，， ，曉龍，

(1.中國(guó)人民解放軍海軍航空裝備計(jì)量維修中心，上海 200436； 2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

武器射擊頻率通常是指一分鐘內(nèi)連續(xù)射擊的彈丸數(shù)目，是自動(dòng)武器動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試的重要項(xiàng)目之一，同時(shí)也是自動(dòng)武器性能檢測(cè)的重要指標(biāo)[1]，自動(dòng)武器的射擊精度與之密切相關(guān)，通過協(xié)調(diào)射擊頻率與武器固有頻率的關(guān)系可以減小槍口震動(dòng)，提高射擊精度[2]。

目前用于自動(dòng)武器射擊頻率測(cè)試的方法主要有檢測(cè)后座力法、聲電傳感器法、激光光幕法以及槍口火焰圖像識(shí)別法等。檢測(cè)后座力法需要將武器安裝到專用工作臺(tái)上，在其后座上安裝力傳感器，通過處理后座力曲線得出測(cè)量結(jié)果，該方法是一種接觸式測(cè)量方法，操作不便；聲電傳感器法利用壓電陶瓷片作為敏感器件，利用控制單元通過脈沖整形、展寬、程序存儲(chǔ)等完成對(duì)射擊的計(jì)數(shù)和計(jì)時(shí)[3]，該方法屬于非接觸式測(cè)量，但測(cè)試精度不高；激光光幕法利用光電檢測(cè)的原理對(duì)彈丸經(jīng)過光幕時(shí)的信號(hào)進(jìn)行捕捉，是一種非接觸式的測(cè)量方法，具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但無法對(duì)無彈頭射擊進(jìn)行測(cè)試；槍口火焰圖像識(shí)別法采用高速錄像方式對(duì)武器射擊時(shí)槍口火焰有規(guī)律的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過復(fù)雜的圖像特征提取將其轉(zhuǎn)換為射擊頻率，該方法在亮度較高的環(huán)境下測(cè)試容易引入背景噪聲，影響測(cè)試精度。以上測(cè)試方法各具特點(diǎn)，但又略帶不足。本文提出了一種基于高速攝影技術(shù)的武器射擊頻率測(cè)試方法，利用高速相機(jī)、半導(dǎo)體激光器、原向反射屏等搭建測(cè)試環(huán)境，通過對(duì)運(yùn)動(dòng)反射光斑的快速捕捉、光斑特征提取來獲取武器自動(dòng)機(jī)位移-時(shí)間信息，在準(zhǔn)確獲取射擊頻率的同時(shí)還可以進(jìn)一步定性分析武器性能的好壞。

1 測(cè)試原理

測(cè)試系統(tǒng)由待測(cè)目標(biāo)、高速相機(jī)、采集卡、原向發(fā)射屏、一字線形半導(dǎo)體激光器以及相應(yīng)處理軟件組成，其測(cè)試原理示意圖如圖1所示。半導(dǎo)體激光器安裝在高速相機(jī)鏡頭的正下方，出射激光通過相機(jī)鏡頭前方的窄條反射鏡面水平投射到武器自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)平面上，保證覆蓋原向反射屏整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程；自動(dòng)機(jī)上粘貼原向反射屏[4]，會(huì)隨著自動(dòng)機(jī)做同步往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用于將投射來的激光原向反射；原向反射屏反射光斑的整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程由高速相機(jī)實(shí)時(shí)捕捉，通過高速數(shù)據(jù)線纜傳送至計(jì)算機(jī)，最終利用matlab進(jìn)行圖像處理獲得位移-時(shí)間曲線，從而獲得射擊頻率。

圖1 測(cè)試原理圖

由于高速相機(jī)的采集頻率高達(dá)數(shù)千乃至上萬幅率，即每幀圖像的曝光時(shí)間達(dá)到微秒級(jí)別，實(shí)際采集到的高速圖像僅為一個(gè)個(gè)由原向反射屏反射回來的光斑，如圖2所示。粘貼在自動(dòng)機(jī)上的原向反射屏應(yīng)盡量細(xì)小，保證射擊過程中原向反射屏的整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程都不會(huì)脫離激光的照射范圍，同時(shí)便于光斑的特征信息提取。

