弹丸脱靶量及速度测量的高速摄影试验

焦志刚，杜 宁，范龙刚，黄维平

（1.沈阳理工大学，沈阳 110159；2.齐齐哈尔建华机械有限公司试验场，黑龙江 齐齐哈尔 161006；3.辽沈工业集团有限公司，沈阳 110116）

弹丸脱靶量及速度测量的高速摄影试验

焦志刚1，杜 宁1，范龙刚2，黄维平3

（1.沈阳理工大学，沈阳 110159；2.齐齐哈尔建华机械有限公司试验场，黑龙江 齐齐哈尔 161006；3.辽沈工业集团有限公司，沈阳 110116）

为验证某型号无线电引信对空中目标的近炸性能，设计了两台高速摄像机脱靶量观测方案，在靶机上设置三维标尺，运用PCC软件进行后处理，可快速测量出脱靶量。同时用高速摄像机中的两点法测速得到的结果与多普勒雷达测速结果吻合较好。结果证明此种方法简单，测试精度高，可为类似试验提供一定的参考依据。

无线电引信，高速摄像机，脱靶量，快速测量

0 引言

武器系统中战斗部或弹丸的毁伤效能直接与引信有关，近炸引信具有使用灵活、作用可靠、可提高对目标的命中概率等优点，对空使用近炸引信具有更大作用［1-2］。因此，考核对空中目标作用近炸引信的性能，需测量引信作用时与目标之间的距离—脱靶量。测量时将靶机吊在距离地面一定高度的空中，射击点距离靶机的水平距离约3 000 m，由于弹丸运动速度快，且具有一定随机散布，准确测量弹靶距离和相对位置难度较大。采用传统的网靶等方法不但费用高而且不能实现准确观测。

高速摄影机具有测量精度高、直观、可靠、便于携带等优点［3］，已被广泛应用于各类兵器测试中，如炮弹、火箭等物体的运动速度和运动姿态的测量［3-7］。并且利用跟踪标记点法可以进一步测量弹丸的速度等参量。

1 试验方案及测试方法

1.1 试验方案

考虑到靶机距离地面有一定的高度，为减小误差，更准确地测量脱靶量，火炮、高速摄像机、靶机之间的位置关系至关重要。综合考虑打击目标的实际情况，将靶机头部指向炮口方向，高速摄像机在弹道线的正下方与靶机对地投影有一定距离，可计算出高速摄影机相对靶机头部仰角度数。三者之间的位置关系在射击平面内的投影（D、N重合）如图1所示，其中D为火炮，N为高速摄像机，F为吊车，H为吊车臂，CE为弹丸距靶机侧面的距离。

在靶机一侧安装空间三维标尺，在标尺上设置颜色标志作为测量刻度，采用红蓝相间，每种颜色代表1 m。利用大型吊车将靶机吊于预定高度，测量距炮位的距离，并在靶机四角用绳索张紧，以使靶在空中定位稳定，保持合适的姿态。如图2所示。

高速摄影机设在弹道下方距离靶机一定水平距离的掩体里，用云台调节高速摄像机的高低与方向。将笔记本电脑与高速摄像机相连进行参数设置，根据距离选用适当的远摄变焦镜头，用触发开关对摄影机进行触发控制。由于野外无法使用市电，实验采用自备发电机供电。连接完成后，打开计算机软件，调整云台角度使得靶机在取景中心位置，根据当时的天气条件以及综合情况调节各个参数，使在图像中可以清晰看到固定在靶机上的标尺。拍摄参数：F=2.8；f=20 000 fps；分辨率：1 280×720；曝光时间：10 μs可拍摄时间为3.78 s。触发方式为前触发即触发后会记录3.78 s的视频，因此，准确把握触发点至关重要，通过与炮位之间的有效通讯进行触发控制。实验中采用对讲机进行通讯，操作人员要综合考虑炮位距靶机距离、弹丸飞行时间等因素，测试过程要求现场指挥高度协调。高速摄像机安装现场如图3所示。

1.2 测试原理及方法

试验采用某型号滑膛炮，弹丸为后张式尾翼。炮位、高速摄像机、靶机采用GPS定点。靶机侧面安装三维空间实木标尺。标尺的材料属性采用实木而非金属可以避免金属标尺对无线电引信的干扰。

炮位调整密位等相关参数，运用对讲机保持相关人员之间的通讯。第一发炮弹为目标弹，高速摄影为炮位提供相关修正数据，调整后，开始正式弹的射击试验，为砂弹加被试引信。为更加清晰观察引信作用，在引信中添加红色染色剂。当引信作用时，会产生红烟，如图4所示。

