自動武器射擊頻率測試技術(shù)研究

，， ，曉龍，

(1.中國人民解放軍海軍航空裝備計量維修中心，上海 200436； 2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

武器射擊頻率通常是指一分鐘內(nèi)連續(xù)射擊的彈丸數(shù)目，是自動武器動態(tài)參數(shù)測試的重要項目之一，同時也是自動武器性能檢測的重要指標[1]，自動武器的射擊精度與之密切相關(guān)，通過協(xié)調(diào)射擊頻率與武器固有頻率的關(guān)系可以減小槍口震動，提高射擊精度[2]。

目前用于自動武器射擊頻率測試的方法主要有檢測后座力法、聲電傳感器法、激光光幕法以及槍口火焰圖像識別法等。檢測后座力法需要將武器安裝到專用工作臺上，在其后座上安裝力傳感器，通過處理后座力曲線得出測量結(jié)果，該方法是一種接觸式測量方法，操作不便；聲電傳感器法利用壓電陶瓷片作為敏感器件，利用控制單元通過脈沖整形、展寬、程序存儲等完成對射擊的計數(shù)和計時[3]，該方法屬于非接觸式測量，但測試精度不高；激光光幕法利用光電檢測的原理對彈丸經(jīng)過光幕時的信號進行捕捉，是一種非接觸式的測量方法，具有抗干擾能力強、靈敏度高等優(yōu)點，但無法對無彈頭射擊進行測試；槍口火焰圖像識別法采用高速錄像方式對武器射擊時槍口火焰有規(guī)律的變化進行實時檢測，通過復(fù)雜的圖像特征提取將其轉(zhuǎn)換為射擊頻率，該方法在亮度較高的環(huán)境下測試容易引入背景噪聲，影響測試精度。以上測試方法各具特點，但又略帶不足。本文提出了一種基于高速攝影技術(shù)的武器射擊頻率測試方法，利用高速相機、半導(dǎo)體激光器、原向反射屏等搭建測試環(huán)境，通過對運動反射光斑的快速捕捉、光斑特征提取來獲取武器自動機位移-時間信息，在準確獲取射擊頻率的同時還可以進一步定性分析武器性能的好壞。

1 測試原理

測試系統(tǒng)由待測目標、高速相機、采集卡、原向發(fā)射屏、一字線形半導(dǎo)體激光器以及相應(yīng)處理軟件組成，其測試原理示意圖如圖1所示。半導(dǎo)體激光器安裝在高速相機鏡頭的正下方，出射激光通過相機鏡頭前方的窄條反射鏡面水平投射到武器自動機的運動平面上，保證覆蓋原向反射屏整個運動行程；自動機上粘貼原向反射屏[4]，會隨著自動機做同步往復(fù)運動，用于將投射來的激光原向反射；原向反射屏反射光斑的整個運動行程由高速相機實時捕捉，通過高速數(shù)據(jù)線纜傳送至計算機，最終利用matlab進行圖像處理獲得位移-時間曲線，從而獲得射擊頻率。

圖1 測試原理圖

由于高速相機的采集頻率高達數(shù)千乃至上萬幅率，即每幀圖像的曝光時間達到微秒級別，實際采集到的高速圖像僅為一個個由原向反射屏反射回來的光斑，如圖2所示。粘貼在自動機上的原向反射屏應(yīng)盡量細小，保證射擊過程中原向反射屏的整個運動行程都不會脫離激光的照射范圍，同時便于光斑的特征信息提取。

圖2 武器自動機運動圖像序列

2 測試系統(tǒng)硬件

2.1 待測對象

待測對象為模擬某型號五連發(fā)自動步槍，其自動機運動行程小于500 mm，射擊頻率不超過500發(fā)/分鐘。

2.2 高速相機與采集卡

針對實際測試需要選擇由德國Mikrotron公司生產(chǎn)的MC1362高速相機，該高速相機被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和汽車行業(yè)，具有低功耗、高速、高分辨率、等優(yōu)點，采用CMOS圖像傳感器，像素尺寸14 μm*14 μm，有效像元面積19.92 mm*14.34 mm，通過外觸發(fā)方式工作(TTL脈沖上升沿/下降沿可設(shè)置)，滿像素拍攝幅率為500 fps，幅率可隨所設(shè)置拍攝圖像的分辨率的減少而增大，最高可達120 kfps，曝光時間最短可設(shè)置為2 μs，充分保證武器自動機運動圖像采集過程中不出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象。實際測試過程中圖像分辨率設(shè)置為1 280*32，拍攝幅率5 kfps，采集深度5 500幀。

