光电弹着点坐标检测技术的发展现状

刘 吉，苏凝钢，武锦辉，张建宏，金 源，于丽霞

(1.中北大学 电子测试技术重点实验室， 太原 030051;2.中北大学 信息与通信工程学院， 太原 030051)

弹着点检测技术在武器研究、日常打靶训练中具有广泛的用途，而且弹着点精度测试是武器研制、校验、检测等过程中非常重要的一个环节，是研究武器射击精度、评价武器系统效能的关键设备[1-2]。在传统的弹着点检测中往往通过人工判读报靶，时效性低，准确度受到人为因素和靶纸分辨率的影响而难以保证，已经越来越无法满足当前武器系统测试和军事训练的高要求。随着传感器技术快速发展，比如声电传感器、光电传感器的发展，使得现在的弹着点检测方法向声、光、电等自动测试方向发展[3]，其中主要有线圈靶、声电定位靶[4]、光幕靶、CCD光电靶、光纤编码靶等一系列新型的测量系统。光电测试技术作为靶场测试技术的一部分，如天幕靶，光幕靶等光电测量技术，与其他武器测试技术相比，具有非接触、高精度、实时性、自动性高等特点，不受地形影响、安全性高，而且使得原来一些无法测量的参数现在变得可能，目前利用光电检测技术已经实现了弹道多个参数的同时测量[5]。光电检测技术在武器研究、测试方向的快速发展反过来也加速了武器制造的升级换代，使得武器的射频越来越高，比如澳大利亚的“金属风暴”，美国的“雷神”等新型高端武器，因此光电检测技术在兵器测试与试验技术方向的研究，对于提升我国国防工业的整体水平具有重大的意义。

目前光电弹着点坐标检测的方法主要由天幕立靶、组合光幕靶、CCD成像等组成，为了使得广大研究人员对各个测试方法更好的了解，本文回顾与展望了一些常用光电测试技术的主要研究现状和进展，并且分别介绍了这些方法的原理知识，分析了不同方法的优缺点，最后展望了未来光电弹着点检测技术的发展趋势。

1 弹着点坐标光电检测及发展历程

光电检测技术是利用电子技术对于光学信号进行检测，然后通过光电探测器器件将光学信号(光通量变化)变换为电信号，然后进一步经过硬件电路放大、信号处理以达到输出电信号的目的。光电检测的系统包括信号的处理器、受光器(光敏元件)、光源，在实际检测过程中光敏元件感应光源照在探测器上光通量的变化，然后经过光电转换将光通量转变为电信号的变化，最后经过一系列电信号处理实现对各种量的测量。这种测量方法具有高时效性、高精度、非接触测量等优点。在测量弹丸时，弹丸经过光幕会引起光幕中光信号的变化，然后经转换处理后会反映出弹丸的速度或者弹丸入射的坐标，因此随着武器技术的发展和军事上的迫切需求，武器发射弹丸的频率越来越高，通过光电检测技术测量弹丸着靶点的优点越来越凸显，对这种技术的研究受到国内外众多单位和公司的关注，且深受兵器试验行业试验人员的喜爱[6-9]。

武器弹丸的着靶点测量，从上个世纪到现在经历了由接触式测量到非接触式测量的转变，非接触式测量比起接触式测量方式，安全性得到了很大提升，并且精度高、实时性好，尤其是光电检测技术在弹丸着靶点方向的研究，目前光电检测测试武器精度方法主要有天目靶、组合光幕靶、CCD成像法等，这些新技术因其优越的性能引起了国内外相关单位和公司的关注。

国外对于光电检测测量弹着点坐标的主要有奥地利、德国、英国、美国等国家[10-12]，其中典型的是奥地利的HPI公司(一家专门从事靶场内外弹道试验参数测试仪器研制的机构)，其中B572-TS光幕靶(见图1)，每分钟可以测试2万发弹丸的着靶点坐标与速度，坐标精度低于5 mm，测试靶尺寸达到1 000 mm×1 000 mm，B214型多参数测试系统可同时完成速度、射频和射击密集度的测量；奥地利AVL公司的B570采用了多光幕测试法，靶区面积400 mm×400 mm，精度可达2 mm；德国DRELLO公司研制的TS 723光学靶(见图2)，坐标测量精度±5 mm；英国MSI公司研制生产的868型光学靶，也可以用于弹丸着靶坐标点的测量，而美国Oehler公司专门研究弹丸初速测试仪器；德国KURZZEIT公司也对光幕靶进行了研究，主要产品是红外测速光幕靶，Oehler和KURZZEIT两家公司主要是用于弹丸飞行速度的测量，用于弹丸着靶点坐标测量的产品较少。

