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Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Ermittlung der abgegebenen Gesamtenergie von Geschossen in einem Weichziel mit einem Gelatineblock in der Schussachse des Geschosses, ein zugehöriges Verfahren und eine erfindungsgemäße Verwendung.
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Bei der Beurteilung eines Geschosses (Projektils) ist dessen Gesamtenergieabgabe in einem Weichziel (zum Beispiel Wild) ein entscheidendes Merkmal und wird daher, insbesondere beim Hersteller des Geschosses, ermittelt.
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Bisher wird zur Abschätzung der Gesamtenergieabgabe von Geschossen im Weichziel Gelatine beschossen und dort über den (angenommenen) Zusammenhang zwischen Risslängen (senkrecht zur Schussachse) und Energie die abgegebene Energie pro Weglänge in Gelatine ermittelt. Die Risslängenauswertung wird manuell durchgeführt.
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Das Hauptproblem (aus wissenschaftlicher Sicht) ist der nicht gesicherte Zusammenhang zwischen den Risslängen und der abgegebenen Energie. Zum einen ist der Zusammenhang der Risslängen mit dem Volumen der temporären Wundhöhle im Weichziel mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit hochgradig nichtlinear (Mischung aus plastischer und elastischer Verformung, Richtungsabhängigkeit, Inhomogenität der Gelatine, etc.) und zum anderen resultiert schon die temporäre Wundhöhle nicht aus der abgegebenen Energie, sondern aus dem abgegebenen Impuls (aufgrund Reibung, Vibration, etc. gibt es Energieverluste, die nicht in den abgegebenen Impuls eingehen).
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Die Kalibrierung auf die vZiel(-vRest), wobei vZiel die Geschwindigkeit ist die das Geschoss vor dem Eintreten in den Gelatineblock hat und vRest die Geschwindigkeit ist, die es nach dem Austritt aus dem Zielmedium hat, des Geschosses bringt nur etwas, wenn die Reibungsverluste etc. unabhängig von der Geschwindigkeit wären, was nicht zutrifft. Die (abgegebene) Gesamtenergie ist damit zwar wieder korrekt – aber die ist ja auch schon ohne die Auswertung der Risslängen bekannt.
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Das nächste Problem ist die Reproduzierbarkeit der manuellen Risslängenauswertung aufgrund der unterschiedlichen Interpretationen der Bediener bzw. der Personen, die die Auswertung durchführen.
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Hier ist auch eine generelle Schwierigkeit, dass nur Risslängen ab einer bestimmten Größe erfasst werden. Dadurch kann die Energie von kleinen Geschossfragmenten (die vor allem lokal sehr hohe Impulsüberträge einbringen) nicht mehr berücksichtigt werden.
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Zuletzt ist das Verfahren wirtschaftlich gesehen nicht optimal, da der Auswerteaufwand mit 1–2 Stunden pro Gelatineblock sehr hoch ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, dass auch Risse erfasst werden, die mit dem menschlichen Auge nicht zu erkennen sind und die Messung der abgegebenen Energie unabhängig vom Bediener ist. Zusätzlich soll das verwendete Verfahren, was an sich aus dem Stand der Technik für andere Anwendungen bekannt ist, beschrieben werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bezüglich der Messanordnung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass der Gelatineblock im Strahlengang einer Röntgenquelle angeordnet ist, dessen Strahlengang senkrecht zur Schussachse verläuft und im Strahlengang hinter dem Gelatineblock ein Röntgendetektor oder ein Szintillator angeordnet ist, werden auch Risse erfasst, die mit dem menschlichen Auge nicht zu erkennen sind und die Messung der abgegebenen Energie ist unabhängig vom Bediener.
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Erfindungsgemäß kann die Messanordnung einen Röntgendetektor oder einen Szintillator im Strahlengang hinter dem Gelatineblock enthalten. Zur Auswertung ist der Röntgendetektor mit einem Auswerte-Computer verbunden.
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Bevorzugt ist jedoch die Ausführungsform bei der ein Szintillator im Strahlengang hinter dem Gelatineblock angeordnet ist. Unter einem Szintillator wird ein Körper verstanden, dessen Moleküle beim Durchgang von energiereichen Photonen oder geladenen Teilchen durch Stoßprozesse angeregt werden und die Anregungsenergie in Form von Licht (meist im UV- oder sichtbaren Bereich) wieder abgeben.
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Zur Auswertung ist im optischen Strahlengang des Szintillators zumindest eine Highspeed-Kamera, in bestimmten Ausführungsformen auch mehr als eine Highspeed-Kamera, angeordnet, die mit einem Auswerte-Computer verbunden ist/sind. Zur Auswertung wird ein Highspeed-Video vom Eintritt des Geschosses in die Gelatine bis zum Stillstand des Geschosses oder aller Geschossfragmente oder bis zum Austritt des Geschosses oder der Geschossfragmente aus dem Gelatineblock aufgenommen. Das Verfahren wird weiter unten beschrieben.
