陶宗慧，刘唯奇，赵义武，娄岩，姜会林

（1.长春理工大学　空间光电技术国家地方联合工程研究中心，长春　130022；2.长春理工大学　空地激光通信技术重点学科实验室，长春　130022；3.白城兵器试验中心，白城　137001）

基于投影成像原理的弹丸着靶姿态高精度测试方法研究

陶宗慧1，2，刘唯奇3，赵义武1，2，娄岩1，2，姜会林1，2

（1.长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，长春130022；2.长春理工大学空地激光通信技术重点学科实验室，长春130022；3.白城兵器试验中心，白城137001）

弹丸着靶姿态测试是弹道参数测试中的重要项目，姿态参数与着靶速度、弹丸质量、能量传递效率共同反映了弹丸的终点效能，由于弹丸目标小、速度快，对其着靶瞬间的三维姿态角的高精度测试还无法实现。采用投影测试方法、视场标定方法、数据修正计算方法，解决了目标的高质量成像、标定判读、角度计算等难题，实现了小口径弹丸的着靶姿态测试，完善了测试项目，提升了测试能力。

着靶姿态；投影测试；弹道参数

由于轻武器弹丸具有小、快、暗的目标特性，所以一直以来对轻武器测试领域中弹丸着靶姿态高精度测试方法的研究进展较为缓慢，而该项测试在轻武器外弹道参数测试中占有重要的地位，主要体现在以下三点：一是弹丸着靶姿态是终点弹道测试中的重要参数，着靶攻角的大小直接影响了弹丸侵彻的能力，是弹丸终点效能综合评定的重要依据；二是弹丸着靶姿态可以体现弹丸在有效射程内的飞行稳定性，对于被试品故障判读具有重要意义；三是弹丸着靶姿态参数在很大程度上决定了弹丸对于有机目标侵彻后的杀伤能力，体现了弹丸失稳翻滚效果，可以作为弹丸杀伤能力的判定依据。

目前的轻武器弹丸着靶姿态测试方法主要存在试验鉴定测试需求少、试验测试系统单一、缺少有效判定依据等问题。由于测试方法的研究相对滞后，所以在轻武器产品研制、生产、鉴定等环节上都没有对弹丸着靶姿态指标提出测试要求，在判定弹丸终点效能时缺少直接有力的依据，从而制约了武器产品的发展；同时由于缺少弹丸姿态测试手段，在终点弹道等重点测试项目的研究中也无法掌握着靶攻角与毁伤效能之间关系的有效数据，导致毁伤机理数理模型得不到有效的验证，在一定程度上影响了外弹道、终点弹道等重点测试项目的测试方法的发展。基于摄影测量原理的弹丸着靶姿态高精度测试方法，通过投影测试方法设计、标定方法研究、数据处理方法研究，建立一套科学、系统、有效的轻武器弹丸姿态高精度测试方法，解决了目前轻武器靶场鉴定及弹道研究中的姿态测试需求，为轻武器产品的研制提供了重要支撑。同时对弹丸姿态测试方法的深入研究可以完善轻武器弹道测试体系，提升轻武器靶场的综合试验能力，在轻武器弹道测试技术领域具有重要意义。

1　投影测试方法

首先对弹丸着靶角进行测试需求分析，弹丸目标特性为：枪弹5.8～14.5mm，着靶速度700～1000m/s，着靶角≤5°（弹丸轴线与靶面法线间的角度，为三维立体角），要求测角精度优于2mil。目前在小口径弹丸姿态测试领域主要采用纸靶法，使用经过电烤的纸靶作为接收目标，高速飞行的弹丸经过后留下一个椭圆形的弹孔，通过对弹孔的判读计算出着靶角，由于这种方法误差源较多，不能实现较高精度的角度测试，所以在实际操作中需要在枪口增加起偏器增加弹丸的章动角。经过对测试需求以及传统测试方法的分析可以得到以下结论：（1）弹丸着靶角度小、测试精度要求高、测试难度大；（2）传统方法无法满足测试需求。

为解决弹丸着靶角度测试问题设计采用投影成像测试方法，如图1所示，在靶面上安装正交照明灯，当弹丸进入测试区域即将着靶的瞬间，照明灯闪光，调试好的数码相机采用B门等待的方式在闪光时对弹丸投影进行成像（采用B门拍摄是由于单反相机最低曝光时间为125μs，不能满足瞬态目标拍摄需求，所以采用控制照明灯闪光时间的拍摄方式），试验需要在内靶道低照度环境下进行。

