湯雪志，王志軍，尹建平，王少宏

(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，太原 030051)

【系統(tǒng)工程、測量與控制】

彈丸速度測量的高速攝影試驗研究

湯雪志，王志軍，尹建平，王少宏

(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，太原 030051)

分析了高速攝影的特點，并據(jù)此設(shè)計了測量某型號彈丸飛行速度的方案，介紹了試驗所需設(shè)備和對處理軟件的參數(shù)設(shè)置，將高速攝影測得的彈丸飛行速度與多普勒測量結(jié)果進行對比，對兩種測速方法中可能導(dǎo)致誤差的原因進行了簡要分析并提出了解決措施。實驗結(jié)果表明該次試驗所設(shè)計的高速攝影系統(tǒng)用來測量彈丸速度可行。

高速攝影；彈丸速度；多普勒測速

隨著兵器工業(yè)的快速發(fā)展，測量彈丸飛行速度的方法越來越多，從物理原理來分，有平均速度法及瞬時速度法；從測量儀器及技術(shù)的類型來分，則有電測法及光測法。目前靶場最常用的標(biāo)準方法是電子測時儀測速法和多普勒雷達測速法[1]。它們都是采用平均速度法原理的電測方法。假定彈道的某一有限區(qū)間內(nèi)，彈丸的飛行速度是線性變化的，則該段彈道中點的瞬時速度等于該區(qū)間的平均速度，實際彈丸的速度變化雖不是線性變化的，但是只要截取的彈道區(qū)間不太長，彈丸的速度都近似線性變化，其中點的瞬時速度都可以用該段的平均速度代替。但是，現(xiàn)有的測量技術(shù)中存在著各種缺點，已經(jīng)不能滿足日益變化的高精準武器發(fā)展的需要。隨著新型測速儀器的不斷涌現(xiàn)，這些傳統(tǒng)的測試方法已逐漸退出了歷史的舞臺,而新型測試技術(shù)又以高速攝影測試技術(shù)為主[2]。

近幾十年來，高速攝影技術(shù)經(jīng)歷了多個發(fā)展階段，在國內(nèi)外的工業(yè)炸藥、爆破器材、巖土爆破等研究中得到了廣泛的應(yīng)用，為炸藥爆轟理論，巖石爆破機理的研究提供了具有實際意義的科學(xué)依據(jù)。除此之外，高速攝影還可利用其拍攝速度很快，曝光時間很短的特點，來記錄分析物體的運動變化，甚至生物器官，微生物，分子的運動。再有，工業(yè)上也缺少不了這種攝影技術(shù)，事實上，正是由于有了這種技術(shù)，人們才能夠使一些生產(chǎn)過程得到改善[3-4]。

高速攝影技術(shù)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，而我們可以發(fā)揮其特有的性質(zhì)來幫助解決一般技術(shù)解決不了的難題，由此，我們本課題根據(jù)高速攝影的相關(guān)性質(zhì)設(shè)計出了一種測量彈丸飛行速度的方案。

1 試驗設(shè)備及調(diào)試

1.1 測速系統(tǒng)組成

本次試驗所采用的設(shè)備是由鏡頭、主機、云臺與三腳架以及電源線、觸發(fā)線、網(wǎng)線等組成的高速攝影機，如圖1所示。

其中云臺介于主機與三腳架之間，將主機與三腳架連接起來；三腳架用于支撐全部的高速攝影機，主機背面有多個標(biāo)準化接口，主要有電源線，它提供直流電源用來支持高速攝影機工作；觸發(fā)線為高速攝影機的工作提供啟動信號，該功能也可通過在計算機軟件上通過點擊觸發(fā)鍵完成；網(wǎng)線將高速攝影機與計算機連接起來，并在電腦上對軟件信息進行設(shè)置以及輸入，試驗結(jié)束后將機器里面所儲存的圖像信息通過網(wǎng)線下載并保存到計算機中。

控制系統(tǒng)一般是由計算機與高速攝影機配套的軟件組成。在高速攝影機的軟件控制界面對計算機上的有關(guān)拍攝參數(shù)進行設(shè)置，對所采集的圖像和數(shù)據(jù)進行分析和處理,可以對被拍攝物體的標(biāo)記點自動跟蹤、快速測量，同時，試驗觸發(fā)和圖像的信息下載、儲存以及播放等也是在上面實現(xiàn)的[5]。本次射擊試驗中，PCC軟件主要進行飛行姿態(tài)記錄、數(shù)據(jù)處理，從而得出彈丸的速度。圖2所示為該控制系統(tǒng)的界面。