国内对于光电检测技术测量武器性能的研究从1985年开始，主要研究高校有南京理工大学、中北大学、西北工业大学、装甲兵工程大学等军工院校。光电检测技术用于弹着点坐标测量的主要分为天幕靶[13-19]、光幕靶[20-27]、CCD成像法[28-33]等。

西安工业大学对于多光幕天幕立靶的研究尤为深入[14-15,17]，比如该学校研制的LB-1型天幕立靶测量系统、XGK-05型天幕立靶、XGK-06-4型四光幕天幕靶，以及在四光幕基础上再增加几个光幕，构成多光幕天幕立靶结构，比如六光幕等多光幕天幕立靶，解决了弹道斜入射，使四光幕天幕靶测量误差较大问题得以解决，主要产品有XGK -05型天幕立靶测量系统、XGK-06-4型四光幕精度靶、XGK-2006型六光幕精度靶等。

组合光幕靶通常采用激光或者红外光幕组合的方式，构建光控开关系统进行弹着点坐标测量，如南京理工大学于纪言等基于提取过靶时刻的方式，提出了线激光反射结构“Z”型的组合光幕靶，相对位置最大误差为1 mm；中北大学张建平等[23]提出了一种“N”型光幕的弹着点坐标测试方法，理想坐标测试精度可优于±2.5 mm；另外，还有将激光整形成三角扇形光幕，可组合成小面积三角光幕或者大三角光幕，如装甲兵工程学院的何凯平等[27]研究了大面积三角组合光幕，解决了超高射频弹幕武器立靶密集度测试的难题，具有光幕面积大、精度高、安装方便等特点。

CCD成像法主要由双CCD交汇立靶测量和单CCD原向反射式测量两种。中北大学曾光宇、王英等[29]对于CCD成像法提出了双线阵CCD交汇测量立靶方法，经测试，弹丸坐标测量精度十分理想；西安工业大学对于双CCD测量原理也有研究，如XGK-CCD-1000型室内CCD精度靶，薛淑磊、王泽民等[30]针对CCD交汇测量系统初始标定困难等问题，提出了一种基于测量模型的自动标定方法，测量精度可达到4mm，由于双CCD交汇立靶存在一些安装困难，有研究者提出了单CCD原向反射式测量方法，主要有中北大学霍晗、赵冬娥等[32]以及西安工业大学李瑶、马卫红等[33]，提出采用3个已知坐标点，然后利用实像和虚像的成像位置，计算出系统的各项外部参数得出弹丸着靶点坐标，提高了测试精度及效率。

以上分析了各个光电弹着点检测技术的研究现状，通过对每种方法的细致研究，我们会发现每种方法都会有优点和缺点。首先天幕立靶方法立靶操作简单、成本较低、靶面较大，但是太过于依赖于自然光，不适用于室内和光线较暗的环境中，另外天幕光幕厚度较大、厚度不均匀，会影响测试的精度；组合光幕立靶方法与天幕立靶方法相比，不用依赖于自然光，使用的是人造光源，因此在光线较暗的环境中可使用，虽然测试精度提高不少，但是在光学结构上要求较高、构造较复杂，不易于构造大靶面；CCD成像法精度也较高，但是依赖于CCD坐标标定的精确度和安装调试较难，下面我们分别从原理上分析各种测试方法。

2 弹着点坐标光电检测原理

2.1 天幕靶

天幕靶是以亮的天空为背景，不依赖于人造光源，通过光学成像透镜和置于透镜焦平面上的狭缝在空中形成几道扇形光幕，形成虚拟靶面[14-15]，原理图如图3，这样当高速飞行的弹丸进入该视场，会将进入狭缝光阑部分光纤遮挡住，再经过光电探测器将光通量变化转变为电信号变化。

研究人员一般根据这个原理并结合预先设计好的狭缝位置、组合方式等建立起数学模型，根据几何关系和光幕光通量变化引起电信号变化记录的时间来确定弹丸着靶点坐标以及速度。根据组合光幕方式的不同，天幕靶一般分为单镜头单狭缝、单镜头多狭缝、多镜头多狭缝等，经过组合之后形成的多光幕天幕立靶[16-19]可在一次射击过程中同时测量弹丸的各种参数，包括弹丸的弹序、速度、速度方向以及着靶坐标，并且该方法已经在靶场试验中得到了有效证实。

