趙奇峰,李 進,李運良,張向榮,朱玉榮,譚書舜

(西北核技術(shù)研究所, 西安 710024)

0 引言

眾所周知，輕氣炮是依靠壓縮氣體膨脹作功發(fā)射彈丸的身管射擊設(shè)備。它是研究沖擊壓縮下材料和結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性、狀態(tài)方程以及物理特性和化學特性常用的一種沖擊加載設(shè)備。輕氣炮分為一級輕氣炮和多級輕氣炮，二級輕氣炮作為多級輕氣炮的一種, 可獲得2～7 km/s的彈速[1-2]。輕氣炮對彈丸形狀、材料、質(zhì)量和尺寸有較寬的適用范圍, 而且在相同發(fā)射參數(shù)前提下，發(fā)射速度具有良好的可重復性，在輕氣炮實驗中，彈丸的速度是確定材料特性、沖擊效果等的重要參數(shù)，因此精確測量彈速十分重要。因為實驗加載速度高，彈丸尺寸和質(zhì)量小，因此彈速測量既是重點也是難點。輕氣炮彈速測量的方式隨著輕氣炮發(fā)射技術(shù)的發(fā)展而不斷更新，測速方式主要包括磁測速、激光測速和電刷探針測速等。文獻[1]中介紹了磁感性測速方式的測量原理和測速方式。文獻[2]介紹了用于三級輕氣炮的彈速測量方法，針對彈前激波的發(fā)光的影響增加了彈道消波裝置，以減少其對激光測速系統(tǒng)的干擾。目前實驗室重要利用激光測速和磁測速兩種手段測量輕氣炮彈速，由于兩種手段在測量中存在的問題，無法保證每發(fā)試驗都可以獲得精準彈速。

目前，隨著高速攝影技術(shù)的迅速發(fā)展，高速攝影機作為一種用于工程與技術(shù)科學基礎(chǔ)學科的分析儀器，已經(jīng)被廣泛應用于各類工程試驗中。文獻[3]介紹了利用高速攝影機計算火炮彈丸脫靶量得方法。文獻[4]介紹了高速攝影技術(shù)在觀測水中射流運動、著靶和侵徹靶板等多方面中的應用。文獻[5]采用高速攝影法對彈丸出炮口的時間參數(shù)測試方法進行研究。目前，高速攝影機已在輕氣炮試驗領(lǐng)域中得到廣泛應用，它是針對高速和超高速飛行彈丸的彈道性能、空間飛行姿態(tài)、速度等參數(shù)的一種重要的非接觸測量手段，本文提出了一種基于圖像處理測量高速彈丸速度的方法，該方法穩(wěn)定性強，精度高，可以彌補實驗室現(xiàn)有激光測速和磁測速的不足，在現(xiàn)有手段失效的情況下可以精確的獲得彈速，為提高工作效率，節(jié)約試驗成本提供技術(shù)保障。

1 輕氣炮彈丸測速常用方法基本原理及特點分析

二級輕氣炮結(jié)構(gòu)主要包括氣室、泵管和發(fā)射管等[6]。其工作原理是：泵管抽真空后注入一定輕質(zhì)氣體，高壓氣室內(nèi)氣體膨脹，推動活塞向前運動絕熱壓縮泵管內(nèi)的輕質(zhì)氣體，氣壓超過膜片承受能力，膜片破裂，氣體推動彈丸向前運動，彈丸以較高的速度飛出炮口，進入靶箱撞擊目標。如圖1所示。目前，對于輕氣炮彈丸的速度確定一般采用磁測速和激光測速兩種方法。

圖1 二級輕氣炮原理圖

1.1 磁測速

由法拉第電磁感應定律知，當閉合導體回路中磁通量發(fā)生變化時，回路中會產(chǎn)生阻止其磁通量變化的感應電動勢，該感應電動勢的大小正比于磁通量對時間的變化率，即：

(1)

式中,E為感應電動勢，Ф為磁通量，t為時間。

基于這一基本原理，彈丸磁測速技術(shù)一般有兩種思路。一種是采用磁飛行體法，顧名思義，將磁體攜帶在彈丸中，在其飛行路徑上布置多路感應線圈，當彈丸依次穿過各線圈時分別產(chǎn)生電磁感應信號，測量各信號之間的時差和各線圈之間的距離，即可求得彈丸飛行速度，如圖2所示。

