阅读说明：本技术 一种易碎型穿甲弹动态靶实验破片多参数测量系统和方法 (Fragile armor-piercing projectile dynamic target experiment fragment multi-parameter measurement system and method ) 是由 吴学成 薛志亮 周永刚 吴迎春 于 2019-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种易碎型穿甲弹动态靶实验破片多参数测量系统和方法,属于易碎型穿甲弹动态靶实验破片参数测量技术领域,测量系统包括：弹道枪,用于发射易碎型穿甲弹；装甲钢板,实验靶,易碎型穿甲弹撞击所述装甲钢板后形成破片；测速模块,测量易碎型穿甲弹的速度；脉冲激光器模块,朝向所述破片发出激光；CCD相机组,用于记录所述破片不同时刻的全息图；时序控制模块,用于接收测速模块的电压信号,按照预设时序发出脉冲激光器出光电压信号和CCD相机开始曝光电压信号；计算模块,用于采集CCD相机记录的破片全息图并用全息图重建软件,得到所述破片的大小、形状、三维速度及加速度参数。能够获得破片的大小、形状、三维速度及加速度参数信息。(The invention discloses a fragile armor piercing projectile dynamic target experiment fragment multi-parameter measurement system and a fragile armor piercing projectile dynamic target experiment fragment multi-parameter measurement method, which belong to the technical field of fragile armor piercing projectile dynamic target experiment fragment parameter measurement, and the measurement system comprises: a ballistic gun for firing frangible armor-piercing projectiles; the armor plate is used for carrying out the test, and the fragile armor-piercing projectile impacts the armor plate to form fragments; the speed measuring module is used for measuring the speed of the fragile armor-piercing projectile; a pulsed laser module that emits laser light toward the fragment; the CCD camera set is used for recording the holograms of the fragments at different moments; the time sequence control module is used for receiving the voltage signal of the speed measuring module and sending out a pulse laser light-emitting voltage signal and a CCD camera exposure starting voltage signal according to a preset time sequence; and the calculation module is used for acquiring the fragment hologram recorded by the CCD camera and reconstructing software by using the hologram to obtain the size, the shape, the three-dimensional speed and the acceleration parameter of the fragment. The size, shape, three-dimensional speed and acceleration parameter information of the fragment can be obtained.)

一种易碎型穿甲弹动态靶实验破片多参数测量系统和方法

技术领域

本发明涉及易碎型穿甲弹动态靶实验破片参数测量技术领域，具体地说，涉及一种易碎型穿甲弹动态靶实验破片多参数测量系统和方法。

背景技术

随着装甲防御技术的快速发展，反装甲武器应运而生。易碎型穿甲弹是一种拥有穿甲弹和榴弹特点的新型弹药，该弹的弹芯材料不仅可以像常规穿甲弹那样穿透坦克的防护装甲，而且弹芯穿透装甲进入目标内部后，在冲击波的作用下分解成大量的高速破片造成对装甲后方目标的有效二次面打击，达到打击有生力量、重创机载设备和击穿、引爆来袭目标的目的。易碎型穿甲弹兼具较强侵彻能力和大威力破片群二次打击能力，对装甲防护目标能起到很好的打击效果，具有较高的研究价值和应用前景，对我国武器弹药的完善和发展有着积极意义。

为了研究易碎型穿甲弹弹体材料性能对侵彻能力和破碎特性的影响规律，获得表征易碎型穿甲弹性能的特征参数，需要开展易碎型穿甲弹动态靶实验。现有技术主要通过分析后效靶的毁伤情况来表征易碎型穿甲弹的性能，包括后效靶上孔洞大小、位置分布及凹坑深度。同时借助数值模拟获得弹体穿过装甲钢板的破碎情况。虽然数值模拟可以获得易碎型穿甲弹穿过装甲钢板形成破片的大小和分布情况，但需要实验验证。一般易碎型穿甲弹飞行速度高达1200m/s，形成破片的速度与弹体的速度相近。为了对高速运动破片的图像进行记录，要确保图像的曝光时间足够短，以减少高速运动引起的图像模糊失真。

为了获得破片的速度和加速度，需要连续记录多帧破片图像，同时为了得到破片的形状，必须提高记录相机的分辨率。现有的高帧率高分辨率相机价格昂贵，且对我国实行禁运和技术封锁。关于易碎型穿甲弹动态靶实验破片的多参数测量，国内外尚未查到相关资料。