圖2 武器自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)圖像序列

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件

2.1 待測(cè)對(duì)象

待測(cè)對(duì)象為模擬某型號(hào)五連發(fā)自動(dòng)步槍，其自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)行程小于500 mm，射擊頻率不超過500發(fā)/分鐘。

2.2 高速相機(jī)與采集卡

針對(duì)實(shí)際測(cè)試需要選擇由德國(guó)Mikrotron公司生產(chǎn)的MC1362高速相機(jī)，該高速相機(jī)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和汽車行業(yè)，具有低功耗、高速、高分辨率、等優(yōu)點(diǎn)，采用CMOS圖像傳感器，像素尺寸14 μm*14 μm，有效像元面積19.92 mm*14.34 mm，通過外觸發(fā)方式工作(TTL脈沖上升沿/下降沿可設(shè)置)，滿像素拍攝幅率為500 fps，幅率可隨所設(shè)置拍攝圖像的分辨率的減少而增大，最高可達(dá)120 kfps，曝光時(shí)間最短可設(shè)置為2 μs，充分保證武器自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)圖像采集過程中不出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象。實(shí)際測(cè)試過程中圖像分辨率設(shè)置為1 280*32，拍攝幅率5 kfps，采集深度5 500幀。

作為圖像采集與圖像處理單元的接口，圖像采集卡的主要功能是完成對(duì)高速相機(jī)的各種控制，包括高速相機(jī)的類型選擇、成像像素的起始位置設(shè)定、觸發(fā)方式的配置、觸發(fā)信號(hào)的類型選擇、觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間的設(shè)置以及圖像序列緩存空間大小的設(shè)置等工作。高速相機(jī)的像素深度為8bit，根據(jù)計(jì)算，在滿像素拍攝幅率工作模式下單幀圖像所需存儲(chǔ)空間大小為：

因此，采用500幀/秒的最高拍攝幅率工作時(shí)每秒鐘傳輸數(shù)據(jù)大小為1.25×500=625 MB，即最高拍攝幅率下所需傳輸數(shù)據(jù)帶寬為625 MB/s。為了保證采集的圖像信息準(zhǔn)確無丟失的傳輸給數(shù)據(jù)處理單元，選用Dalsa公司生產(chǎn)的型號(hào)為X64 Xcelera-CL PX4 Full的圖像采集卡，基于x4以上信道的PCIExpress總線接口，可配置BASE、Medium以及Full的Camera Link高速相機(jī)，并且支持多種類型的多通道面陣彩色或單色相機(jī)以及多通道線陣掃描的彩色或單色相機(jī)，數(shù)據(jù)帶寬能夠高達(dá)1 GB/s。

MC1362高速相機(jī)自帶與之配套的專用控制軟件，通過安裝該控制軟件后便可通過計(jì)算機(jī)方便的設(shè)置高速相機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，如高速相機(jī)的拍攝幅率、像素大小、曝光時(shí)間等，使其滿足實(shí)際測(cè)試需求。高速相機(jī)專用控制軟件安裝完成后還需要安裝Sapera LT軟件庫(kù)以及圖像采集卡X64 Xcelera-CL PX4 Full驅(qū)動(dòng)，Sapera LT軟件庫(kù)是一套用于圖像的采集、控制以及顯示的獨(dú)立于硬件以外的C/C++軟件庫(kù)，支持所有的DALSA Coreco硬件平臺(tái)。

2.3 相機(jī)鏡頭

高速相機(jī)以及圖像采集卡確定后還需選擇合適的相機(jī)鏡頭，鏡頭參數(shù)的選擇以及質(zhì)量的好壞關(guān)系到反射光斑的成像質(zhì)量，相機(jī)鏡頭的選擇可重點(diǎn)考慮如下幾個(gè)方面。

1)鏡頭接口：由于MC1362高速相機(jī)的接口類型是F口，相機(jī)鏡頭的接口選擇主要根據(jù)高速相機(jī)的接口類型確定，所以也應(yīng)選擇F接口的鏡頭；