其中四光幕天幕立靶是由四个性能相同的天幕靶按照一定的几何关系构成测试系统，可同时有效测量飞行弹丸的速度和着靶位置[17]，一般在室外使用，适用于较大口径弹丸测量，但是有一定的局限性，前提条件是要求实际弹道能够垂直于测试靶面或者成较小的角度，否则误差很大。四光幕天幕靶如图4所示。

在四光幕基础上再有效增加两个光幕，组成如图5所示的双N型六光幕天幕阵列测试系统，这样可以解决斜入射带来的测量误差问题，连发射击时能够同时完成每发弹丸着靶位置、飞行速度和方向的测试。还有研究人员研究了双V型六光幕天幕阵列结构和双平行六光幕天幕阵列结构，两个都是将G1、G6光幕相互平行并与预设弹道方向垂直，G2、G3，G4、G5两两成V字型或者两两平行结构。这样通过基本天幕靶几何结构的不同组合构成了不同的测试系统。如图6所示。

天幕光幕立靶结构简单，易于调试安装，但是它依赖于自然光，不适用于室内或亮度不够的室外，另外天幕光幕厚度不够均匀，测量误差较大。

2.2 组合光幕靶

组合光幕靶通常采用激光、红外光或者LED等人工光源，形成多光幕组合交汇立靶方式构建光控开关进行测量，当飞行弹丸经过光幕，通过提取弹丸穿过光幕的时刻信号以及探测器信号求取弹丸坐标以及飞行速度。

典型的光幕组合为激光器与光电接收器件点对点组合成光幕[20]，这样相当于靶纸网格一样，这样弹丸经过该组合光幕时会引起相应探测器光电信号的变化，然后提取对应探测器的坐标，可以得出弹丸过靶时候的坐标，如果设置两个同样的光幕并按前后一定距离放置，还可以测量飞行弹丸的速度。这种结构虽然计算简单，但是实现高分辨率需要的激光器数量巨大，且光路对准比较困难，分辨率还受限于激光器的外形尺寸，测量精度不高。点对点组合光幕阵列如图7所示。

为了解决激光器与探测器点对点难以对准的问题，有研究人员提出了平行矩形光幕组合方案，也就是激光器出射光经过平行光透镜(如菲涅尔透镜)后形成平行光幕(见图8)，这样几个探测器对应一个激光器，这样的结构减少了激光器的使用数量，精度较之点对点有所提高，另外还可以采用平行矩形光幕、反射镜和探测器结合的方式(见图9)，用多个反射镜将平行光幕反射形成多个光幕[21]，这样也可以利用几何关系计算测量高速弹丸的着靶点位置和速度，按照激光器和反射镜的放置位置可以组成N形、Z形等结构的多光幕组合[21-26]。这种利用平行光幕的方式虽然精度较高，且使用激光器数量较少，但是在形成平行矩形光幕时，光学系统较复杂，不易构建大靶面。

小面积三角组合光幕是由激光器、激光整形光学系统、探测器阵列组成三角光幕光电开关系统。整形光学系统将激光整形成扇形光幕，然后多个三角光幕无缝叠加组成测量光幕，这种结构比平行光幕扩展得更开，激光器使用数量少，但是上下三角光幕拼接在一起的时候容易出现缝隙或者重叠，稳定性差。小面积三角光幕阵列如图10所示。

大面积三角组合光幕设计成能量均匀分布的线激光对应一条探测器阵列的结构[27]，如图11所示，两束激光形成两道三角光幕，光幕重叠部分为有效靶面，取有效靶面中最大正方形为规则靶面，即虚拟靶面，弹丸穿过有效靶面就能测出弹丸坐标，这样的设计结构更加开放，结构简单，容易构建大靶面，理论上测试精度很高，但是和2.2.3节小面积三角光幕一样，要求拼接的几个光幕都在同一个面内，不然就会引入一定的误差，影响精确度。