从图1中可以看出正交投影测试系统主要包括光源系统、摄影系统、靶板。其中对光源系统指标要求为：最小闪光时间优于5μs，输出功率大于40W。相机指标为：分辨率4256×2832；像元尺寸15μm；感光能力12800iso。光学镜头：光圈优于F2.8；焦距600mm定焦。其他指标：相机作用距离15m；视场：0.9m×0.6m；照明灯主轴与靶面角度：15°～25°（根据弹丸长度调节）；两灯主轴在靶面上投影线夹角：90°±5°。根据以上选定设备指标进行成像能力分析。

图1　正交斜投影测试系统

作为成像设备的主体，相机的感光能力是系统最终成像能力的关键，所选相机的最高感光度为12800iso，则相机灵敏度为 0.8/12800=0.0625× 10-3lx.s，当曝光时间为5μs时所需最小照度为0.0625×10-3lx.s/0.000005s=12.5lx，也就是说理论上在5μs曝光时间内照度高于12.5勒克斯可以成像，但在实际拍摄中，选择12800iso感光度会有较大的噪声，过低的输入照度会被噪声淹没无法精确判读，所以这里引入相机的另一个关键指标光谱响应度，通常情况下单反相机参数中不包含该参数，需要对相机成像元件进行测定，最终得到所选相机的平均光谱响应度约为160LSB/（nJ/cm2）～200LSB/（nJ/ cm2），最终选定该值为180LSB/（nJ/cm2）。

根据以上选定指标进行计算如下，靶面上的平均功率约为：

其中：P—靶面反射光平均功率；Φ—光源输出功率；κ—靶面的发射系数为0.3；L—靶面长；K—靶面宽。

则在感光元件上的平均功率为：

其中：E—感光元件上的平均功率；P—靶面反射光平均功率；τ—光学系统透过率，取0.7；F—光学系统光圈数；Vλ—成像元件光谱响应率。

进行照度转化计算可得：

该值远高于成像所需的最小照度12.5lx，为计算最终的成像效果，引入相机光谱响应度指标后计算预计靶面背景成像灰度为：

其中：T—曝光时间5μs；E—感光元件上的平均功率；B—光谱响应度。

根据以上计算结果可以看出照明系统提供的福照度可以有效的将靶面照亮，该测试系统可以满足较高质量的成像要求。

2　视场标定及数据修正计算方法

对弹丸着靶角度的高精度测试主要包括两个关键因素，一是对目标的成像捕获，二是视场内的标定与数据处理，通过上一节的分析可以得到能够有效成像的结论，下面将对标定方法以及数据处理计算方法进行设计研究。

决定系统测试精度主要为两个方面，一方面是测试系统装调精度，另一方面是视场标定校准精度。在装调环节通过目前较为成熟的检测装调设备的高精度校准，装调精度可以控制，而重点环节在于系统标定上，目前设计采用角度指示装置在试验后对测试系统进行标定，并根据标定数据计算测试弹丸的着靶角。

图2　标定器材示意图

图2为测角标定装置（测角器），其中每个尖端与下端中心点间的角度相差10°，天顶90°左右的尖端之间相差5°，试验中在捕获弹丸图像后，将测角标定装置放置于视场内，下端中心点与弹丸着靶中心点重合，径向方向与垂线重合，底座与靶面重合，确保标定面与靶面垂直，拍摄其投影照片。并对弹丸图像与标定图像进行判读，经过计算得到弹丸着靶角方位角，同理测量着靶俯仰角。

图3　图像判读方法示意图

如图3所示，拍摄中对弹丸着靶瞬时的捕获很难实现，通常情况下弹尖距靶面存在一定距离，在这种情况下将弹丸轴线与两个投影轴线的交点O作为着靶点，以判读弹丸着靶俯仰角为例，投影轴线落在角度指示点A、B中间，其中B点指示角度为0°，A点指示角度为5°，C点为投影轴线与AB的交点，所以C点指示角度为弹丸着靶俯仰角θ。设AB间距离为d1，BC间距离为d2则计算得

在目前测试系统框架下对测角精度产生影响的误差源较多，其中的关键的影响因素是成像系统的分辨率与成像质量，由于测试精度分析需要以实施中的具体参数为基础进行计算，所以对目前的设计方案进行分析如下。估算图像判读中相面特征点定位误差为1个像元，其中主要包括着靶点1、标定点2、投影轴交点1，所以总的均方根误差为线AB的成像像元为82，最终估算测角精度最大约为0.12°（7′），在章动角小于5°时测角精度优于3%。

3　测试试验

由于试验器材条件限制，只进行俯仰方向的弹丸着靶角测试。验证试验共分两部分进行，首先验证该测试方案的可行性，进行射击试验，考核成像质量，并进行图像判读与数据处理，得到试验结果；证明方案可行后进行测试系统测试精度的复合，采用静态拍摄标尺的方法，通过两个或三个标志点作为已知标定点，推其它标志点位置，将得到的数据与已知数据对比得到测试精度。