因此，如何实现易碎型穿甲弹动态靶实验破片的多参数测量，发展我国自主知识产权的高速运动目标多参数测量技术具有十分重大的意义。

发明内容

本发明的目的为提供一种易碎型穿甲弹动态靶实验破片多参数测量系统和方法，能够实现易碎型穿甲弹穿过装甲钢板形成高速运动破片多帧图像的记录，获得破片的大小、形状、三维速度及加速度参数，可以准确的表征易碎型穿甲弹的性能。

为了实现上述目的，本发明提供的易碎型穿甲弹动态靶实验破片多参数测量系统包括：

弹道枪，用于发射易碎型穿甲弹；

装甲钢板，实验靶，易碎型穿甲弹撞击所述装甲钢板后形成破片；

测速模块，测量易碎型穿甲弹的速度；

脉冲激光器模块，朝向所述破片发出激光；

CCD相机组，用于记录所述破片不同时刻的全息图；

时序控制模块，用于接收测速模块的电压信号，按照预设时序发出脉冲激光器出光电压信号和CCD相机开始曝光电压信号；

计算模块，用于采集CCD相机记录的破片全息图并用全息图重建软件，得到所述破片的大小、形状、三维速度及加速度参数。

上述技术方案中，能够实现易碎型穿甲弹穿过装甲钢板形成高速运动破片的多帧图像连续记录，通过破片特征匹配及互相关位移算法，获得破片的大小、形状、三维速度及加速度参数，可以更准确的表征易碎型穿甲弹的性能。

为了获得高速运动破片的多帧图像，作为优选，脉冲激光器模块包括三台激光器，三台激光器之间设有合束棱镜组，三台激光器发射的激光经合束棱镜组合束后同光轴。三台激光器的合束光路上设有用于对合束后的激光进行扩束和准直的扩束准直器。通过扩束准直器后光束直径相同，能量分布均匀。

同时，CCD相机组包括两台CCD相机，两台CCD相机之间设有分光立方体，信号光束经过分光立方体的分束到达两台CCD相机的光程相等。为了利用两个CCD相机记录三个不同时刻破片的全息图，时序控制模块控制第一台CCD相机曝光时间段内第一台激光器出光，第二台CCD相机曝光时间段内第二台激光器和第三台激光器出光。激光器出光的时间间隔根据易碎型穿甲弹的速度可调。

一般易碎型穿甲弹穿过装甲钢板形成破片的平动速度大于转动速度，为了观测破片平动的同时得到破片的转动参数，要求两帧图像中破片有明显的转动角度，优选的第一台激光器和第二台激光器出光时间间隔是第二台激光器和第三台激光器的两倍。

作为优选，脉冲激光器模块发出的激光经过破片后的光路上设有用于扩大测量视场的两片透镜和设于两片透镜之间的滤光片模块；为了提高信噪比，减弱高速碰撞产生等离子体自发光对记录全息图质量的影响，滤光片模块包括532nm滤光片和中性衰减片。信号光和自发光经过第一片透镜后被汇聚，光斑减小，滤光片模块位于两透镜中间，滤光片和衰减片的尺寸可以小于测量视场，且系统布局跟紧凑。

易碎型穿甲弹撞击装甲钢板形成的破片速度达上千米每秒，现有CCD相机曝光时间为微秒级，曝光时间内破片运动距离达到几毫米，导致CCD相机记录到的基本都是破片的拖影。为了减少高速运动引起的图像模糊失真，采用纳秒级脉冲激光器作为光源，控制CCD相机开始曝光时间和激光出光时间，在CCD相机的曝光时间内激光出光，CCD相机接收信号光的时间等于激光器的脉宽，实际上CCD相机的有效曝光时间等于激光器的脉宽。优选的，纳秒级脉冲激光器的脉宽小于50ns。