圖2 磁測速原理圖

雖然磁飛行體法原理簡單，但該方法測彈速也有許多缺點，彈丸攜帶感應磁體，增加了彈丸架構(gòu)的復雜性，整體強度發(fā)生了很大變化，同時重量增加導致難以提高彈丸發(fā)射速度。攜帶磁體的彈丸使碰撞實驗中的沖擊波系復雜化，給后續(xù)實驗數(shù)據(jù)的分析帶來困難。同時，飛行磁體的磁滯后效應成為了時間判讀誤差的主要來源。

因此，在二級輕氣炮中通常使用結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟性好的磁感應測速法作為測量彈丸速度的主要方法。為得到感應磁場，該方法要求彈丸材料必須是導體材料,并且當彈丸體積必須足夠大, 感生電流的磁場變化才能引起原磁場的明顯變化, 才能得到測速結(jié)果 。在大口徑二級輕氣炮上，大口徑的磁環(huán)在高壓氣體作用下很容易破裂，消耗很大。

1.2 激光測速

激光光束遮斷法測速原理：彈丸飛行過程中，將排列在彈道上的兩束或三束平行激光依次遮斷，激光光源對應的接收光敏管因光照信號變化產(chǎn)生電信號，從而測量出彈丸遮光的時間間隔，再根據(jù)精確測量的激光間距,可求出彈丸的出口速度，原理圖如圖3所示。該方法的測速公式為：

圖3 激光測速原理圖

v=s/t

(2)

式中,s為兩探頭間距；t為兩探頭信號的時間差。

激光光束遮斷法是目前應用十分廣泛的激光測速技術(shù)， 其中點狀光束遮斷法普遍應用于多級輕氣炮的彈丸速度測量中[7]。但是，在二級氣炮的應用時會遇到了一些問題嚴重的影響了測速的穩(wěn)定性。 泄漏到彈丸前端的氫氣產(chǎn)生的激波或炮管中的煙塵會嚴重干擾光電管的信號，氣炮發(fā)射時的整個炮身震動也會使光路產(chǎn)生偏離，彈丸尺寸越小，問題越突出。在輕氣炮發(fā)射試驗中，不能保證利用該測速方式獲得彈丸的精準速度。

2 圖像測速方法系統(tǒng)構(gòu)建及試驗設(shè)置

2.1 系統(tǒng)構(gòu)建

圖像測速方法系統(tǒng)主要包括高速攝影機(Phantom V2512)、鏡頭、光源及向應的三腳架、云臺、線纜等組成。輔助設(shè)備包括刻度尺、刻度尺夾具、光源、觸發(fā)源等。試驗中的圖像數(shù)據(jù)由采集卡進行轉(zhuǎn)換并傳輸給攝影機控制計算機，控制計算機實時顯示采集圖像畫面，并可以存儲記錄數(shù)據(jù)方便后續(xù)進行處理。

相機的主要技術(shù)性能指標如下：

最高拍攝速率：200 000幀/秒；

最小曝光時間：1 μs；

滿畫幅尺寸：1 280×800像素；

圖像深度：12位；

觸發(fā)方式：觸發(fā)點可控(前/后觸發(fā)記錄)；IBAT；軟件觸發(fā)；OCC觸發(fā)；硬件觸發(fā)(BNC)；Burst模式。

2.2 試驗流程設(shè)置

利用圖像測速方法進行彈速測量，在試驗前的試驗流程設(shè)置是后期彈速計算非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。試驗設(shè)置決定了能否高質(zhì)量的拍攝到運動目標，對后期利用圖像處理算法計算彈速的精確性影響很大。試驗布置示意圖如圖4所示。輕氣炮發(fā)射試驗準備過程中，首先在靶箱位置布設(shè)一臺高速攝像機，視場正對輕氣炮靶箱視窗，再根據(jù)試驗需求，對關(guān)鍵參數(shù)進行設(shè)置。

圖4 試驗設(shè)置示意圖

鏡頭焦距是指高速攝影機鏡頭的光學中學到成像平面的距離[8]。試驗前，根據(jù)試驗現(xiàn)場情況對鏡頭焦距進行設(shè)置，焦距越小，圖像畫幅分辨率越低，從而導致有效圖像尺寸精度越低; 焦距越大，則所攝有效區(qū)域面積越小，最終導致不能拍攝彈丸的全部運動軌跡。在試驗中調(diào)節(jié)鏡頭對焦的方法：利用設(shè)計好的標尺夾具將標尺放置在彈道線，手動調(diào)節(jié)焦距觀察刻度尺上的刻度直至清晰為止，同時拍攝照片保存為后期基準，如圖5所示。

