光電彈著點坐標(biāo)檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

劉 吉，蘇凝鋼，武錦輝，張建宏，金 源，于麗霞

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室， 太原 030051;2.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 太原 030051)

彈著點檢測技術(shù)在武器研究、日常打靶訓(xùn)練中具有廣泛的用途，而且彈著點精度測試是武器研制、校驗、檢測等過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，是研究武器射擊精度、評價武器系統(tǒng)效能的關(guān)鍵設(shè)備[1-2]。在傳統(tǒng)的彈著點檢測中往往通過人工判讀報靶，時效性低，準(zhǔn)確度受到人為因素和靶紙分辨率的影響而難以保證，已經(jīng)越來越無法滿足當(dāng)前武器系統(tǒng)測試和軍事訓(xùn)練的高要求。隨著傳感器技術(shù)快速發(fā)展，比如聲電傳感器、光電傳感器的發(fā)展，使得現(xiàn)在的彈著點檢測方法向聲、光、電等自動測試方向發(fā)展[3]，其中主要有線圈靶、聲電定位靶[4]、光幕靶、CCD光電靶、光纖編碼靶等一系列新型的測量系統(tǒng)。光電測試技術(shù)作為靶場測試技術(shù)的一部分，如天幕靶，光幕靶等光電測量技術(shù)，與其他武器測試技術(shù)相比，具有非接觸、高精度、實時性、自動性高等特點，不受地形影響、安全性高，而且使得原來一些無法測量的參數(shù)現(xiàn)在變得可能，目前利用光電檢測技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了彈道多個參數(shù)的同時測量[5]。光電檢測技術(shù)在武器研究、測試方向的快速發(fā)展反過來也加速了武器制造的升級換代，使得武器的射頻越來越高，比如澳大利亞的“金屬風(fēng)暴”，美國的“雷神”等新型高端武器，因此光電檢測技術(shù)在兵器測試與試驗技術(shù)方向的研究，對于提升我國國防工業(yè)的整體水平具有重大的意義。

目前光電彈著點坐標(biāo)檢測的方法主要由天幕立靶、組合光幕靶、CCD成像等組成，為了使得廣大研究人員對各個測試方法更好的了解，本文回顧與展望了一些常用光電測試技術(shù)的主要研究現(xiàn)狀和進展，并且分別介紹了這些方法的原理知識，分析了不同方法的優(yōu)缺點，最后展望了未來光電彈著點檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 彈著點坐標(biāo)光電檢測及發(fā)展歷程

光電檢測技術(shù)是利用電子技術(shù)對于光學(xué)信號進行檢測，然后通過光電探測器器件將光學(xué)信號(光通量變化)變換為電信號，然后進一步經(jīng)過硬件電路放大、信號處理以達到輸出電信號的目的。光電檢測的系統(tǒng)包括信號的處理器、受光器(光敏元件)、光源，在實際檢測過程中光敏元件感應(yīng)光源照在探測器上光通量的變化，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換將光通量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖兓?，最后?jīng)過一系列電信號處理實現(xiàn)對各種量的測量。這種測量方法具有高時效性、高精度、非接觸測量等優(yōu)點。在測量彈丸時，彈丸經(jīng)過光幕會引起光幕中光信號的變化，然后經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后會反映出彈丸的速度或者彈丸入射的坐標(biāo)，因此隨著武器技術(shù)的發(fā)展和軍事上的迫切需求，武器發(fā)射彈丸的頻率越來越高，通過光電檢測技術(shù)測量彈丸著靶點的優(yōu)點越來越凸顯，對這種技術(shù)的研究受到國內(nèi)外眾多單位和公司的關(guān)注，且深受兵器試驗行業(yè)試驗人員的喜愛[6-9]。

武器彈丸的著靶點測量，從上個世紀(jì)到現(xiàn)在經(jīng)歷了由接觸式測量到非接觸式測量的轉(zhuǎn)變，非接觸式測量比起接觸式測量方式，安全性得到了很大提升，并且精度高、實時性好，尤其是光電檢測技術(shù)在彈丸著靶點方向的研究，目前光電檢測測試武器精度方法主要有天目靶、組合光幕靶、CCD成像法等，這些新技術(shù)因其優(yōu)越的性能引起了國內(nèi)外相關(guān)單位和公司的關(guān)注。

