破片着靶速度及图像获取*

冯 毅，李 超，鲁 娟

(中国兵器工业试验测试研究院， 陕西华阴 714200)

0 引言

随着我国国防实力的快速提升，国家对兵器行业给予越来越高的重视，越来越多的弹药爆炸威力测试类试验在靶场进行，该类试验主要考核装药战斗部能否满足技术指标的要求，相关参数测试中破片穿靶过程图像及靶前平均速度的获取尤为关键和重要。测量破片速度的方法常见的有光幕靶、天幕靶、网靶、金属箔靶等，也称其为通断靶或断通靶。一次试验往往需要很多个测试通道才能更加准确地测量出全预制或半预制破片群的初速。目前在靶场大多采用梳状靶、电探针等区截装置接触式测量方法[1]，而且该类测量方法只能测量飞行速度最快的破片的速度，由于破片飞行速度与区截装置的探测面大多成一定的夹角[2]，导致测量值与真值相差较大，同时，每次布设区截装置都需要耗费大量的人力和物力，效率低下且区截装置基本上都是一次性的，造成很大资源浪费。高速摄影装置和脉冲X射线摄影的方法虽然可以实时记录破片的影像，并且可从最终拍摄的影像判读破片的飞行速度，但对动态爆破的多个破片识别难度较大，对与预想弹道成大角度飞行的破片，测量误差较大。在瞬态高温、高压、强冲击条件下摄取的脉冲X射线底片，图像本身模糊、信噪比小，人工判读底片的过程中，不可避免地会引入一定程度的测量误差,加之设备昂贵、测试环境恶劣、布设位置难以确定等因素，极易造成设备损坏而增加使用成本，实际很少有人使用[1-2]，目前对于战斗部正常破片的初速以及初速分布的测量，国内还没有很好的解决办法。

根据爆炸破片着靶类试验定点、高速，尤其是着靶起光亮度高，破片着靶瞬间产生的火光高速摄像机易于识别等特点，结合靶场测试设备的技术指标及参数性能，综合考虑决定选用高速摄像机作为破片靶前平均速度及图像获取的主要测试手段，提出使用高速摄像机重点拍摄破片着靶火光点的方式获取破片靶前平均速度及穿靶图像的测试及数据处理方法，并比照梳状靶测试数据对其数据处理方法进行简要的分析和总结,完成破片靶前平均速度及图像的获取。

1 测试要求

以在靶场进行的某弹药爆炸威力试验为例，弹药爆炸破片飞行方向为定向飞散，试验前根据现场场地情况分别在破片定向飞散区距弹药战斗部8 m、16 m处以战斗部为圆心布设2个弧形钢板靶，该试验需要测试破片着靶前的速度及着靶过程。

2 系统布设方案

2.1 方案一

在两靶后距战斗部约100 m处布设1#、2#高速摄像机并用钢掩体做好防护，用于测试破片靶前平均速度，在16 m处钢板靶侧方顺光方向距战斗部约100 m处布设3#高速摄像机，用于观测战斗部爆炸破片速度及着靶过程，3台高速摄像机均使用钢掩体加防弹玻璃的方式加以防护，掩体摆放位置要求保证高速摄像机视场内无遮挡，采用战斗部上捆绑断靶线断靶触发的方式启动高速摄像机，设备布设示意图见图1。

试验后对高速摄像机拍摄的图像进行观察处理，发现3#高速摄像机位置由于炸点火光亮度过高，图像过饱和，1#、2#高速摄像机测试效果图见图2。

从图2的成像效果和该方案的设备布设策略可明显看出该测试方法存在以下不足：

1)1#、2#高速摄像机均位于靶标正后方，仅能观测到穿透靶面的破片与靶面碰撞产生的火光，随机反弹未能穿透靶面的破片则无法观测到，数据无法获取。

2)3#相机将炸点位置框入视场中，导致图像过饱和，无法获取有效数据图像。

3)高速摄像机布设位置均位于靶标正后方，破片穿靶后很可能击中摄像机、控制电脑及相关附件和供电设施，虽然加装钢掩体及防弹玻璃进行防护，但处于破片攻击飞散区钢掩体和防弹玻璃的防护能力毕竟有限，仍然存在很大的安全隐患。

2.2 方案二

采用3台高速摄像机拍摄战斗部破片靶前平均速度及着靶过程，8 m、16 m钢板靶的位置固定，试验前根据试验现场情况，分别在8 m、16 m钢板靶正侧方距爆心100 m处布设1#、2#高速摄像机，用于监测破片靶前平均速度及着靶过程图像。在16 m处钢板靶正侧方距爆心约100 m处布设3#高速摄像机，用于重点拍摄战斗部爆炸及破片打击16 m处靶板过程，1#、2#、3# 3台高速摄像机视场在爆心至钢板靶处相互交叉重叠，可互为备份。

3台高速摄像机均使用钢掩体加防弹玻璃进行防护，掩体放置位置要求相机拍摄视场内无遮挡。试验时，高速摄像机均架设在事先放置好的钢掩体内，采用战斗部爆心事先绑断靶线的方式触发启动高速摄像机。设备布设示意图见图3。