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Bei der Messanordnung mit dem Röntgendetektor anstatt dem Szintillator wird zur Auswertung ebenfalls ein Highspeed-Video vom Eintritt des Geschosses in die Gelatine bis zum Stillstand des Geschosses oder aller Geschossfragmente oder bis zum Austritt des Geschosses oder der Geschossfragmente aus dem Gelatineblock aufgenommen.
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Damit die Strahlung der Röntgenquelle die Highspeed-Kamera nicht beschädigt, ist bevorzugt im optischen Strahlengang des Szintillators ein Umlenkspiegel angeordnet und befindet sich die zumindest eine Highspeed-Kamera im umgelenkten optischen Strahlengang.
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Die Röntgenquelle ist eine kontinuierliche Röntgenquelle oder eine Röntgenblitzquelle (getaktete Röntgenquelle), wodurch die abgegebene Energie leichter erhöht werden kann.
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In einer Ausführungsform erfolgt durch einen Computertomographen eine Bestimmung der Form der Geschossfragmente im Gelatineblock. Hieraus lässt sich die Masse der Geschossfragmente bestimmen, siehe hierzu weiter unten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der abgegebenen Gesamtenergie von Geschossen mit einer Messanordnung, wie sie eben beschrieben wurde, ist dadurch gekennzeichnet,
- – dass ab Eindringen des Geschosses in den Gelatineblock bis zu seinem oder bis zum Stillstand aller Geschossfragmente oder bis zum Austritt des Geschosses oder der Geschossfragmente aus dem Gelatineblock über eine Highspeed-Röntgenographie die in einem bestimmten Zeitraum delta_t (Frame) zurückgelegte Wegstrecke delta_x des Geschosses oder aller Geschossfragmente bestimmt wird und daraus die im Zeitraum delta_t gewesene Einzelgeschwindigkeit v berechnet wird aus v = delta_x/delta_t,
- – dass die Masse m des Geschosses oder aller Geschossfragmente bestimmt wird,
- – dass aus dem Produkt 0,5·m·v2 die Gesamtenergie aller Frames aus den Einzelgeschwindigkeiten berechnet wird,
- – dass der Energieverlust pro einzelnem Frame aus der Gesamtenergie pro Frame ermittelt wird und
- – die Summe aller Energieverluste die abgegebene Gesamtenergie darstellt.
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Bevorzugt wird aus der sichtbaren Projektionsfläche des Geschosses oder der Geschossfragmente deren Volumen V und über die bekannte Dichte des Materials des Geschosses oder der Geschossfragmente deren Masse m bestimmt aus m = Dichte·Volumen.
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Die Geschwindigkeiten, die Einzelenergien und die Gesamtenergie wird mit einer an sich bekannten Tracking-Software ermittelt, die auf den Auswerte-Computern läuft.
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In einer Ausführungsform wird der Röntgenkontrast zur Ermittlung der Masse des Geschosses oder der Geschossfragmente verwendet, wobei der Röntgenkontrast das Produkt aus der Dichte des Materials des Geschosses oder der Geschossfragmente und der Materialdicke ist.
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Alternativ wird nach dem Schuss bevorzugt durch einen Computertomographen die exakte Form des Geschosses oder der Geschossfragmente und daraus das Volumen und damit die Masse bestimmt.
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Bevorzugt erfolgt eine Korrektur von Parallaxenfehlern über eine Ermittlung der Verzerrung durch ein Kalibrier-Raster an verschiedenen Stellen im Strahlengang und Interpolation zwischen diesen Stellen.
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In einer Ausführungsform werden zur Auswertung lediglich die Schwerpunktgeschwindigkeiten gemessen.
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In einer Ausführungsform werden die Messungen von zwei zueinander versetzt angeordneten Highspeed-Kameras durchgeführt.
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Erfindungsgemäß ist die Verwendung eines Gelatineblocks, einer Röntgenquelle, eines Szintillators, einer Highspeed-Kamera und eines Auswerte-Computers mit einer Tracking-Software zur Ermittlung der abgegebenen Gesamtenergie von Geschossen bzw. deren Geschossfragmenten im Gelatineblock.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird die abgegebene Energie direkt durch den Geschwindigkeitsverlust des Geschosses im Weichziel über eine bestimmte Wegstrecke ermittelt.