國外對于光電檢測測量彈著點坐標(biāo)的主要有奧地利、德國、英國、美國等國家[10-12]，其中典型的是奧地利的HPI公司(一家專門從事靶場內(nèi)外彈道試驗參數(shù)測試儀器研制的機構(gòu))，其中B572-TS光幕靶(見圖1)，每分鐘可以測試2萬發(fā)彈丸的著靶點坐標(biāo)與速度，坐標(biāo)精度低于5 mm，測試靶尺寸達到1 000 mm×1 000 mm，B214型多參數(shù)測試系統(tǒng)可同時完成速度、射頻和射擊密集度的測量；奧地利AVL公司的B570采用了多光幕測試法，靶區(qū)面積400 mm×400 mm，精度可達2 mm；德國DRELLO公司研制的TS 723光學(xué)靶(見圖2)，坐標(biāo)測量精度±5 mm；英國MSI公司研制生產(chǎn)的868型光學(xué)靶，也可以用于彈丸著靶坐標(biāo)點的測量，而美國Oehler公司專門研究彈丸初速測試儀器；德國KURZZEIT公司也對光幕靶進行了研究，主要產(chǎn)品是紅外測速光幕靶，Oehler和KURZZEIT兩家公司主要是用于彈丸飛行速度的測量，用于彈丸著靶點坐標(biāo)測量的產(chǎn)品較少。

國內(nèi)對于光電檢測技術(shù)測量武器性能的研究從1985年開始，主要研究高校有南京理工大學(xué)、中北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、裝甲兵工程大學(xué)等軍工院校。光電檢測技術(shù)用于彈著點坐標(biāo)測量的主要分為天幕靶[13-19]、光幕靶[20-27]、CCD成像法[28-33]等。

西安工業(yè)大學(xué)對于多光幕天幕立靶的研究尤為深入[14-15,17]，比如該學(xué)校研制的LB-1型天幕立靶測量系統(tǒng)、XGK-05型天幕立靶、XGK-06-4型四光幕天幕靶，以及在四光幕基礎(chǔ)上再增加幾個光幕，構(gòu)成多光幕天幕立靶結(jié)構(gòu)，比如六光幕等多光幕天幕立靶，解決了彈道斜入射，使四光幕天幕靶測量誤差較大問題得以解決，主要產(chǎn)品有XGK -05型天幕立靶測量系統(tǒng)、XGK-06-4型四光幕精度靶、XGK-2006型六光幕精度靶等。

組合光幕靶通常采用激光或者紅外光幕組合的方式，構(gòu)建光控開關(guān)系統(tǒng)進行彈著點坐標(biāo)測量，如南京理工大學(xué)于紀(jì)言等基于提取過靶時刻的方式，提出了線激光反射結(jié)構(gòu)“Z”型的組合光幕靶，相對位置最大誤差為1 mm；中北大學(xué)張建平等[23]提出了一種“N”型光幕的彈著點坐標(biāo)測試方法，理想坐標(biāo)測試精度可優(yōu)于±2.5 mm；另外，還有將激光整形成三角扇形光幕，可組合成小面積三角光幕或者大三角光幕，如裝甲兵工程學(xué)院的何凱平等[27]研究了大面積三角組合光幕，解決了超高射頻彈幕武器立靶密集度測試的難題，具有光幕面積大、精度高、安裝方便等特點。

CCD成像法主要由雙CCD交匯立靶測量和單CCD原向反射式測量兩種。中北大學(xué)曾光宇、王英等[29]對于CCD成像法提出了雙線陣CCD交匯測量立靶方法，經(jīng)測試，彈丸坐標(biāo)測量精度十分理想；西安工業(yè)大學(xué)對于雙CCD測量原理也有研究，如XGK-CCD-1000型室內(nèi)CCD精度靶，薛淑磊、王澤民等[30]針對CCD交匯測量系統(tǒng)初始標(biāo)定困難等問題，提出了一種基于測量模型的自動標(biāo)定方法，測量精度可達到4mm，由于雙CCD交匯立靶存在一些安裝困難，有研究者提出了單CCD原向反射式測量方法，主要有中北大學(xué)霍晗、趙冬娥等[32]以及西安工業(yè)大學(xué)李瑤、馬衛(wèi)紅等[33]，提出采用3個已知坐標(biāo)點，然后利用實像和虛像的成像位置，計算出系統(tǒng)的各項外部參數(shù)得出彈丸著靶點坐標(biāo)，提高了測試精度及效率。