射击指令发出后，触发高速摄像机并拍摄弹丸的飞行过程，用PCC软件截取所需的拍摄图像信息并保存，以便对结果的后处理。

1.3 PCC软件介绍

PCC软件是对所采集的图像和数据进行分析和处理，可以对被拍摄物体的标记点自动跟踪、快速测量等。PCC软件对于本文的射击试验，进行飞行姿态记录、数据处理，得出弹丸的脱靶量及速度。

2 试验结果

2.1 观测结果及后处理

首先设定比例尺，点击Calibrate，在待测量的图片上点击参照水平标尺的起始点，如图5所示。在待测的图片上点击参照标尺的第2点，如图6所示。在弹出的对话框中输入参照标尺的实际尺寸，系统将自动算出当前视频单位像素代表的实际尺寸，如图7所示。然后激活快速测量中的Active，选择2点法的测量方式。最后在同一张照片中，选择引信作用时的位置点及靶机侧面一点，将在result中显示出测量结果，如图8所示。

运用软件中的自动跟踪标记法，以弹丸为设定的标记点，自动跟踪弹丸轨迹，轨迹越长，所测得的弹丸速度越准确。

以其中一发弹丸为例，运用软件中的2点法可以测量弹丸的速度，在Result中显示如图9所示。

2.2 结果对比分析

2.2.1 理论分析

为验证高速摄像机测量距离的准确性，设计了两台高速摄像机的测量方案，火炮、高速摄像机、靶机位置关系如图10所示。其中M和N为高速摄像机，C为弹丸位置，E为靶机，A为靶机侧面一点且A点位置距弹丸最近，AC即为所求的弹丸距靶机的距离。由M和N两台高速摄像机通过空间三维标尺可以分别测量出AP、CG之间的距离。

连接点M、C并延长MC与DA的延长线相交于P点，过C点做CG垂直于AP垂足为G，连接AC。由M和N两台高速摄像机通过空间三维标尺可以分别测量出AP、CG之间的距离。

运用两台高速摄像机可以实现弹丸位置的准确定位，测试原理图如下页图11所示。

照片中距离采用刻度尺量得；由于运用刻度尺测量时存在一些误差，也是造成理论值与测量值不同的原因。

试验场根据弹丸的速度根据弹道射表，以及多普勒测速雷达技术测得弹丸速度，多普勒雷达测速场地布置如下页图12所示。

2.2.2 结果对比

试验采用某型号火炮发射10发某型号弹丸选取其中3发进行比较，其中多普勒雷达、高速摄像机测速测量弹丸到达靶机时速度、距离的试验结果如表1所示。

表1 实验结果对比

运用高速摄像机中的两点法测速得到的结果与多普勒雷达测速结果吻合较好，相对测速差值小于7 m/s。第1发弹丸在靶机侧下方，第2、第3发弹丸在靶机侧方。根据弹丸的散布规律以及炮手的熟练程度，多数弹丸分布在靶机侧方，因此，在类似试验中采用2台高速摄像机即可满足需求。

3 结论

经过试验证明某型号无线电引信对靶近炸性能试验的可行性，运用高速摄影机可以测量高速飞行体的位移以及与参照物之间的距离。采用两台高速摄像机观测脱靶量时，根据照片中的标尺校准比例尺，可快速测量出脱靶量，得出高速摄影机测量距离的准确性。利用两点发法可测量弹丸飞行速度，与多普勒雷达测速发对比，进一步验证高速摄影技术测速的可行性。根据炮手的经验以及弹丸散布规律，弹丸轨迹在靶机侧方，用两台高速摄像机可以直接测量出弹丸距靶机距离。可以为试验降低成本，为类似试验提供一定的参考依据。

［1］崔占忠，宋世和，徐立新.近炸引信原理［M］.北京：北京理工大学出版社，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］张建生，吕青，孙传东，等.高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究［J］.光子学报，2000，29（10）：952-955.

［4］畅里华.电炮加载下靶板的高速摄影技术研究［J］.应用光学，2008，29（1）：27-30.

［5］唐孝容，高宁，郝建中，等.高速摄影技术在常规战斗部实验中的应用［J］.弹箭与制导学报，2010，31（3）：105-106.

［6］汪斌，张光升，高宁，等.高速摄影技术在水下爆炸气泡脉动研究中的应用［J］.含能材料，2010，28（1）：102-106.

［7］余家祥，萧德云，姜鲁东.基于多帧图像同名点的无人机对地定位新方法［J］.兵工学报，2008，30（3）：300-304.

［8］吕超.基于数据融合技术的空靶脱靶量测量［J］.兵器装备工程学报，2016，37（5）：46-48.

Experimental Investigation of Projectile Miss Distance and Velocity Measurement with High-speed Photography

JIAO Zhi-gang1，DU Ning1，FAN 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

焦志刚（1963- ），男，辽宁沈阳人，教授。研究方向：弹箭仿真技术、弹药工程。