图3 方案二高速摄像机现场布设示意图

从试验后的测试效果来看，2#高速摄像机测试效果较好,1#、3#高速摄像机测试效果图见图4。

2.3 方案三

综合前两种测试方案的优缺点，结合试验测试的场地及战斗部的实际情况，决定在前面方案二的基础上将8 m处钢板靶向远离战斗部爆心方向移动2 m，即改为距爆心10 m钢板靶，同时高速摄像机布设时相机视场将战斗部爆心位置避开一些，避免爆炸火光亮度过高导致图像过饱和，同时尽量将相机曝光时间设置短些，以能够隐约看到钢板靶位置为宜，其它高速摄像机布设位置、防护措施、试验场地、试验方法等均不变，测试效果图见图5。

图4 1#、3#高速摄像机测试效果图

图5 1#、2#高速摄像机拍摄破片着靶图像

从图5可以看出，破片着靶瞬间产生的亮光非常明显，易于破片着靶过程的观测及靶前平均速度的处理，所以根据该类试验的实际情况，一般将方案三作为首选试验测试方案。

3 参数设置

考虑到破片速度很高，高速摄像机拟使用5 000f/s 帧频的拍摄速率进行测试，除了常规设置外，主要考虑曝光时间和EDR以及光圈和景深[2]，结合试验使用的设备的实际技术指标情况，高速摄像机的主要参数设置如表1所示，1#、2#、3#高速摄像机的型号分别为PhantomV10、PhantomMiro3、PhantomM110。

表1 高速摄像机主要参数设置

注意：将EDR曝光时间设置为曝光时间的1/2时，图像中最亮的像素将比较暗像素低一个光圈进行曝光。应根据可能遇到的最暗照明条件下可获得满意图像的要求来设置曝光时间极限值；并尽可能使用短焦镜头来拍摄，这样就可以得到更高质量的图像[3]，便于对破靶前平均速度的判读和着靶过程图像的获取。

4 数据处理

1#、2#高速摄像机主要用于拍摄并处理破片10 m、16 m处靶前的平均速度，其中对1#高速摄像机拍摄的图像，使用专用数据处理软件事后判读，获取10 m靶着靶的破片帧数、破片数和判读出的着靶平均速度如表2所示。

表2 高速摄像机主要参数设置

两次摸底试验，高速摄像机测试处理的靶前平均速度与梳状靶测试处理的靶前平均速度对比如表3所示。

表3 高速摄像机及梳状靶判读破片靶前平均速度对比

从表3可以看出，针对同一发战斗部爆炸破片攻击同一个靶，高速摄像机处理的靶前平均速度和梳状靶处理的靶前平均速度数值趋势正确，都是10 m钢板靶处的平均速度高于16 m钢板靶处的平均速度，但是梳状靶测试的破片靶前平均速度均比高速摄像机测试的高些，速度最大差近50 m,误差较大，造成这种情况的原因需要从高速摄像机及梳状靶的数据处理方法来简要分析：

1)高速摄像机数据处理方法

试验前精确测量爆心至靶标的距离d，通过爆心断靶触发的方式获取起爆零时刻，使用高速摄像机专用数据处理软件读取破片着靶瞬间靶标上出现亮点帧数，根据断靶触发零时刻及靶标上出现亮点帧数，结合高速摄像机的拍摄幅率综合计算，获取破片着靶的时间t，根据速度v=d/t计算得出破片的靶前平均速度[4-5]，计算公式如下：

(1)

(2)

将式(2)中t代入式(1)得到：

式中：v为破片靶前平均速度；t为破片着靶时间；d为靶距；f为拍摄帧频；n为破片距离零时刻帧数。

2)梳状靶数据处理方法

梳状靶破片靶前平均速度的获取主要依靠测试不同方向、时间飞出的破片在多块梳状靶上的着靶时刻与起爆零时刻做减法获取破片着靶时间，再用靶距除以着靶时间获得破片靶前平均速度。数据处理计算方法与高速摄像机比较类似。

不同的是与高速摄像机获取数据图像方式相比，高速摄像机获取的是每个破片着靶的时间，而梳状靶的测试方法是将多个梳状靶安装于钢板靶靶面上不同的指定位置，单个小块梳状靶在被破片击中触发后传递给信号采集装置一个断通信号从而获取破片的着靶时间，该靶即为触发状态，后续击中该梳状靶的破片时间将无法有效获取，梳状靶数量有限，所以钢板靶同一区域获取的破片数据也是有限的，无法对钢板靶同一区域的着靶破片数及时间进行加权平均计算，因而梳状靶获取的破片速度并不能真实反映每个着靶破片的速度，而是取一个平均值。从数据处理的结果来看，从高速摄像机拍摄的破片着靶图像处理出的靶前平均速度与理论设计的速度更为接近，这一点更印证了高速摄像机在该类试验破片速度测试中的优越性[6-7]。

5 结论

文中通过对3种不同拍摄点位的高速摄像机拍摄破片着靶图像进行对比并结合同样位置的梳状靶测试数据做简要分析，提出了一种实用的测试方法，同时对该类试验参数设置及数据处理方法进行了分析。该测试方法拓展了靶场高速摄像机的测试领域，对靶场现代化建设具有一定的积极意义。然而，由于该方法是新研究总结的测试方法，还需要在实际工作过程中予以不断完善和改进。