2)鏡頭的像面尺寸：MC1362高速相機(jī)圖像傳感器的對(duì)角線長(zhǎng)度為22.9 mm，相機(jī)鏡頭的像面尺寸在選型時(shí)必須大于相機(jī)光敏面的尺寸，故可選擇規(guī)格為1英寸(23.4 mm)的鏡頭；

3)鏡頭的焦距和視場(chǎng)：可以根據(jù)實(shí)際測(cè)試環(huán)境中高速相機(jī)與待測(cè)目標(biāo)的實(shí)際距離以及待測(cè)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)行程(相機(jī)視場(chǎng)范圍)來選擇參數(shù)合適的鏡頭，為了保證相機(jī)鏡頭的視場(chǎng)完全覆蓋自動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程，即相機(jī)鏡頭的視角須符合要求。由于待測(cè)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)行程最高500 mm，測(cè)試垂直距離1.2 m，計(jì)算可得相機(jī)鏡頭視角應(yīng)大于24°。

選用騰龍的型號(hào)為AF28-105 mm的光學(xué)鏡頭進(jìn)行測(cè)試，尼康A(chǔ)F卡口，最大光圈F4-3.6，最小光圈F22，最近對(duì)焦范圍0.5 m，焦距范圍28～105 mm，濾鏡直徑62 mm，視角范圍24°～75°。

2.4 半導(dǎo)體激光器

光在光學(xué)系統(tǒng)中傳播時(shí)反射鏡面對(duì)光的透射、傳播介質(zhì)對(duì)光的吸收等都會(huì)造成能量的損失，為保證在高拍攝幅率條件下高速相機(jī)仍然可以采集到清晰的光斑圖像，光源的選取是一個(gè)關(guān)鍵因素，其參數(shù)選擇是否合理直接影響到系統(tǒng)測(cè)試的準(zhǔn)確度乃至測(cè)試的成敗，光源選取應(yīng)遵循如下原則：性能可靠、體積小、供電電壓低、易于集成、輸出功率穩(wěn)定等。

半導(dǎo)體激光器因體積小、供電功率小、轉(zhuǎn)換效率高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已在許多領(lǐng)域得到廣泛使用，這里選用發(fā)射功率15 mw、扇角60°、波長(zhǎng)650 nm的紅光一字線形半導(dǎo)體激光器。主要由半導(dǎo)體激光二極管、恒流驅(qū)動(dòng)電路、聚焦準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、柱面擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)、鮑威爾棱鏡、直流穩(wěn)壓電源、外套固件、ATC/APC(自動(dòng)溫度控制、自動(dòng)功率控制)等部分組成。

2.5 原向反射屏

測(cè)試過程中高速相機(jī)需要對(duì)運(yùn)動(dòng)自動(dòng)機(jī)反射回的光斑圖像進(jìn)行捕捉，要想獲取反射效果好并且清晰的光斑圖像，需要在自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)平面粘貼定向反射介質(zhì)，定向反射介質(zhì)的反射率越高越好。測(cè)試系統(tǒng)硬件選用玻璃微珠式原向反射屏進(jìn)行測(cè)試光源反射，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 玻璃微珠原向反射屏結(jié)構(gòu)示意圖

微珠玻璃的制作工藝常為將熔融狀態(tài)的玻璃噴成霧狀微小顆粒，在液態(tài)時(shí)表面張力的作用下，通過噴咀氣流速度的控制讓其自行凝結(jié)為圓形球體，并附著在樹脂層的壓敏膠膜上，空氣層的光學(xué)折射率n≈1，玻璃材料的光學(xué)折射率n’≈2，對(duì)光路起原向發(fā)射作用的便是玻璃微珠，平行光束照射到玻璃微珠球面體后將匯聚到球面體的后表面，經(jīng)球面體后表面的反射作用，出射光將按入射光束的平行方向返回，為了增大玻璃微珠的反射特性，可在球面體的后表面堵上一層發(fā)射率高的薄膜。