除上述所用設(shè)備之外，還有用于標(biāo)定距離的標(biāo)桿，以及擋板、防彈玻璃等安全設(shè)施。

1.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

本研究所用的高速攝影機需將所連接的計算機的IP地址改為：100.100.100.1。配置完成之后，將兩者進行局域網(wǎng)組建，同時在PCC軟件的操控界面上對高速攝影機的參數(shù)進行設(shè)置。參數(shù)設(shè)置界面如圖3所示。

圖2 控制系統(tǒng)界面

圖3 參數(shù)設(shè)置界面

拍攝參數(shù)設(shè)置：光圈F=2.8，幀率f=20 000 fps,分辨率為1 280×720，曝光時間為10 μs,相機可拍攝時長為3.78 s。

2 測速方案設(shè)計

2.1 試驗方案

試驗之前的現(xiàn)場布置是相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)，這關(guān)系到能否拍攝到被測對象和拍攝的結(jié)果質(zhì)量。圖4所示為本次試驗所布置的高速攝影測試現(xiàn)場示意圖。

圖4 高速攝影試驗場地布置示意圖

先確定掩體的放置位置和彈道方向之間的距離L，這直接導(dǎo)致高速攝影機可以拍攝到的最大視角。掩體位置一旦確定，就將防彈玻璃安裝好，然后將三腳架假設(shè)在掩體內(nèi)，并且保證三腳架的支開角度正好，姿態(tài)協(xié)調(diào)穩(wěn)定，將防彈玻璃的位置布置的比云臺座的高度稍微高一點，接著將組裝好的主機固定在三腳架的云臺上面，并將電源線插到對應(yīng)的接孔內(nèi)，接通完電源后，主機背后的電源指示燈亮起，側(cè)面的散熱風(fēng)扇開始工作，此時可視為高速攝影機已開機。打開計算機，連接計算機和高速攝影機間的網(wǎng)線，連接完成后，打開計算機軟件，調(diào)整云臺角度使得彈靶，標(biāo)尺以及標(biāo)記點均在高速攝影機視場范圍內(nèi)，然后根據(jù)當(dāng)時的天氣條件以及綜合情況調(diào)節(jié)各個參數(shù)，使在圖像中可以清晰看到固定在地面上的標(biāo)尺。最后，將觸發(fā)線的一端連接到高速攝影機，觸發(fā)器的一端手持著，觸發(fā)方式為前觸發(fā)即觸發(fā)后會記錄3.78s的視頻，因此準確把握觸發(fā)點至關(guān)重要，通過與炮位之間的有效通訊進行觸發(fā)控制，并在需要關(guān)注的彈道方向和區(qū)間內(nèi)設(shè)置標(biāo)桿，本課題需將標(biāo)桿水平放置與彈道線處于同一水平位置。至此，高速攝影機相關(guān)的試驗布置初步完成[4-7]。

試驗采用某型號滑膛炮，彈丸為后張式尾翼。炮位，彈靶，高速攝影機采用GPS定點。在彈丸飛行路線中的適當(dāng)位置布置二維實木標(biāo)尺，標(biāo)尺的材料屬性采用實木而非金屬可以避免金屬標(biāo)尺對無線電引信的干擾。調(diào)整炮位密位等相關(guān)參數(shù)，運用對講機保持相關(guān)人員之間的通訊。第一發(fā)炮彈為目標(biāo)彈，高速攝影為炮位提供相關(guān)修正數(shù)據(jù)，調(diào)整后，開始正式彈的射擊試驗。當(dāng)操作員發(fā)出射擊指令之后，觸發(fā)高速攝影機并記錄彈丸飛行過程，用PCC軟件截取所需拍攝片段并作保存，以便后續(xù)的結(jié)果處理。圖5為試驗現(xiàn)場效果圖。

