汤雪志，王志军，尹建平，王少宏

(中北大学 机电工程学院，太原 030051)

【系统工程、测量与控制】

弹丸速度测量的高速摄影试验研究

汤雪志，王志军，尹建平，王少宏

(中北大学 机电工程学院，太原 030051)

分析了高速摄影的特点，并据此设计了测量某型号弹丸飞行速度的方案，介绍了试验所需设备和对处理软件的参数设置，将高速摄影测得的弹丸飞行速度与多普勒测量结果进行对比，对两种测速方法中可能导致误差的原因进行了简要分析并提出了解决措施。实验结果表明该次试验所设计的高速摄影系统用来测量弹丸速度可行。

高速摄影；弹丸速度；多普勒测速

随着兵器工业的快速发展，测量弹丸飞行速度的方法越来越多，从物理原理来分，有平均速度法及瞬时速度法；从测量仪器及技术的类型来分，则有电测法及光测法。目前靶场最常用的标准方法是电子测时仪测速法和多普勒雷达测速法[1]。它们都是采用平均速度法原理的电测方法。假定弹道的某一有限区间内，弹丸的飞行速度是线性变化的，则该段弹道中点的瞬时速度等于该区间的平均速度，实际弹丸的速度变化虽不是线性变化的，但是只要截取的弹道区间不太长，弹丸的速度都近似线性变化，其中点的瞬时速度都可以用该段的平均速度代替。但是，现有的测量技术中存在着各种缺点，已经不能满足日益变化的高精准武器发展的需要。随着新型测速仪器的不断涌现，这些传统的测试方法已逐渐退出了历史的舞台,而新型测试技术又以高速摄影测试技术为主[2]。

近几十年来，高速摄影技术经历了多个发展阶段，在国内外的工业炸药、爆破器材、岩土爆破等研究中得到了广泛的应用，为炸药爆轰理论，岩石爆破机理的研究提供了具有实际意义的科学依据。除此之外，高速摄影还可利用其拍摄速度很快，曝光时间很短的特点，来记录分析物体的运动变化，甚至生物器官，微生物，分子的运动。再有，工业上也缺少不了这种摄影技术，事实上，正是由于有了这种技术，人们才能够使一些生产过程得到改善[3-4]。

高速摄影技术的应用相当广泛，而我们可以发挥其特有的性质来帮助解决一般技术解决不了的难题，由此，我们本课题根据高速摄影的相关性质设计出了一种测量弹丸飞行速度的方案。

1 试验设备及调试

1.1 测速系统组成

本次试验所采用的设备是由镜头、主机、云台与三脚架以及电源线、触发线、网线等组成的高速摄影机，如图1所示。

其中云台介于主机与三脚架之间，将主机与三脚架连接起来；三脚架用于支撑全部的高速摄影机，主机背面有多个标准化接口，主要有电源线，它提供直流电源用来支持高速摄影机工作；触发线为高速摄影机的工作提供启动信号，该功能也可通过在计算机软件上通过点击触发键完成；网线将高速摄影机与计算机连接起来，并在电脑上对软件信息进行设置以及输入，试验结束后将机器里面所储存的图像信息通过网线下载并保存到计算机中。

控制系统一般是由计算机与高速摄影机配套的软件组成。在高速摄影机的软件控制界面对计算机上的有关拍摄参数进行设置，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，同时，试验触发和图像的信息下载、储存以及播放等也是在上面实现的[5]。本次射击试验中，PCC软件主要进行飞行姿态记录、数据处理，从而得出弹丸的速度。图2所示为该控制系统的界面。

除上述所用设备之外，还有用于标定距离的标杆，以及挡板、防弹玻璃等安全设施。

1.2 系统参数设置

本研究所用的高速摄影机需将所连接的计算机的IP地址改为：100.100.100.1。配置完成之后，将两者进行局域网组建，同时在PCC软件的操控界面上对高速摄影机的参数进行设置。参数设置界面如图3所示。

图2 控制系统界面

图3 参数设置界面

拍摄参数设置：光圈F=2.8，帧率f=20 000 fps,分辨率为1 280×720，曝光时间为10 μs,相机可拍摄时长为3.78 s。

2 测速方案设计

2.1 试验方案

试验之前的现场布置是相当重要的环节，这关系到能否拍摄到被测对象和拍摄的结果质量。图4所示为本次试验所布置的高速摄影测试现场示意图。

图4 高速摄影试验场地布置示意图

先确定掩体的放置位置和弹道方向之间的距离L，这直接导致高速摄影机可以拍摄到的最大视角。掩体位置一旦确定，就将防弹玻璃安装好，然后将三脚架假设在掩体内，并且保证三脚架的支开角度正好，姿态协调稳定，将防弹玻璃的位置布置的比云台座的高度稍微高一点，接着将组装好的主机固定在三脚架的云台上面，并将电源线插到对应的接孔内，接通完电源后，主机背后的电源指示灯亮起，侧面的散热风扇开始工作，此时可视为高速摄影机已开机。打开计算机，连接计算机和高速摄影机间的网线，连接完成后，打开计算机软件，调整云台角度使得弹靶，标尺以及标记点均在高速摄影机视场范围内，然后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地面上的标尺。最后，将触发线的一端连接到高速摄影机，触发器的一端手持着，触发方式为前触发即触发后会记录3.78s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，并在需要关注的弹道方向和区间内设置标杆，本课题需将标杆水平放置与弹道线处于同一水平位置。至此，高速摄影机相关的试验布置初步完成[4-7]。