作為圖像采集與圖像處理單元的接口，圖像采集卡的主要功能是完成對高速相機的各種控制，包括高速相機的類型選擇、成像像素的起始位置設(shè)定、觸發(fā)方式的配置、觸發(fā)信號的類型選擇、觸發(fā)響應(yīng)時間的設(shè)置以及圖像序列緩存空間大小的設(shè)置等工作。高速相機的像素深度為8bit，根據(jù)計算，在滿像素拍攝幅率工作模式下單幀圖像所需存儲空間大小為：

因此，采用500幀/秒的最高拍攝幅率工作時每秒鐘傳輸數(shù)據(jù)大小為1.25×500=625 MB，即最高拍攝幅率下所需傳輸數(shù)據(jù)帶寬為625 MB/s。為了保證采集的圖像信息準確無丟失的傳輸給數(shù)據(jù)處理單元，選用Dalsa公司生產(chǎn)的型號為X64 Xcelera-CL PX4 Full的圖像采集卡，基于x4以上信道的PCIExpress總線接口，可配置BASE、Medium以及Full的Camera Link高速相機，并且支持多種類型的多通道面陣彩色或單色相機以及多通道線陣掃描的彩色或單色相機，數(shù)據(jù)帶寬能夠高達1 GB/s。

MC1362高速相機自帶與之配套的專用控制軟件，通過安裝該控制軟件后便可通過計算機方便的設(shè)置高速相機的各項參數(shù)，如高速相機的拍攝幅率、像素大小、曝光時間等，使其滿足實際測試需求。高速相機專用控制軟件安裝完成后還需要安裝Sapera LT軟件庫以及圖像采集卡X64 Xcelera-CL PX4 Full驅(qū)動，Sapera LT軟件庫是一套用于圖像的采集、控制以及顯示的獨立于硬件以外的C/C++軟件庫，支持所有的DALSA Coreco硬件平臺。

2.3 相機鏡頭

高速相機以及圖像采集卡確定后還需選擇合適的相機鏡頭，鏡頭參數(shù)的選擇以及質(zhì)量的好壞關(guān)系到反射光斑的成像質(zhì)量，相機鏡頭的選擇可重點考慮如下幾個方面。

1)鏡頭接口：由于MC1362高速相機的接口類型是F口，相機鏡頭的接口選擇主要根據(jù)高速相機的接口類型確定，所以也應(yīng)選擇F接口的鏡頭；

2)鏡頭的像面尺寸：MC1362高速相機圖像傳感器的對角線長度為22.9 mm，相機鏡頭的像面尺寸在選型時必須大于相機光敏面的尺寸，故可選擇規(guī)格為1英寸(23.4 mm)的鏡頭；

3)鏡頭的焦距和視場：可以根據(jù)實際測試環(huán)境中高速相機與待測目標的實際距離以及待測自動機運動行程(相機視場范圍)來選擇參數(shù)合適的鏡頭，為了保證相機鏡頭的視場完全覆蓋自動機的整個運動行程，即相機鏡頭的視角須符合要求。由于待測自動機運動行程最高500 mm，測試垂直距離1.2 m，計算可得相機鏡頭視角應(yīng)大于24°。

選用騰龍的型號為AF28-105 mm的光學(xué)鏡頭進行測試，尼康A(chǔ)F卡口，最大光圈F4-3.6，最小光圈F22，最近對焦范圍0.5 m，焦距范圍28～105 mm，濾鏡直徑62 mm，視角范圍24°～75°。

2.4 半導(dǎo)體激光器

光在光學(xué)系統(tǒng)中傳播時反射鏡面對光的透射、傳播介質(zhì)對光的吸收等都會造成能量的損失，為保證在高拍攝幅率條件下高速相機仍然可以采集到清晰的光斑圖像，光源的選取是一個關(guān)鍵因素，其參數(shù)選擇是否合理直接影響到系統(tǒng)測試的準確度乃至測試的成敗，光源選取應(yīng)遵循如下原則：性能可靠、體積小、供電電壓低、易于集成、輸出功率穩(wěn)定等。