微珠玻璃作為一種物美價(jià)廉的定向反射介質(zhì)在光電測(cè)試領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。玻璃微珠原向反射屏小巧輕便，粘貼在待測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上即可以實(shí)現(xiàn)定向反射的功能，不會(huì)對(duì)測(cè)試目標(biāo)產(chǎn)生破壞，對(duì)被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也不會(huì)產(chǎn)生任何影響，是輔助自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)圖像采集的理想材料。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 高速相機(jī)的控制

高速相機(jī)以及圖像采集卡的驅(qū)動(dòng)和軟件庫(kù)安裝完成之后，通過CamExpert軟件來編輯實(shí)際測(cè)試過程中高速相機(jī)所需的配置文件，Camera Type設(shè)置高速相機(jī)類型為面陣，Color Type與Pixel Depth設(shè)置采集圖像的屬性為單色、8bit，像素編輯區(qū)用于配置水平方向以及垂直方向上的像素起始位置，也就是單幀圖像的成像位置以及以及存儲(chǔ)空間大小。

External Trigger用來設(shè)置高速相機(jī)外部觸發(fā)工作方式，觸發(fā)信號(hào)可以來自硬件觸發(fā)或者軟件觸發(fā)，軟件觸發(fā)方式可以通過單擊Trigger按鈕來實(shí)現(xiàn)，External Trigger Detection用來設(shè)置外部觸發(fā)信號(hào)的形式，有四種可供選擇：邏輯高、邏輯低、上升沿和下降沿；External Trigger Level用來設(shè)置觸發(fā)信號(hào)的類型，RS-422或者TTL；External Trigger Minimum Duration 用來設(shè)置外部觸發(fā)的響應(yīng)時(shí)間；External Trigger Sourse用來設(shè)置觸發(fā)信號(hào)的來源；Frame Count per External Trigger用來設(shè)置每次觸發(fā)到來時(shí)采集記錄的總幀數(shù)。

配置文件編輯完成后打開SeqGrabDemo.exe進(jìn)行圖像采集。通過外觸發(fā)的方式SeqGrabDemo.exe將采集的圖像序列存儲(chǔ)至指定路徑，可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)圖像數(shù)據(jù)的回放，每一幀運(yùn)動(dòng)圖像均被存儲(chǔ)在不同的緩沖區(qū)中，可通過對(duì)話框設(shè)置buffer從而改變所采集到的視頻文件的大小。

3.2 視頻-圖像格式轉(zhuǎn)換

高速相機(jī)采集到的光斑運(yùn)動(dòng)圖像以.avi的視頻格式進(jìn)行存儲(chǔ)，為了便于后期的光斑特征信息提取，首先需將其轉(zhuǎn)換為圖像序列格式。利用matlab設(shè)計(jì)存儲(chǔ)格式轉(zhuǎn)換的程序代碼如下，其中X：為待轉(zhuǎn)換視頻文件的存儲(chǔ)路徑，size函數(shù)用于讀取視頻文件的圖像幀數(shù)，str為待保存的圖像序列命名，保存圖像為.tif格式，imwrite函數(shù)用于將轉(zhuǎn)換好的圖像序列保存到Y(jié)：路徑下。

mov=aviread(‘X: ame.avi’);

fnum=size(mov,2);

s=1;

e=fnum;

for i=s:e

frames=frame2im(mov(i));

str=strcat(‘b’,int2str(i),‘.tif’);

imwrite(frames,strcat('Y:’,str),'tif')

end

圖4 存儲(chǔ)格式轉(zhuǎn)換的程序流程圖

3.3 光斑定位

為了獲取光斑運(yùn)動(dòng)位移-時(shí)間曲線，首先應(yīng)確定光斑在圖像中的具體位置。利用matlab中的imread函數(shù)讀取一幀圖像，截取光斑中心附近處灰度值分布數(shù)字矩陣如圖5所示，矩陣中每個(gè)數(shù)值代表一個(gè)像素，其取值都在0～255之間，灰度值越大則表示該像素所代表的反射光斑的能量越大?；叶戎荡蟮膮^(qū)域即為反射光斑的位置，灰度值小的區(qū)域即為光斑的背景，由于光斑區(qū)域與背景區(qū)域在灰度數(shù)值上的差異較大，使得光斑位置提取相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖5 圖像光斑處灰度數(shù)字矩陣