试验采用某型号滑膛炮，弹丸为后张式尾翼。炮位，弹靶，高速摄影机采用GPS定点。在弹丸飞行路线中的适当位置布置二维实木标尺，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。调整炮位密位等相关参数，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。当操作员发出射击指令之后，触发高速摄影机并记录弹丸飞行过程，用PCC软件截取所需拍摄片段并作保存，以便后续的结果处理。图5为试验现场效果图。

图5 现场效果图

2.2 试验原理及测试结果

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，在待测的图片上点击参照标尺的第二点，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。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[8-9]。

运用软件中的两点法可以测量弹丸的速度，选取弹丸飞行过程中的两点，根据设定的比例尺，可知这两点之间的距离，从PCC软件界面可知这两点之间的帧频数，根据事先系统设定的帧频数，按照比例可以计算出这两点之间的间隔时间，从而用路程除以时间即可以求出弹丸的飞行速度，以其中一发弹丸为例，在Result中显示相关数据，如图7所示。

图6 水平标尺参照图

图7 某弹丸速度测试结果

3 观察结果后处理

3.1 速度对比

试验采用某型号火炮发射十发某型号弹丸选取其中三发进行比较，其中多普勒雷达、高速摄像机测速测量弹丸飞过标尺时的速度试验结果见表1。

表1 试验测试结果

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。

3.2 误差分析

1) 弹丸飞行的过程中，由于炮手经验或者天气原因，弹丸不可能严格按照理想情况飞行，可能会偏离射击面方向，从而对结果有一定的影响。

2) 高速摄影机与待测火炮距离较远，附近大气的温度、压力、密度和成分存在一定的不确定性，易产生湍流和混浊，导致折射率变化，从而对结果有一定的影响[10]。

3) 在选取参照点的时候，不能保证两点之间的距离就是标杆的实际距离，从而对结果有一定的影响。

综合上述分析，在用高速摄影系统对弹丸的飞行速度进行测量时，需要充分保证试验场地的开阔，尽量选择天气晴朗，风级很小的时候进行试验，同时为了提高在图像上取点时的精度，应根据具体的试验选择一定焦距的镜头，从而在客观条件上尽可能降低结果误差，尽量保证试验现场达到理想状态。

4 结论

1) 论文就已有的弹丸飞行速度的测量方式的缺点，提出应用高速摄影系统进行弹丸测速的方案。

2) 按照本文所设计的方案，应用高速摄影技术进行了试验，通过高速摄影机将试验所需的弹丸飞行过程记录了下来，以便后续分析。

3) 基于PCC软件，对标尺进行设置，通过软件的计算，得到弹丸的实际飞行速度，除此之外还对产生结果误差的原因进行了分析并提出了相应的改进措施。

4) 经过试验证明，高速摄影技术能够可靠地应用于高速飞行体的速度测量，与多普勒雷达测速法对比，进一步验证高速摄影技术测速的可行性，且该方法显著提高了试验的效率，并实现了试验器材的可重复利用。今后，还需进一步对高速摄影测速技术进行优化处理从而提高该测速技术的可靠性，高速摄影测速方法对于提高各专业人员的实验水平有一定的借鉴和推广意义[11]。

[1] 王志军,尹建平.弹药学[M].北京：北京理工大学出版社,2005：49.

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[5] 刘华宁,郑宇,李文彬,等.基于高速摄影技术的速度测量方法[J].兵工自动化,2014,33(11)：71-74.

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[11] 李丽萍,孔德仁,易春林,等.战斗部破片速度测量方法综述[J].测控技术,2014,33(11)：5-7.

ExperimentalStudyonVelocityMeasurementofProjectilebyHighSpeedPhotography

TANG Xuezhi， WANG Zhijun， YIN Jianping， WANG Shaohong

(School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

This paper mainly analyzes the characteristics of high speed photography, and designed a type of projectile velocity measurement scheme, introduces the test equipment required and set parameters on processing software are discussed.Finally, comparing the projectile velocity and Doppler velocity results of high speed photography measurement, the two methods can cause the causes of errors are analyzed briefly and puts forward corresponding solving measures.Based on the above experimental results, it is proved that the high-speed photography system designed in this paper is feasible for the projectile velocity measurement.

highspeed photography; bullet velocity; doppler velocity measurement

2017-08-20；

207-09-08

国家自然科学基金(11572291)；山西省研究生联合培养基地人才培养项目(20160033,20170028)

汤雪志(1994—)，女，硕士研究生，主要从事弹药工程与毁伤技术研究。

10.11809/scbgxb2017.12.038

本文引用格式：汤雪志，王志军，尹建平，等.弹丸速度测量的高速摄影试验研究[J].兵器装备工程学报，2017(12):167-170.

formatTANG Xuezhi，WANG Zhijun，YIN Jianping，et al.Experimental Study on Velocity Measurement of Projectile by High Speed Photography[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):167-170.

TJ3

A

2096-2304(2017)12-0167-04

(责任编辑唐定国)