圖5 現(xiàn)場效果圖

2.2 試驗原理及測試結(jié)果

首先設(shè)定比例尺，點擊Calibrate，在待測量的圖片上點擊參照水平標(biāo)尺的起始點，在待測的圖片上點擊參照標(biāo)尺的第二點，如圖6所示。在彈出的對話框中輸入?yún)⒄諛?biāo)尺的實際尺寸，系統(tǒng)將自動算出當(dāng)前視頻單位像素代表的實際尺寸。運用軟件中的自動跟蹤標(biāo)記法，以彈丸為設(shè)定的標(biāo)記點，自動跟蹤彈丸軌跡，軌跡越長，所測得的彈丸速度越準確[8-9]。

運用軟件中的兩點法可以測量彈丸的速度，選取彈丸飛行過程中的兩點，根據(jù)設(shè)定的比例尺，可知這兩點之間的距離，從PCC軟件界面可知這兩點之間的幀頻數(shù)，根據(jù)事先系統(tǒng)設(shè)定的幀頻數(shù)，按照比例可以計算出這兩點之間的間隔時間，從而用路程除以時間即可以求出彈丸的飛行速度，以其中一發(fā)彈丸為例，在Result中顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖6 水平標(biāo)尺參照圖

圖7 某彈丸速度測試結(jié)果

3 觀察結(jié)果后處理

3.1 速度對比

試驗采用某型號火炮發(fā)射十發(fā)某型號彈丸選取其中三發(fā)進行比較，其中多普勒雷達、高速攝像機測速測量彈丸飛過標(biāo)尺時的速度試驗結(jié)果見表1。

表1 試驗測試結(jié)果

運用高速攝像機中的兩點法測速得到的結(jié)果與多普勒雷達測速結(jié)果吻合較好，相對測速差值小于7 m/s。

3.2 誤差分析

1) 彈丸飛行的過程中，由于炮手經(jīng)驗或者天氣原因，彈丸不可能嚴格按照理想情況飛行，可能會偏離射擊面方向，從而對結(jié)果有一定的影響。

2) 高速攝影機與待測火炮距離較遠，附近大氣的溫度、壓力、密度和成分存在一定的不確定性，易產(chǎn)生湍流和混濁，導(dǎo)致折射率變化，從而對結(jié)果有一定的影響[10]。

3) 在選取參照點的時候，不能保證兩點之間的距離就是標(biāo)桿的實際距離，從而對結(jié)果有一定的影響。

綜合上述分析，在用高速攝影系統(tǒng)對彈丸的飛行速度進行測量時，需要充分保證試驗場地的開闊，盡量選擇天氣晴朗，風(fēng)級很小的時候進行試驗，同時為了提高在圖像上取點時的精度，應(yīng)根據(jù)具體的試驗選擇一定焦距的鏡頭，從而在客觀條件上盡可能降低結(jié)果誤差，盡量保證試驗現(xiàn)場達到理想狀態(tài)。

4 結(jié)論

1) 論文就已有的彈丸飛行速度的測量方式的缺點，提出應(yīng)用高速攝影系統(tǒng)進行彈丸測速的方案。

2) 按照本文所設(shè)計的方案，應(yīng)用高速攝影技術(shù)進行了試驗，通過高速攝影機將試驗所需的彈丸飛行過程記錄了下來，以便后續(xù)分析。

3) 基于PCC軟件，對標(biāo)尺進行設(shè)置，通過軟件的計算，得到彈丸的實際飛行速度，除此之外還對產(chǎn)生結(jié)果誤差的原因進行了分析并提出了相應(yīng)的改進措施。

4) 經(jīng)過試驗證明，高速攝影技術(shù)能夠可靠地應(yīng)用于高速飛行體的速度測量，與多普勒雷達測速法對比，進一步驗證高速攝影技術(shù)測速的可行性，且該方法顯著提高了試驗的效率，并實現(xiàn)了試驗器材的可重復(fù)利用。今后，還需進一步對高速攝影測速技術(shù)進行優(yōu)化處理從而提高該測速技術(shù)的可靠性，高速攝影測速方法對于提高各專業(yè)人員的實驗水平有一定的借鑒和推廣意義[11]。

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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

國家自然科學(xué)基金(11572291)；山西省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地人才培養(yǎng)項目(20160033,20170028)

湯雪志(1994—)，女，碩士研究生，主要從事彈藥工程與毀傷技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.12.038

本文引用格式：湯雪志，王志軍，尹建平，等.彈丸速度測量的高速攝影試驗研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，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

(責(zé)任編輯唐定國)