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Hierzu wird ein Highspeed-Video vom Durchflug des Geschosses oder der Geschossfragmente durch die Gelatine aufgenommen. Durch Tracking-Software kann die Position des Geschosses bzw. der Geschossfragmente in jedem Frame (d. h. zu jedem Zeitpunkt, quantisiert durch die zeitliche Auflösung der Highspeed-Aufnahme) bestimmt werden. Nun ist die Position des Geschosses/der Fragmente zu bestimmten Zeitpunkten bekannt – hieraus werden dann der Geschwindigkeitsabfall und damit der Energieverlust ermittelt.
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Geeignete Tracking-Software bzw. Algorithmen sind für andere Anwendungen bekannt und es kann somit auf proprietäre bzw. OpenSource-Software zurückgegriffen werden.
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Aufgrund der Transparenz von Gelatine wäre es möglich, den Geschwindigkeitsverlust der Geschosse bzw. der Geschossfragmente auf rein optischem Weg über eine Highspeed-Kamera zu ermitteln. Dies ist in einem gewissen Rahmen auch möglich. Aufgrund der optischen Verzerrungen wegen der sich verformenden Gelatine mit ihrem von der Luft abweichenden Brechungsindex sowie dem insgesamt eher schlechten Kontrast ergibt sich im Normalfall ein Fehler von ca. 30% (hochfrequentes Rauschen wegen des Kontrastes und niederfrequentes Rauschen wegen der Verzerrung), der sich nicht (zumindest nicht trivial) über eine Auswertesoftware kompensieren lässt.
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Erfindungsgemäß wird die weitgehende Durchlässigkeit des gewünschten Mediums für Röntgenstrahlung genutzt. Hierzu ist es nötig, die Röntgenstrahlung über einen Szintillator für die Highspeed-Kamera sichtbar zu machen. Ein für Röntgenstrahlung empfindlicher Sensor ist teurer.
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Bei der Verwendung eines Szintillators ist der Kompromiss zwischen Auflösung und Empfindlichkeit zu beachten (dicke Szintillatoren sind empfindlicher aber weniger hoch auflösend). Außerdem ist auf eine ausreichende Geschwindigkeit (kurze Nachleuchtdauer) des Szintillators zu achten (Nachleuchtdauer < 1 μs), was nicht zwingend, aber oft eine geringere Empfindlichkeit mit sich bringt.
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Um die Highspeed-Kamera vor der Röntgenstrahlung zu schützen, kann ein Umlenkspiegel/Prisma in den optischen Strahlengang gestellt werden. Dadurch befindet sich die Highspeed-Kamera nicht im Strahlengang der Röntgenquelle und kann durch die Röntgenstrahlung nicht beschädigt werden. Somit kann eine deutlich höhere Röntgenintensität genutzt werden (möglich z. B. über eine Röntgenblitzquelle, oder eine getaktete Röntgenquelle).
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Zur Bewertung der Grenzen des neuen Verfahrens ist das Folgende zu sagen:
Völlig unkritisch sind alle massestabilen Geschosse – hier entspricht der Fehler direkt der optischen bzw. zeitlichen Auflösung der Highspeed-Kamera. Abweichungen von der Schussachse werden im 2d-Verfahren nicht berücksichtigt – das ist aber auch unkritisch, da der Energieverlust sowieso nur über der Schussachse aufgetragen wird, und so in jedem Fall der Energieverlust über diese Achse korrekt gemessen wird.
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Bei monolithischen bzw. mantellosen Teilzerlegern (Teilzerlegungsgeschossen) kommt eine weitere Fehlerquelle hinzu: Bei allen Bruchstücken muss die Masse bestimmt werden. Hierzu wird das Volumen über die sichtbare Projektionsfläche bestimmt und über die bekannte Dichte die Masse der Bruchstücke bestimmt. Der Fehler kommt hier durch die unbekannte Form der Teilchen in Richtung der Röntgenquelle zustande. Der Fehler liegt allerdings (in der Regel) im niedrigen einstelligen Prozentbereich.
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Bei Teilzerlegern mit Geschossmantel kommt ein größerer Fehler hinzu: Da die Masse der Geschossbruchstücke über die Projektionsfläche bestimmt wird, sind flache Mantelstücke sehr problematisch. Diese haben zum einen eine geringere Dichte und zum anderen bei ungünstiger Lage eine sehr große sichtbare Fläche bei gleichzeitig sehr kleiner unsichtbarer Dicke. Dieser Fehler kann durch Gewichtung der extrapolierten Masse mit dem Röntgenkontrast eliminiert werden. Der Röntgenkontrast ist das Produkt aus Materialdichte und Materialdicke – hierdurch sollte also auch dieser Fehler auf den unteren einstelligen Prozentbereich gedrückt werden können.
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Hierzu ist festzustellen, dass beim herkömmlichen Verfahren kleine Stücke überhaupt nicht berücksichtigt werden (kleine Risse sind nicht sichtbar und die kleinen Stücke werden nicht gewogen).