弹丸：12.7mm×67mm；

弹速：1000m/s；

曝光时间：3μs；

焦距：200mm；

分辨率：2784×1848；

射击距离：100m；

射击发数：10发。

3．非暴力性。传统的旧意识形态在掩盖社会危机本质、压制人们反抗、维护阶级关系等方面更多的是采用“镇压”“暴力”“斗争”的方式，带有极强的暴力性特征。而科学技术作为一种新的意识形态，超越了旧意识形态，通过满足人们需求，向社会成员提供福利来换取其对资本主义制度忠诚的新意识形态模式，从而“把确定私有经济的资本价值增殖形式和确保群众忠诚的、分配社会补偿的形式，作为政治形式来阐明其维护社会制度的功能性任务，作为舆论工具来满足民众非政治化要求”。［10］(P71)

其中射击中第6发的试验图像如图4所示，叠加标尺图像后，进行图像判读和数据处理如图5所示。

图4　第6发弹丸着靶成像图

图5　标尺图像叠加判读图

其中A点为标尺90°度标志点，通过图像判读得到d1=203.711pix，d2=17.117pix所以根据角度计算公式得到：

经过计算第6发弹丸的着靶俯仰角为-0.42013°，即θ=-25′12″（-7mil），同理计算本组其他弹丸着靶角得到数据如表1所示。

表1　速度衰减数据表

从试验结果数据来看可以得到以下3个结论：（1）该测试方法可以对弹丸着靶角度进行有效测试；（2）测试系统角分辨率和测试精度均优于1mil；（3）弹丸在100m处的章动角小于1°基本符合弹丸运动的理论模型。

3.2试验二：测试精度试验

曝光时间：10μs；

焦距：200mm；

分辨率：2784×1848；

标定角度：5°。

如图6所示，图像中共有13个角度标志点，每两个标志点间的角度差为5°，试验中取目标点为未知点，取两侧的标志点作为已知点，进行判读计算目标点角度值。

图6　标尺图像判读图

其中实际标尺中A点为0°，B点为5°，以此类推，L点为55°，M点为-5°。图像判读方法与计算方法与试验一相同，最终得到试验数据如表2所示。

表2　图像标定试验数据表

对测量检测数据进行拟合分析，结果如图7所示。

图7　标定测量误差拟合曲线

通过对试验数据分析可知试验中测定数据精度平均为2个密位，也就是优于7.3′，与理论计算得到的图像判读误差7′基本一致，标尺在视场边缘也就是与照明灯呈较大角度的位置精度下降，与两标志点间的距离减小有关，从曲线中可以看出测量精度呈波浪形，经实践测算为标尺自身角度指示精度误差所致（标尺加工精度影响），对标定角度复合后B、D、H点指示精度较高，所以综上分析，通过高精度标校，测试系统精度可以达到优于0.5个密位。

4　结论

基于投影成像原理的弹丸着靶姿态高精度测试方法研究，提出了控制照明系统与高性能数字照相机进行弹丸着靶姿态的高精度测试方法，突破了高质量成像、图像标定、数据修正计算等难题，使照相法在弹丸姿态测试中得到有效应用，解决了传统方法缺少测试手段、无法录取有效数据等问题。测试中通过射击试验与系统精度试验，证明了方法的有效性与可实施性。此方法可以应用于多种轻武器杀伤元的研制和鉴定中，为多项国家重点项目提供数据支撑，提高国家靶场的测试能力。

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High-precision Testing for Hitting Attitude of Projectile Base on the Principle of Projection Imaging

TAO Zonghui1，2，LIU Weiqi3，ZHAO Yiwu1，2，LOU Yan1，2，JIANG Huilin1，2
（1.NUERC of Space and Optoelectronics Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Fundamental Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；3.Baicheng Ordnance Test Center of China，Baicheng 137001）

Hitting attitude testing of projectile is an important project in the test of trajectory parameter which can reflect the effectiveness of the projectile together with the parameters including hit velocity，projectile mass and the efficiency of the energy transferring.Because of small target and fast speed of the projectile，one cannot achieve high-precision testing of the three-dimensional attitude angle.The testing for hitting attitude of projectile with small diameter has been demonstrated in this work base on the methods of projection test，vision field calibration and data modify calculating，which solved the problems of high quality imaging，calibration reading and angle calculation of the target.And then the test project and capability has been improved.

hitting attitude；projection testing；trajectory parameter

TP394.1；TH691.9

A

1672-9870（2015）06-0025-05

2015-00-00

国家自然基金资助项目（91338116）

陶宗慧（1986-），硕士，实验员，E-mail：taoz01@163.com

刘唯奇（1986-），工程师，E-mail：lwq31jd@163.com