以上分析了各個光電彈著點檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀，通過對每種方法的細(xì)致研究，我們會發(fā)現(xiàn)每種方法都會有優(yōu)點和缺點。首先天幕立靶方法立靶操作簡單、成本較低、靶面較大，但是太過于依賴于自然光，不適用于室內(nèi)和光線較暗的環(huán)境中，另外天幕光幕厚度較大、厚度不均勻，會影響測試的精度；組合光幕立靶方法與天幕立靶方法相比，不用依賴于自然光，使用的是人造光源，因此在光線較暗的環(huán)境中可使用，雖然測試精度提高不少，但是在光學(xué)結(jié)構(gòu)上要求較高、構(gòu)造較復(fù)雜，不易于構(gòu)造大靶面；CCD成像法精度也較高，但是依賴于CCD坐標(biāo)標(biāo)定的精確度和安裝調(diào)試較難，下面我們分別從原理上分析各種測試方法。

2 彈著點坐標(biāo)光電檢測原理

2.1 天幕靶

天幕靶是以亮的天空為背景，不依賴于人造光源，通過光學(xué)成像透鏡和置于透鏡焦平面上的狹縫在空中形成幾道扇形光幕，形成虛擬靶面[14-15]，原理圖如圖3，這樣當(dāng)高速飛行的彈丸進入該視場，會將進入狹縫光闌部分光纖遮擋住，再經(jīng)過光電探測器將光通量變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栕兓?/p>

研究人員一般根據(jù)這個原理并結(jié)合預(yù)先設(shè)計好的狹縫位置、組合方式等建立起數(shù)學(xué)模型，根據(jù)幾何關(guān)系和光幕光通量變化引起電信號變化記錄的時間來確定彈丸著靶點坐標(biāo)以及速度。根據(jù)組合光幕方式的不同，天幕靶一般分為單鏡頭單狹縫、單鏡頭多狹縫、多鏡頭多狹縫等，經(jīng)過組合之后形成的多光幕天幕立靶[16-19]可在一次射擊過程中同時測量彈丸的各種參數(shù)，包括彈丸的彈序、速度、速度方向以及著靶坐標(biāo)，并且該方法已經(jīng)在靶場試驗中得到了有效證實。

其中四光幕天幕立靶是由四個性能相同的天幕靶按照一定的幾何關(guān)系構(gòu)成測試系統(tǒng)，可同時有效測量飛行彈丸的速度和著靶位置[17]，一般在室外使用，適用于較大口徑彈丸測量，但是有一定的局限性，前提條件是要求實際彈道能夠垂直于測試靶面或者成較小的角度，否則誤差很大。四光幕天幕靶如圖4所示。

在四光幕基礎(chǔ)上再有效增加兩個光幕，組成如圖5所示的雙N型六光幕天幕陣列測試系統(tǒng)，這樣可以解決斜入射帶來的測量誤差問題，連發(fā)射擊時能夠同時完成每發(fā)彈丸著靶位置、飛行速度和方向的測試。還有研究人員研究了雙V型六光幕天幕陣列結(jié)構(gòu)和雙平行六光幕天幕陣列結(jié)構(gòu)，兩個都是將G1、G6光幕相互平行并與預(yù)設(shè)彈道方向垂直，G2、G3，G4、G5兩兩成V字型或者兩兩平行結(jié)構(gòu)。這樣通過基本天幕靶幾何結(jié)構(gòu)的不同組合構(gòu)成了不同的測試系統(tǒng)。如圖6所示。

天幕光幕立靶結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)試安裝，但是它依賴于自然光，不適用于室內(nèi)或亮度不夠的室外，另外天幕光幕厚度不夠均勻，測量誤差較大。

2.2 組合光幕靶

組合光幕靶通常采用激光、紅外光或者LED等人工光源，形成多光幕組合交匯立靶方式構(gòu)建光控開關(guān)進行測量，當(dāng)飛行彈丸經(jīng)過光幕，通過提取彈丸穿過光幕的時刻信號以及探測器信號求取彈丸坐標(biāo)以及飛行速度。