圖5 試驗基準拍攝

高速攝影機的拍攝速率是重要的性能指標之一。試驗中采用Phantom V2512的高速攝影相機的拍攝速率可達20萬幀。拍攝速率高，圖像像素低。拍攝速率太低則無法拍到彈丸運動過程。通過預估彈速和視圖中可視距離測量可以選擇合適的拍攝速率，以確保能夠記錄2幀以上的彈丸在彈道運動的過程。式(3)為幀數(shù)計算公式[9]：

(3)

式中,N為彈道區(qū)間內(nèi)有效幀數(shù)，f為幀頻，L為視圖中可視距離，vp為彈丸的速度。

在對超高速運動彈丸拍攝時，曝光時間設(shè)置是一項非常重要的參數(shù)，曝光時間長，彈丸會形成嚴重拖尾；曝光時間短，圖像亮度低，需要配合光源使用。對相機光圈進行設(shè)置，此時應考慮超高速發(fā)射過程中形成的彈前激波造成的自發(fā)光現(xiàn)象，應將光圈調(diào)小，以免發(fā)生圖像過飽和現(xiàn)象[10]。

調(diào)整好以上參數(shù)后，調(diào)整相機的其它參數(shù)和觸發(fā)形式。其它參數(shù)的設(shè)置主要包括、曝光時間、ROI及延時控制[11-13]。此時高速攝影機設(shè)置完成，應保持其所有參數(shù)不變至試驗結(jié)束。根據(jù)試驗需求在靶箱內(nèi)放置靶目標，至此可以關(guān)閉靶箱蓋，試驗準備結(jié)束。

2.3 觸發(fā)設(shè)置

高速攝影機拍攝過程中，通常因曝光時間小，導致圖像亮度不足，導致目標和背景難以分辨。因此試驗中會選擇點亮光源為拍攝補光。利用高速攝影機記錄光源點亮的全過程 ，并記錄光源亮度足夠的時間。在試驗時選擇利用激光遮斷信號同時觸發(fā)相機及光源，因為光源應考慮彈丸軌跡拍攝的時間在光源光線較好的時間內(nèi)，則利用公式(4)設(shè)置延時△t：

Δt=Δt1-Δt2-Δt3

(4)

式中,彈丸從光源觸發(fā)點到運動至視場的時間差△t1(根據(jù)預估彈速計算得到)，觸發(fā)信號傳輸?shù)窖訒r器時間差△t2(測量得到)，光源從觸發(fā)時刻到亮度較好時間差△t3(測量得到)。

3 算法實現(xiàn)與結(jié)果分析

3.1 算法原理

基于模板匹配算法的意思即判斷在一幅圖像中是否存在特定已知的圖像。模板匹配算法通常有以下幾個步驟：1)對原圖(待搜索圖)選擇確認;2 )選擇模板，以一幅與原圖中某一圖案有著相同尺寸和方向的小圖像為模板;3)計算，通過一定的算法在圖中找出目標, 確定其坐標位置。這種算法和一般圖像處理方法一樣，通常將原圖像和模板圖像轉(zhuǎn)換為二維矩陣，將模板圖在原圖像上依照一定的的方式依次滑動覆蓋，每一次滑動覆蓋都會將模板圖與被覆蓋的區(qū)域進行相關(guān)計算，每次計算都會得到一個不同的匹配結(jié)果。不同的模板匹配算法有不同的函數(shù)評價標準，根據(jù)匹配結(jié)果值來判斷是否找到最為相似的區(qū)域，即匹配是否成功[14-18]。

本文中利用高速攝影圖像的信息對彈丸目標進行表征，通過這些特征對目標對象或目標所在局部區(qū)域建立數(shù)學模型， 繼而由匹配跟蹤的方法來實現(xiàn)對目標的識別。該方法過程簡單，不需要提取圖像特征而直接匹配。由于彈丸在出炮管運動過程中旋轉(zhuǎn)、尺度變化等變化較小，因此可以得到很好的效果。試驗原理如圖3所示，設(shè)f(x,y)是原圖(待搜索圖)，w(x,y)是大小為m×n的彈丸模板圖。模板匹配的目的是在原f(x,y)中找到與模板圖w最為相似的區(qū)域，在圖6中的深色的區(qū)域表明找到了匹配值最大的待匹配的目標。