根據(jù)矩陣的數(shù)值特點(diǎn)選用灰度重心算法提取光斑在圖像中的具體位置，其基本原理是以灰度值作為權(quán)值，對(duì)矩陣進(jìn)行積分運(yùn)算獲取重心。首先應(yīng)根據(jù)測(cè)試特點(diǎn)設(shè)定灰度閾值，超過閾值則認(rèn)為是光斑，對(duì)光斑處所有像素位置與灰度值進(jìn)行積分運(yùn)算，進(jìn)而除以光斑處灰度值的和結(jié)果即為光斑重心，關(guān)系式如下所示。其中，I(i,j)代表光斑圖像第i行第j列像素的灰度值，i0和j0代表光斑重心位置，S代表屬于光斑的像素集合。

3.4 位移-時(shí)間曲線擬合

光斑準(zhǔn)確定位之后需要將圖像序列的光斑重心點(diǎn)位置與采集時(shí)間做擬合，實(shí)際測(cè)試的拍攝幅率是5 kfps，即圖像序列中相鄰光斑的時(shí)間間隔是200 μs。由于實(shí)際測(cè)試環(huán)境的惡劣和強(qiáng)烈的沖擊等因素會(huì)引入隨機(jī)干擾信號(hào)，這里用matlab中medfilt2函數(shù)進(jìn)行中值濾波，然后用smooth函數(shù)進(jìn)行9點(diǎn)運(yùn)動(dòng)平均平滑，最終利用plot函數(shù)繪制其運(yùn)動(dòng)的位移-時(shí)間曲線如圖6所示，橫坐標(biāo)為光斑重心運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，單位ms，縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)光斑重心所在像素的列數(shù)。

圖6 光斑重心運(yùn)動(dòng)的位移-時(shí)間曲線

4 測(cè)試結(jié)果與分析

根據(jù)測(cè)得位移-時(shí)間曲線可知，光斑重心隨武器自動(dòng)機(jī)做五個(gè)周期的同步性運(yùn)動(dòng)，像素縱向列數(shù)最大值對(duì)應(yīng)射擊的起始時(shí)刻，像素縱向列數(shù)的最小值對(duì)應(yīng)武器自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的最大位移時(shí)刻，利用data cursor標(biāo)注曲線中第一發(fā)和第五發(fā)射擊時(shí)光斑運(yùn)動(dòng)的最大位移點(diǎn)，如圖6所示，兩點(diǎn)的橫坐標(biāo)分別為0.246 2和0.846，即第一發(fā)和第五發(fā)射擊的時(shí)間間隔為0.599 8 s，由此可計(jì)算武器射擊頻率為400發(fā)/分鐘，與設(shè)置標(biāo)稱頻率相符。

后期如果對(duì)位移-時(shí)間曲線做進(jìn)一步微分運(yùn)算，還可得出光斑運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間曲線，從而定性分析武器射擊的能量是否均勻、震動(dòng)規(guī)律是否合理以及自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)有無故障等武器性能的好壞。

5 結(jié)論

本文提出了利用高速攝影技術(shù)測(cè)試自動(dòng)武器射擊頻率的方法。該方法利用武器射擊過程中自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)頻率與其射擊頻率一致的特點(diǎn)，利用一字線形半導(dǎo)體激光器作為測(cè)試光源通過鏡頭正前方的窄條反射鏡面投射到自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)平面上，利用高速相機(jī)對(duì)原向反射屏反射回來的光斑運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行捕捉，通過matlab處理獲得其運(yùn)動(dòng)的位移-時(shí)間曲線，依此計(jì)算射擊頻率。通過對(duì)自動(dòng)槍械模擬器五連發(fā)實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了測(cè)試方法的可行性。