本发明提供的易碎型穿甲弹动态靶实验破片多参数测量方法，基于上述易碎型穿甲弹动态靶实验破片多参数测量系统实现，包括以下步骤：

(1)采用弹道枪发射易碎型穿甲弹；

(2)测速模块获得易碎型穿甲弹的速度，计算易碎型穿甲弹到装甲钢板的时间，发出电压信号；

(3)时序控制模块收到测速系统的电压信号，按照预设时序发出脉冲激光器出光电压信号和CCD相机开始曝光电压信号；

(4)易碎型穿甲弹撞击装甲钢板形成破片，脉冲激光器模块出光，CCD相机组记录破片全息图；

(5)利用数字全息重建软件对破片全息图进行重建，获得易碎型穿甲弹撞击装甲钢板不同时刻破片的大小、形状和三维位置；

(6)计算破片的三维位移，根据激光器的出光时间间隔得到破片的三维速度和加速度。

为了获得破片的加速度参数，需要3帧不同时刻破片的全息图，作为优选，步骤(4)包括：

时序控制模块首先控制第一台CCD相机曝光时间段内第一台激光器出光；

然后控制第二台CCD相机曝光时间段内第二台激光器和第三台激光器先后出光。相当于一帧图像记录了两个不同时刻的破片全息图。

重建不同时刻破片的全息图，获得破片的大小和形状参数，由于碰撞形成的破片形状不一，利用破片的形状特征匹配两帧图像中的破片。为了得到破片的速度，首先要获得破片的位移，作为优选，步骤(6)中，x和y方向的位移计算根据不同时刻重建破片形状的互相关特征求得，具体的过程是：首先从重建图像获得第一帧图像中破片的形状；然后通过横向和纵向扫描的方法计算第二帧图像中匹配破片的互相关系数；最后求取互相关系数的最大值，最大值对应的横坐标为x方向的位移，纵坐标为y方向的位移。

为了提高破片z轴方向位移的准确性，z方向的位移计算根据不同时刻重建破片聚焦曲线的互相关特征求得，具体的过程是：重建时保存破片的聚焦曲线；计算匹配破片聚焦曲线的互相关系数，求取互相关系数最大值，最大值对应的坐标为z轴方向位移。

为了提高破片速度测量的准确性，破片速度根据第二台CCD相机记录的两个不同时刻破片全息图求得，第二台CCD相机采用单帧双曝光的方法记录了两个不同时刻破片的全息图，破片在图像中的位移只因破片的移动造成。相比于利用第一台CCD相机和第二台CCD相机中第一帧或第二帧图像计算位移，不引入相机空间位置不同所造成的误差。

为了提高破片加速度测量的准确性，根据第一台CCD相机与第二台CCD相机记录的不同时刻破片全息图得到不同时刻破片的速度，进一步计算破片的加速度，这样减小了相机空间位置不同所造成的误差。

由于易碎型穿甲弹穿过装甲钢板形成破片的平动速度大于转动速度，为了提高破片转动速度测量的精度，优选的破片的转动速度根据第一台CCD相机与第二台CCD相机第二时刻记录图像中破片旋转匹配得到。具体的过程是：首先匹配两帧图像中的破片，再将前后两帧图像中的破片融合在一张图片上；然后正向、反向旋转第一帧图像中的破片，同时求两帧图像的互相关系数；求互相关系数的最大值，最大值对应的角度即破片旋转角度；最后根据时间间隔计算旋转角速度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的易碎型穿甲弹动态靶实验破片多参数测量系统和方法，能够实现易碎型穿甲弹穿过装甲钢板形成高速运动破片的多帧图像连续记录，通过破片特征匹配及互相关位移算法，获得破片的大小、形状、三维速度及加速度参数，可以更准确的表征易碎型穿甲弹的性能。

附图说明

图1为本发明实施例中测量系统的系统图；

图2为本发明实施例中测量系统的时序示意图；

图3为本发明实施例中测量方法得到的破片形状；

图4为本发明实施例中测量方法得到的破片聚焦曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1，本实施例的易碎型穿甲弹动态靶实验破片多参数测量系统包括破片生成模块1、测速模块2、脉冲激光器模块、合束棱镜组、扩束准直器5、透镜组、滤光片模块、CCD相机组、分光立方体9、时序控制系统10、计算模块11。

具体的，破片生成模块1包括弹道枪101、测速探测器102、易碎型穿甲弹103、装甲钢板104、破片105、后效靶106。脉冲激光器模块包括激光301、激光器302和激光器303。合束棱镜组包括合束棱镜401和合束棱镜402。透镜组包括透镜601和透镜602。滤光片模块包括532nm的滤光片701和中性衰减片702。CCD相机组包括CCD相机801和CCD相机802。

其中易碎型穿甲弹撞击装甲钢板形成的破片速度达上千米每秒，现有CCD相机曝光时间为微秒级，曝光时间内破片运动距离达到几毫米，导致CCD相机记录到的基本都是破片的拖影。为了减少高速运动引起的图像模糊失真，采用纳秒级脉冲激光器作为光源，控制CCD相机开始曝光时间和激光出光时间，在CCD相机的曝光时间内激光出光，CCD相机接收信号光的时间等于激光器的脉宽，实际上CCD相机的有效曝光时间等于激光器的脉宽，纳秒级脉冲激光器的脉宽为10ns。

