間的通訊。第一發(fā)炮彈為目標彈，高速攝影為炮位提供相關修正數(shù)據(jù)，調整后，開始正式彈的射擊試驗，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。當引信作用時，會產(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，以便對結果的后處理。

1.3 PCC軟件介紹

PCC軟件是對所采集的圖像和數(shù)據(jù)進行分析和處理，可以對被拍攝物體的標記點自動跟蹤、快速測量等。PCC軟件對于本文的射擊試驗，進行飛行姿態(tài)記錄、數(shù)據(jù)處理，得出彈丸的脫靶量及速度。

2 試驗結果

2.1 觀測結果及后處理

首先設定比例尺，點擊Calibrate，在待測量的圖片上點擊參照水平標尺的起始點，如圖5所示。在待測的圖片上點擊參照標尺的第2點，如圖6所示。在彈出的對話框中輸入?yún)⒄諛顺叩膶嶋H尺寸，系統(tǒng)將自動算出當前視頻單位像素代表的實際尺寸，如圖7所示。然后激活快速測量中的Active，選擇2點法的測量方式。最后在同一張照片中，選擇引信作用時的位置點及靶機側面一點，將在result中顯示出測量結果，如圖8所示。

運用軟件中的自動跟蹤標記法，以彈丸為設定的標記點，自動跟蹤彈丸軌跡，軌跡越長，所測得的彈丸速度越準確。

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

2.2 結果對比分析

2.2.1 理論分析

為驗證高速攝像機測量距離的準確性，設計了兩臺高速攝像機的測量方案，火炮、高速攝像機、靶機位置關系如圖10所示。其中M和N為高速攝像機，C為彈丸位置，E為靶機，A為靶機側面一點且A點位置距彈丸最近，AC即為所求的彈丸距靶機的距離。由M和N兩臺高速攝像機通過空間三維標尺可以分別測量出AP、CG之間的距離。

連接點M、C并延長MC與DA的延長線相交于P點，過C點做CG垂直于AP垂足為G，連接AC。由M和N兩臺高速攝像機通過空間三維標尺可以分別測量出AP、CG之間的距離。

運用兩臺高速攝像機可以實現(xiàn)彈丸位置的準確定位，測試原理圖如下頁圖11所示。

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

試驗場根據(jù)彈丸的速度根據(jù)彈道射表，以及多普勒測速雷達技術測得彈丸速度，多普勒雷達測速場地布置如下頁圖12所示。

2.2.2 結果對比

試驗采用某型號火炮發(fā)射10發(fā)某型號彈丸選取其中3發(fā)進行比較，其中多普勒雷達、高速攝像機測速測量彈丸到達靶機時速度、距離的試驗結果如表1所示。

表1 實驗結果對比

運用高速攝像機中的兩點法測速得到的結果與多普勒雷達測速結果吻合較好，相對測速差值小于7 m/s。第1發(fā)彈丸在靶機側下方，第2、第3發(fā)彈丸在靶機側方。根據(jù)彈丸的散布規(guī)律以及炮手的熟練程度，多數(shù)彈丸分布在靶機側方，因此，在類似試驗中采用2臺高速攝像機即可滿足需求。

3 結論

經(jīng)過試驗證明某型號無線電引信對靶近炸性能試驗的可行性，運用高速攝影機可以測量高速飛行體的位移以及與參照物之間的距離。采用兩臺高速攝像機觀測脫靶量時，根據(jù)照片中的標尺校準比例尺，可快速測量出脫靶量，得出高速攝影機測量距離的準確性。利用兩點發(fā)法可測量彈丸飛行速度，與多普勒雷達測速發(fā)對比，進一步驗證高速攝影技術測速的可行性。根據(jù)炮手的經(jīng)驗以及彈丸散布規(guī)律，彈丸軌跡在靶機側方，用兩臺高速攝像機可以直接測量出彈丸距靶機距離?？梢詾樵囼灲档统杀?，為類似試驗提供一定的參考依據(jù)。

［1］崔占忠，宋世和，徐立新.近炸引信原理［M］.北京：北京理工大學出版社，2005.

［2］YAO F H，SHAO G F，SEKMEN A，et al.Real-time multiple moving targets detection from airborne IR imagery by dynamic gabor filter and dynamic gaussian detector ［J］.EURASIP Journal on Image and Video Processing，2010，12（3）：1-22.

［3］張建生，呂青，孫傳東，等.高速攝影技術對水中氣泡運動規(guī)律的研究［J］.光子學報，2000，29（10）：952-955.

［4］暢里華.電炮加載下靶板的高速攝影技術研究［J］.應用光學，2008，29（1）：27-30.

［5］唐孝容，高寧，郝建中，等.高速攝影技術在常規(guī)戰(zhàn)斗部實驗中的應用［J］.彈箭與制導學報，2010，31（3）：105-106.

［6］汪斌，張光升，高寧，等.高速攝影技術在水下爆炸氣泡脈動研究中的應用［J］.含能材料，2010，28（1）：102-106.

［7］余家祥，蕭德云，姜魯東.基于多幀圖像同名點的無人機對地定位新方法［J］.兵工學報，2008，30（3）：300-304.

［8］呂超.基于數(shù)據(jù)融合技術的空靶脫靶量測量［J］.兵器裝備工程學報，2016，37（5）：46-48.

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，遼寧沈陽人，教授。研究方向：彈箭仿真技術、彈藥工程。