半導(dǎo)體激光器因體積小、供電功率小、轉(zhuǎn)換效率高、可靠性強等優(yōu)點已在許多領(lǐng)域得到廣泛使用，這里選用發(fā)射功率15 mw、扇角60°、波長650 nm的紅光一字線形半導(dǎo)體激光器。主要由半導(dǎo)體激光二極管、恒流驅(qū)動電路、聚焦準直光學(xué)系統(tǒng)、柱面擴束光學(xué)系統(tǒng)、鮑威爾棱鏡、直流穩(wěn)壓電源、外套固件、ATC/APC(自動溫度控制、自動功率控制)等部分組成。

2.5 原向反射屏

測試過程中高速相機需要對運動自動機反射回的光斑圖像進行捕捉，要想獲取反射效果好并且清晰的光斑圖像，需要在自動機運動平面粘貼定向反射介質(zhì)，定向反射介質(zhì)的反射率越高越好。測試系統(tǒng)硬件選用玻璃微珠式原向反射屏進行測試光源反射，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 玻璃微珠原向反射屏結(jié)構(gòu)示意圖

微珠玻璃的制作工藝常為將熔融狀態(tài)的玻璃噴成霧狀微小顆粒，在液態(tài)時表面張力的作用下，通過噴咀氣流速度的控制讓其自行凝結(jié)為圓形球體，并附著在樹脂層的壓敏膠膜上，空氣層的光學(xué)折射率n≈1，玻璃材料的光學(xué)折射率n’≈2，對光路起原向發(fā)射作用的便是玻璃微珠，平行光束照射到玻璃微珠球面體后將匯聚到球面體的后表面，經(jīng)球面體后表面的反射作用，出射光將按入射光束的平行方向返回，為了增大玻璃微珠的反射特性，可在球面體的后表面堵上一層發(fā)射率高的薄膜。

微珠玻璃作為一種物美價廉的定向反射介質(zhì)在光電測試領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。玻璃微珠原向反射屏小巧輕便，粘貼在待測運動目標上即可以實現(xiàn)定向反射的功能，不會對測試目標產(chǎn)生破壞，對被測目標的運動規(guī)律也不會產(chǎn)生任何影響，是輔助自動機運動圖像采集的理想材料。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 高速相機的控制

高速相機以及圖像采集卡的驅(qū)動和軟件庫安裝完成之后，通過CamExpert軟件來編輯實際測試過程中高速相機所需的配置文件，Camera Type設(shè)置高速相機類型為面陣，Color Type與Pixel Depth設(shè)置采集圖像的屬性為單色、8bit，像素編輯區(qū)用于配置水平方向以及垂直方向上的像素起始位置，也就是單幀圖像的成像位置以及以及存儲空間大小。

External Trigger用來設(shè)置高速相機外部觸發(fā)工作方式，觸發(fā)信號可以來自硬件觸發(fā)或者軟件觸發(fā)，軟件觸發(fā)方式可以通過單擊Trigger按鈕來實現(xiàn)，External Trigger Detection用來設(shè)置外部觸發(fā)信號的形式，有四種可供選擇：邏輯高、邏輯低、上升沿和下降沿；External Trigger Level用來設(shè)置觸發(fā)信號的類型，RS-422或者TTL；External Trigger Minimum Duration 用來設(shè)置外部觸發(fā)的響應(yīng)時間；External Trigger Sourse用來設(shè)置觸發(fā)信號的來源；Frame Count per External Trigger用來設(shè)置每次觸發(fā)到來時采集記錄的總幀數(shù)。

配置文件編輯完成后打開SeqGrabDemo.exe進行圖像采集。通過外觸發(fā)的方式SeqGrabDemo.exe將采集的圖像序列存儲至指定路徑，可進行運動圖像數(shù)據(jù)的回放，每一幀運動圖像均被存儲在不同的緩沖區(qū)中，可通過對話框設(shè)置buffer從而改變所采集到的視頻文件的大小。