为了获得高速运动破片的多帧图像，脉冲激光器模块中各激光器的出光经过合束棱镜组合束后同光轴，通过扩束准直器后光束直径相同，能量分布均匀，且信号光束经过分光立方体到达两个CCD相机的光程相等。

为了精确的控制CCD相机曝光，激光出光，设计时序控制模块10接收测速模块2的电压信号，然后按照预先设定的时间序列分别发出电压信号控制CCD相机开始曝光，激光器出光。时序示意图如图2所示，时序控制模块10控制CCD相机801曝光时间段内激光器301出光，CCD相机802曝光时间段内激光器302和激光器303出光。

一般易碎型穿甲弹穿过装甲钢板形成破片的平动速度大于转动速度，为了观测破片平动的同时得到破片的转动参数，要求两帧图像中破片有明显的转动角度，设置激光器301和激光器302的出光时间间隔为20μs，激光器302和激光器303的出光时间间隔为10μs。

为了提高信噪比，减弱高速碰撞产生等离子体自发光对记录全息图质量的影响，采用滤光片模块过滤自发光。信号光和自发光经过透镜组的透镜后被汇聚，光斑减小，所以滤光片模块位于透镜组两块透镜的中间，滤光片701和中性衰减片702的尺寸可以小于测量视场，且系统布局跟紧凑。

本实施例的易碎型穿甲弹动态靶实验破片多参数测量方法，使用上述易碎型穿甲弹动态靶实验破片多参数测量系统实现，包括以下步骤：

(1)试验准备完成，采用弹道枪发射易碎型穿甲弹；

(2)测速模块获得易碎型穿甲弹的速度，计算易碎型穿甲弹到装甲钢板的时间，发出电压信号；

(3)时序控制模块收到测速模块的电压信号，然后按照预设时序发出脉冲激光器出光电压信号和CCD相机开始曝光电压信号；

(4)易碎型穿甲弹撞击装甲钢板形成破片(破片形状参见图3)，激光器301出光，CCD相机801记录破片全息图，紧接着激光器302和激光器303出光，CCD相机802记录激光器302和激光器303照射破片形成的全息图；

(5)利用数字全息重建软件对破片全息图进行重建，获得易碎型穿甲弹撞击装甲钢板不同时刻破片的大小、形状和三维位置；

(6)计算破片的三维位移，根据激光器的出光时间间隔得到破片的三维速度和加速度。

为了提高破片速度测量的准确性，破片速度根据CCD相机802记录的两个不同时刻破片全息图求得。CCD相机802采用单帧双曝光的方法记录了两个不同时刻破片的全息图，破片在图像中的位移只因破片的移动造成。相比于利用CCD相机801和CCD相机802中第一帧或第二帧图像计算位移，不引入相机空间位置不同所造成的误差。

破片速度的计算过程如下：

①重建不同时刻破片的全息图，获得破片的大小和形状参数，由于碰撞形成的破片形状不一，利用破片的形状特征匹配两帧图像中的破片；②计算破片的位移，x和y方向的位移计算是根据重建破片形状的互相关特征求得，从重建图像获得第一帧图像中破片的形状，通过横向和纵向扫描的方法计算第二帧图像中匹配破片的互相关系数，求取互相关系数的最大值，最大值对应的横坐标为x方向的位移，纵坐标为y方向的位移。z方向的位移计算是根据重建破片聚焦曲线的互相关特征求得，重建时保存破片的聚焦曲线(参见图4)，计算匹配破片聚焦曲线的互相关系数，求取互相关系数最大值，最大值对应的坐标为z轴方向位移；③根据位移除时间间隔，得到破片的三维速度。

为了提高破片加速度测量的准确性，破片加速度根据CCD相机801和CCD相机802中第一帧图像计算的速度及CCD相机801和CCD相机802中第二帧图像计算的速度求得，这样减小了相机空间位置不同所造成的误差。

综上所述，本实施例的易碎型穿甲弹动态靶实验破片多参数测量系统和方法，能够实现易碎型穿甲弹穿过装甲钢板形成高速运动破片的多帧图像连续记录，通过破片特征匹配及互相关位移算法，获得破片的大小、形状、三维速度及加速度参数，可以更准确的表征易碎型穿甲弹的性能。