典型的光幕組合為激光器與光電接收器件點對點組合成光幕[20]，這樣相當(dāng)于靶紙網(wǎng)格一樣，這樣彈丸經(jīng)過該組合光幕時會引起相應(yīng)探測器光電信號的變化，然后提取對應(yīng)探測器的坐標(biāo)，可以得出彈丸過靶時候的坐標(biāo)，如果設(shè)置兩個同樣的光幕并按前后一定距離放置，還可以測量飛行彈丸的速度。這種結(jié)構(gòu)雖然計算簡單，但是實現(xiàn)高分辨率需要的激光器數(shù)量巨大，且光路對準(zhǔn)比較困難，分辨率還受限于激光器的外形尺寸，測量精度不高。點對點組合光幕陣列如圖7所示。

為了解決激光器與探測器點對點難以對準(zhǔn)的問題，有研究人員提出了平行矩形光幕組合方案，也就是激光器出射光經(jīng)過平行光透鏡(如菲涅爾透鏡)后形成平行光幕(見圖8)，這樣幾個探測器對應(yīng)一個激光器，這樣的結(jié)構(gòu)減少了激光器的使用數(shù)量，精度較之點對點有所提高，另外還可以采用平行矩形光幕、反射鏡和探測器結(jié)合的方式(見圖9)，用多個反射鏡將平行光幕反射形成多個光幕[21]，這樣也可以利用幾何關(guān)系計算測量高速彈丸的著靶點位置和速度，按照激光器和反射鏡的放置位置可以組成N形、Z形等結(jié)構(gòu)的多光幕組合[21-26]。這種利用平行光幕的方式雖然精度較高，且使用激光器數(shù)量較少，但是在形成平行矩形光幕時，光學(xué)系統(tǒng)較復(fù)雜，不易構(gòu)建大靶面。

小面積三角組合光幕是由激光器、激光整形光學(xué)系統(tǒng)、探測器陣列組成三角光幕光電開關(guān)系統(tǒng)。整形光學(xué)系統(tǒng)將激光整形成扇形光幕，然后多個三角光幕無縫疊加組成測量光幕，這種結(jié)構(gòu)比平行光幕擴展得更開，激光器使用數(shù)量少，但是上下三角光幕拼接在一起的時候容易出現(xiàn)縫隙或者重疊，穩(wěn)定性差。小面積三角光幕陣列如圖10所示。

大面積三角組合光幕設(shè)計成能量均勻分布的線激光對應(yīng)一條探測器陣列的結(jié)構(gòu)[27]，如圖11所示，兩束激光形成兩道三角光幕，光幕重疊部分為有效靶面，取有效靶面中最大正方形為規(guī)則靶面，即虛擬靶面，彈丸穿過有效靶面就能測出彈丸坐標(biāo)，這樣的設(shè)計結(jié)構(gòu)更加開放，結(jié)構(gòu)簡單，容易構(gòu)建大靶面，理論上測試精度很高，但是和2.2.3節(jié)小面積三角光幕一樣，要求拼接的幾個光幕都在同一個面內(nèi)，不然就會引入一定的誤差，影響精確度。

2.3 CCD成像法

2.3.1雙CCD交匯立靶

雙CCD交匯立靶就是依照人眼視覺原理，在豎直平面內(nèi)放置兩個線陣CCD相機，兩相機的光軸交于空間某一點，構(gòu)成一個豎直的光電測量靶面，以兩相機光學(xué)中心連線為X軸，以垂直于連線的軸線為Y軸[28-30]。當(dāng)高速飛行的彈丸經(jīng)過靶面上一點時，彈丸會對背景光形成部分遮擋，兩CCD相機上各有一個像點與這個點相對應(yīng)，然后經(jīng)過圖像處理算法進行處理得到彈丸中心圖像像素坐標(biāo)，進而通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換解算出彈丸的著靶位置坐標(biāo)。雙CCD交匯立靶示意圖如圖12所示。

作為一種非接觸式光電測試技術(shù)，雙CCD交匯立靶結(jié)構(gòu)簡單、易操作、測量精度較高，因此能夠精確測量彈丸的立靶精度，很適合于靶場測試，對于我國靶場測試水平的提高和新型武器的研制具有重要的意義。但是雙CCD相機交匯結(jié)構(gòu)要求兩CCD的視場要調(diào)整到同一個平面內(nèi)，這個過程比較困難，容易由于立靶結(jié)構(gòu)偏差引入誤差導(dǎo)致測量誤差。另外CCD相機的觸發(fā)信號要求高度靈敏，所以對于相機觸發(fā)信號研究也是未來的一個研究方向。