2.3 CCD成像法

2.3.1双CCD交汇立靶

双CCD交汇立靶就是依照人眼视觉原理，在竖直平面内放置两个线阵CCD相机，两相机的光轴交于空间某一点，构成一个竖直的光电测量靶面，以两相机光学中心连线为X轴，以垂直于连线的轴线为Y轴[28-30]。当高速飞行的弹丸经过靶面上一点时，弹丸会对背景光形成部分遮挡，两CCD相机上各有一个像点与这个点相对应，然后经过图像处理算法进行处理得到弹丸中心图像像素坐标，进而通过坐标系转换解算出弹丸的着靶位置坐标。双CCD交汇立靶示意图如图12所示。

作为一种非接触式光电测试技术，双CCD交汇立靶结构简单、易操作、测量精度较高，因此能够精确测量弹丸的立靶精度，很适合于靶场测试，对于我国靶场测试水平的提高和新型武器的研制具有重要的意义。但是双CCD相机交汇结构要求两CCD的视场要调整到同一个平面内，这个过程比较困难，容易由于立靶结构偏差引入误差导致测量误差。另外CCD相机的触发信号要求高度灵敏，所以对于相机触发信号研究也是未来的一个研究方向。

还有研究人员采用多CCD交汇立靶法[31]，与双CCD交汇法相比，提高了高速小尺寸目标信号捕获率，逐渐成为动态飞行目标跟踪测量应用的研究热点。

2.3.2单CCD立靶

双CCD交汇立靶中存在的不足，制约了其在靶场试验中的推广，有高校研究人员提出了单CCD立靶测量原理[32,33]，该结构由一台线阵CCD相机，一个像光源激光器以及靶架上粘贴“L”型原向反射膜组成，其基本原理如图13所示，线激光器A将激光照在原向反射膜上，当有弹丸高速通过时，会将照射到反射膜上的光线遮挡住,形成B点，此时可以用CCD接收原向反射膜上返回的其他大部分光，这样CCD上形成了一个弹丸的投影B′，而弹丸本身E也会被CCD拍摄到，计为E′。因此利用单CCD立靶几何关系以及CCD上接收到的两个像点坐标可计算出弹丸的着靶坐标。

单CCD立靶测试法与双CCD交汇法相比，不需要将两CCD放置在同一个视场内，结构更加简单，成本低，安装调试较简单，能够快速且精确地对系统的各项参数进行标定，极大提高了测试精度及效率，但是这种方法需要预先标定知道激光出射的坐标A，但是在标定过程中会引入一定的误差，所以会对精度造成一定的影响。

3 发展趋势

随着光电检测技术和计算机技术的发展，弹丸着靶点坐标和弹丸速度等各项参数的测量可以高速完成，且精度较高，极大地提高了靶场试验效率，减少了操作失误，安全性更高，但是随着武器系统的快速发展以及高性能武器的需求，给武器试验与测试提出了更高的要求，进而对于光电检测技术的要求也越来越高。

通过对几种测试方法的细致研究会发现，随着武器系统的快速升级，射频和射速越来越高，组合光幕法和CCD成像法在未来的武器性能测试中会发挥越来越重要的作用，因此这两种方法具有发展前景。

为了使得组合光幕和CCD成像方法在未来的武器系统性能测试方面发挥巨大的作用，现阶段面临着极大技术难题，未来要做的就是克服这些技术障碍，让光电弹着点检测技术迈上一个新的台阶：

1) 探测器响应度越来越高。超高射频武器的出现，比如“金属风暴”，每分钟射出几万发子弹。还有的武器的射速非常高，每秒钟达到十几公里，这样超高射频和射速的武器要求光电检测探测器响应速度和灵敏度越来越高，因此对于光电探测器的研究越来越关键。

2) 测试靶面越来越大。散布较大弹丸测量，如双管武器系统、阵列炮管等弹幕武器，要求探测的靶面越来越大，有的可达到10m×10m，而且要求多目标同时测量，迫切需要一种有效靶面大的非接触式测试方法，未来我们将要改进光电检测技术实现大靶面系统测量。

3) 靶距测量越来越精确。对于武器测量精确度的高要求需要对多光幕之间靶距精确测量，来使测量精度满足武器测试的需求，因此将来我们要采用新型技术实现智能识别靶距，减小测量的误差。

4) 相机标定越来越精确。相机标定技术越来越精确会使得我们对于武器参数的测试更加精确。

4 结论

弹丸着靶点坐标测量以及测速系统的建立仍需进一步研究，并且随着技术的越来越完善，测量误差必将越发减小，为武器研制、试验提供支撑。