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Gegebenenfalls kann die exakte Form der Geschossbruchstücke/Mantelstücke über CT nach dem Schuss bestimmt werden (statische Messung).
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Über eine zweite Highspeed-Kamera kann auch von einer 2d-Aufnahme auf eine 2½d-Aufnahme, bzw. über noch mehr Kameras auf eine tatsächliche 3d-Aufnahme erweitert werden. Hier kann dann sowohl die Geschossform exakt, als auch Energieverlust parallel zum Strahlengang ermittelt werden.
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Um die Verzerrung durch die Linse der Highspeed-Kamera (an den Bildrändern) herauszurechnen (Parallaxenfehler), kann ein Bild mit einem (bekannten) Raster in verschiedenen, definierten, Entfernungen mit der Kamera aufgenommen werden. Danach kann die Verzerrung aufgrund der Abbildung der bekannten Koordinaten der Rasterpunkte durch Interpolation sowohl in der Ebene als auch in der Tiefe (verschiedene Entfernungen) exakt (bzw. genau genug) bestimmt werden.
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Der Energieverlust parallel zum Strahlengang wird analog zum bisherigen Verfahren nicht betrachtet – wäre aber bei einer 3d-Aufnahme ermittelbar (s. o.).
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Um Bewegungsunschärfe durch zu lange Shutterzeiten aufgrund von zu geringer Lichtintensität aus dem Szintillator zu kompensieren, kann die Auswertesoftware mittels diverser Filter (z. B. Erosion) die Auswertung auf die Schwerpunktgeschwindigkeiten der Fragmente beschränken.
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In den 1A, 1B, 1C, 1D sind die erfindungsgemäße Messanordnung und der Prozessablauf dargestellt.
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1A zeigt die Messanordnung. In einer Röntgenröhre 1 wird ein Röntgenstrahl 6 erzeugt. Im Strahlengang des Röntgenstrahls 6 befindet sich ein Gelatineblock 2 und dahinter ein Szintilator 3, wobei der Szintilator 3 im Strahlengang zwischen dem Gelatineblock 2 und einer Highspeed-Kamera 4 angeordnet ist. Die Highspeed-Kamera 4 ist mit einem Auswertecomputer 5 bzw. einer Auswerteeinheit verbunden. Die Schussachse 7 des Geschosses befindet sich senkrecht zur Bildebene, wobei der Schuss in den Gelatineblock 2 eindringt und unter Abgabe seiner Energie an die Gelatine abgebremst wird. Die Highspeed-Kamera 4 befindet sich vorteilhaft nicht im optischen Strahlengang, wie hier gezeigt. In diesem Fall wird der Röntgenstrahl 6 durch einen hier nicht gezeigten Umlenkspiegel auf die Highspeed-Kamera 4 fokussiert.
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1B zeigt in einer Momentaufnahme nach dem Eindringen eines Geschosses in den Gelatineblock 2 und dessen drei Fragmente m1, m2 und m3 an einem Ort X11, X12 und X13 zu einem bestimmten Zeitpunkt t. Im Bild daneben sind dieselben Fragmente m1, m2 und m3 zu einem späteren Zeitpunkt t + delta_t gezeigt. Delta_t ist die Framerate bzw. zeitliche Auflösung der Videoaufzeichnung. Die Geschossfragmente befinden sich dann an den Orten X21, X22 und X23. Ganz rechts ist die Verallgemeinerung gezeigt. Die Fragmente m1, m2 und m3 befinden sich zu einer Zeit t + delta_t an den Orten XN1, XN2 und XN3.
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In 1C ist die Geschwindigkeitsbestimmung v11, v12 und v13 jedes Geschossfragments m1, m2, m3 dargestellt. Da die jeweiligen Abstände der gemessenen Positionen delta_x und die Zeitdifferenzen delta_t bekannt sind, berechnet sich daraus die jeweilige Einzelgeschwindigkeit v aus v = delta_x/delta_t. Diese Berechnung geschieht fortlaufend in den Zeitabständen delta_t (Framerate der Videoaufnahme) im Auswertecomputer 5.
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Zuletzt (siehe 1D) wird aus den Einzelgeschwindigkeiten vij aller Geschossfragmente und deren Massen mj die Gesamtenergie Ei aller Frames aus den Einzelgeschwindigkeiten vij bestimmt. Anschließend wird der Energieverlust ΔE pro einzelnem Frame aus der Gesamtenergie E(i) pro Frame ermittelt und diese Energieverluste über alle Frames summiert.
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Das Auswerteverfahren bzw. die Messung endet, wenn das Geschoss oder alle Geschossfragmente im Gelatineblock 2 zum Stillstand gekommen sind oder den Gelatineblock 2 verlassen haben.