還有研究人員采用多CCD交匯立靶法[31]，與雙CCD交匯法相比，提高了高速小尺寸目標(biāo)信號捕獲率，逐漸成為動態(tài)飛行目標(biāo)跟蹤測量應(yīng)用的研究熱點。

2.3.2單CCD立靶

雙CCD交匯立靶中存在的不足，制約了其在靶場試驗中的推廣，有高校研究人員提出了單CCD立靶測量原理[32,33]，該結(jié)構(gòu)由一臺線陣CCD相機，一個像光源激光器以及靶架上粘貼“L”型原向反射膜組成，其基本原理如圖13所示，線激光器A將激光照在原向反射膜上，當(dāng)有彈丸高速通過時，會將照射到反射膜上的光線遮擋住,形成B點，此時可以用CCD接收原向反射膜上返回的其他大部分光，這樣CCD上形成了一個彈丸的投影B′，而彈丸本身E也會被CCD拍攝到，計為E′。因此利用單CCD立靶幾何關(guān)系以及CCD上接收到的兩個像點坐標(biāo)可計算出彈丸的著靶坐標(biāo)。

單CCD立靶測試法與雙CCD交匯法相比，不需要將兩CCD放置在同一個視場內(nèi)，結(jié)構(gòu)更加簡單，成本低，安裝調(diào)試較簡單，能夠快速且精確地對系統(tǒng)的各項參數(shù)進行標(biāo)定，極大提高了測試精度及效率，但是這種方法需要預(yù)先標(biāo)定知道激光出射的坐標(biāo)A，但是在標(biāo)定過程中會引入一定的誤差，所以會對精度造成一定的影響。

3 發(fā)展趨勢

隨著光電檢測技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，彈丸著靶點坐標(biāo)和彈丸速度等各項參數(shù)的測量可以高速完成，且精度較高，極大地提高了靶場試驗效率，減少了操作失誤，安全性更高，但是隨著武器系統(tǒng)的快速發(fā)展以及高性能武器的需求，給武器試驗與測試提出了更高的要求，進而對于光電檢測技術(shù)的要求也越來越高。

通過對幾種測試方法的細(xì)致研究會發(fā)現(xiàn)，隨著武器系統(tǒng)的快速升級，射頻和射速越來越高，組合光幕法和CCD成像法在未來的武器性能測試中會發(fā)揮越來越重要的作用，因此這兩種方法具有發(fā)展前景。

為了使得組合光幕和CCD成像方法在未來的武器系統(tǒng)性能測試方面發(fā)揮巨大的作用，現(xiàn)階段面臨著極大技術(shù)難題，未來要做的就是克服這些技術(shù)障礙，讓光電彈著點檢測技術(shù)邁上一個新的臺階：

1) 探測器響應(yīng)度越來越高。超高射頻武器的出現(xiàn)，比如“金屬風(fēng)暴”，每分鐘射出幾萬發(fā)子彈。還有的武器的射速非常高，每秒鐘達到十幾公里，這樣超高射頻和射速的武器要求光電檢測探測器響應(yīng)速度和靈敏度越來越高，因此對于光電探測器的研究越來越關(guān)鍵。

2) 測試靶面越來越大。散布較大彈丸測量，如雙管武器系統(tǒng)、陣列炮管等彈幕武器，要求探測的靶面越來越大，有的可達到10m×10m，而且要求多目標(biāo)同時測量，迫切需要一種有效靶面大的非接觸式測試方法，未來我們將要改進光電檢測技術(shù)實現(xiàn)大靶面系統(tǒng)測量。

3) 靶距測量越來越精確。對于武器測量精確度的高要求需要對多光幕之間靶距精確測量，來使測量精度滿足武器測試的需求，因此將來我們要采用新型技術(shù)實現(xiàn)智能識別靶距，減小測量的誤差。

4) 相機標(biāo)定越來越精確。相機標(biāo)定技術(shù)越來越精確會使得我們對于武器參數(shù)的測試更加精確。

4 結(jié)論

彈丸著靶點坐標(biāo)測量以及測速系統(tǒng)的建立仍需進一步研究，并且隨著技術(shù)的越來越完善，測量誤差必將越發(fā)減小，為武器研制、試驗提供支撐。