3.2 視頻-圖像格式轉(zhuǎn)換

高速相機采集到的光斑運動圖像以.avi的視頻格式進行存儲，為了便于后期的光斑特征信息提取，首先需將其轉(zhuǎn)換為圖像序列格式。利用matlab設(shè)計存儲格式轉(zhuǎn)換的程序代碼如下，其中X：為待轉(zhuǎn)換視頻文件的存儲路徑，size函數(shù)用于讀取視頻文件的圖像幀數(shù)，str為待保存的圖像序列命名，保存圖像為.tif格式，imwrite函數(shù)用于將轉(zhuǎn)換好的圖像序列保存到Y(jié)：路徑下。

mov=aviread(‘X: ame.avi’);

fnum=size(mov,2);

s=1;

e=fnum;

for i=s:e

frames=frame2im(mov(i));

str=strcat(‘b’,int2str(i),‘.tif’);

imwrite(frames,strcat('Y:’,str),'tif')

end

圖4 存儲格式轉(zhuǎn)換的程序流程圖

3.3 光斑定位

為了獲取光斑運動位移-時間曲線，首先應(yīng)確定光斑在圖像中的具體位置。利用matlab中的imread函數(shù)讀取一幀圖像，截取光斑中心附近處灰度值分布數(shù)字矩陣如圖5所示，矩陣中每個數(shù)值代表一個像素，其取值都在0～255之間，灰度值越大則表示該像素所代表的反射光斑的能量越大。灰度值大的區(qū)域即為反射光斑的位置，灰度值小的區(qū)域即為光斑的背景，由于光斑區(qū)域與背景區(qū)域在灰度數(shù)值上的差異較大，使得光斑位置提取相對簡單。

圖5 圖像光斑處灰度數(shù)字矩陣

根據(jù)矩陣的數(shù)值特點選用灰度重心算法提取光斑在圖像中的具體位置，其基本原理是以灰度值作為權(quán)值，對矩陣進行積分運算獲取重心。首先應(yīng)根據(jù)測試特點設(shè)定灰度閾值，超過閾值則認為是光斑，對光斑處所有像素位置與灰度值進行積分運算，進而除以光斑處灰度值的和結(jié)果即為光斑重心，關(guān)系式如下所示。其中，I(i,j)代表光斑圖像第i行第j列像素的灰度值，i0和j0代表光斑重心位置，S代表屬于光斑的像素集合。

3.4 位移-時間曲線擬合

光斑準確定位之后需要將圖像序列的光斑重心點位置與采集時間做擬合，實際測試的拍攝幅率是5 kfps，即圖像序列中相鄰光斑的時間間隔是200 μs。由于實際測試環(huán)境的惡劣和強烈的沖擊等因素會引入隨機干擾信號，這里用matlab中medfilt2函數(shù)進行中值濾波，然后用smooth函數(shù)進行9點運動平均平滑，最終利用plot函數(shù)繪制其運動的位移-時間曲線如圖6所示，橫坐標為光斑重心運動的時間，單位ms，縱坐標對應(yīng)光斑重心所在像素的列數(shù)。

圖6 光斑重心運動的位移-時間曲線

4 測試結(jié)果與分析

根據(jù)測得位移-時間曲線可知，光斑重心隨武器自動機做五個周期的同步性運動，像素縱向列數(shù)最大值對應(yīng)射擊的起始時刻，像素縱向列數(shù)的最小值對應(yīng)武器自動機運動的最大位移時刻，利用data cursor標注曲線中第一發(fā)和第五發(fā)射擊時光斑運動的最大位移點，如圖6所示，兩點的橫坐標分別為0.246 2和0.846，即第一發(fā)和第五發(fā)射擊的時間間隔為0.599 8 s，由此可計算武器射擊頻率為400發(fā)/分鐘，與設(shè)置標稱頻率相符。

后期如果對位移-時間曲線做進一步微分運算，還可得出光斑運動的速度-時間曲線，從而定性分析武器射擊的能量是否均勻、震動規(guī)律是否合理以及自動機運動有無故障等武器性能的好壞。

5 結(jié)論

本文提出了利用高速攝影技術(shù)測試自動武器射擊頻率的方法。該方法利用武器射擊過程中自動機運動頻率與其射擊頻率一致的特點，利用一字線形半導(dǎo)體激光器作為測試光源通過鏡頭正前方的窄條反射鏡面投射到自動機運動平面上，利用高速相機對原向反射屏反射回來的光斑運動圖像進行捕捉，通過matlab處理獲得其運動的位移-時間曲線，依此計算射擊頻率。通過對自動槍械模擬器五連發(fā)實際測試，驗證了測試方法的可行性。