圖6 模板匹配原理圖

其中，模板與待搜索圖的相關(guān)可表示為式(5)[19]：

(5)

互相關(guān)度用來度量目標模板與待搜索圖子區(qū)域的相同性，可表示為公式(6)：

(6)

r(x,y)越大，意味著目標模板與待搜索圖子區(qū)域越接近，r(x,y)越小則差異越大。

在試驗室57/10二級輕氣炮上開展兩次發(fā)射試驗，彈丸形狀為長桿彈丸，質(zhì)量1.67 g，采用激光系統(tǒng)和高速攝影機系統(tǒng)同時進行彈速測量。試驗流程嚴格按照圖像測速進行設(shè)置。高速攝影機的幀頻選擇80 000幀/秒，即兩幅圖片時間間隔為12.5 μs；曝光時間為1 μs，圖像尺寸為512×384像素。試驗均拍攝到4幀以上彈丸在彈道上運動的清晰圖像。選取兩幅清晰的高速攝影圖片為基礎(chǔ)進行算法實現(xiàn)，選取的高速攝影圖片如圖7所示。

圖7 高速攝影圖片

算法實現(xiàn)分為兩個步驟，模板匹配以及速度計算。首先加載高速攝影圖像作為帶搜索圖，將帶搜索圖二值化處理，使圖像數(shù)據(jù)量大為減小，同時更清晰凸顯出目標的輪廓。以其為基礎(chǔ)提取彈丸目標作為模板，在待搜索高速攝影圖像中選取彈丸目標作為模板的好處是考慮高速發(fā)射的環(huán)境因素的對目標的影響，更有利于后續(xù)模板匹配。將待搜索圖和彈丸模板進行相關(guān)匹配，以相關(guān)系數(shù)最大的為最終匹配目標，圖8，圖9為兩次試驗的匹配結(jié)果。通過模板得到目標所在兩幅圖的坐標位置x1和x2。根據(jù)試驗前期設(shè)立基準得到單位長度與像素之間的比例尺a，m/pix,從而從圖像中目標的位置映射至彈丸在彈道的實際位置。利用公式(7)得到彈丸速度：

圖8 試驗1算法實現(xiàn)

圖9 試驗2算法實現(xiàn)

v=(x2-x1)a/Δt

(7)

3.2 結(jié)果分析

利用本文算法，經(jīng)過兩次試驗得到的圖像測速結(jié)果與激光測速得到的結(jié)果相比對，見表1，相對誤差均小于0.05 km/s，吻合良好，證明了該算法的準確性和可靠性。

表1 試驗結(jié)果對比

4 結(jié)束語

本文從系統(tǒng)組成、試驗設(shè)置、算法實現(xiàn)等多個方面分析討論了高速攝影技術(shù)在二級輕氣炮彈丸測速中的使用，詳細闡述了試驗前流程設(shè)置及注意事項，參試人員須通過預估彈速和實測距離得到高速攝影機幀頻，同時通過基準拍攝確定焦距等其他參數(shù)。對于光源設(shè)置應保證彈丸在彈道運動過程在光源亮度較好的時間段。試驗流程的設(shè)置決定了測試結(jié)果是否精確可靠，經(jīng)過實驗證明，利用高速攝影圖像及圖像匹配算法可以快速準確的得到高速彈丸運動速度，與激光測速系統(tǒng)測得結(jié)果相對比，吻合良好，進一步驗證了高速攝影測速的可行性。同時高速攝影測速在超高速發(fā)射時能夠彌補激光測速受激波影響測速結(jié)果干擾較大的不足，也能夠滿足測量非金屬彈丸速度的要求。對于間接測量速度方式，主要誤差源自位置的不確定和時間的不確定[20]，對于高速攝影來說，對相機拍攝位置進行精細控制調(diào)節(jié)，標尺的設(shè)立都可以盡可能減小位置不確定度。由于高速攝影曝光時間的限制，速度越快導致高速攝影圖片中彈丸拖尾現(xiàn)象越嚴重，給目標匹配帶來一定困難，這也影響測量因素的主要原因之一。下一步，可以重點解決高速攝影圖片質(zhì)量不高的彈丸定位問題。