本文根據(jù)三維形貌資料討論了射擊后彈殼底火帽形貌、扁度和撞針壓痕（彈坑）深度的分析情況。對已射擊彈藥和未射擊彈藥的底火帽進(jìn)行了三維形貌分析。用左輪手槍從3個(gè)方向射擊彈藥：水平、垂直向上、垂直向下。測定了在三種射擊條件下底火帽扁度的變化、撞針壓痕的深度以及個(gè)別特征的可辨性。
在比對顯微鏡下，使用表面成像軟件得到了三維形貌。報(bào)告結(jié)果表明，彈藥定量三維形貌數(shù)據(jù)分析可幫助司法鑒定人員根據(jù)彈道證據(jù)得出更可靠的結(jié)論，其可靠性超出了定性圖像比較可能得出的結(jié)論。
旨在對這類證據(jù)進(jìn)行定量分析，使其符合法律程序中的可采用性標(biāo)準(zhǔn)。

引言
早在上世紀(jì)初^[1]，傳統(tǒng)的犯罪武器鑒識方法就已經(jīng)非常成熟。這種方法需要鑒識類別特征，即在調(diào)查過程中可從武器上找到的、衍生于某些類別武器的設(shè)計(jì)因素的宏觀痕跡^[2,3]。

通常使用光學(xué)儀器來檢測那些能夠指示犯罪所用武器類型的痕跡。首先在立體顯微鏡下初步鑒識獲取放大圖像的三維視圖的部位^[4]，然后通過比對顯微鏡對痕跡進(jìn)行比較，用被繳獲的疑似用于攻擊的武器或能夠產(chǎn)生與證據(jù)上類似痕跡的武器進(jìn)行射擊獲得參考樣本，利用比對顯微鏡來比較所發(fā)現(xiàn)的特征與參考樣本上的同源痕跡。

如果各類型的類別特征都匹配，鑒定人員將繼續(xù)比較個(gè)別特征，即因隨機(jī)缺陷或不規(guī)則性而產(chǎn)生的微痕跡。這些缺陷或不規(guī)則性就是槍支與彈藥接觸部分的特征，也是多種因素共同作用的結(jié)果，例如槍支磨損、不正確的維護(hù)、射擊彈藥的類型等等^[5-7]。

比較個(gè)別特征時(shí)，法醫(yī)鑒定人員會(huì)尋找證據(jù)上存在的重復(fù)性痕跡。這些痕跡應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)在相同的位置、有著相同的形狀并且能夠在參考樣本上使用相同的成像參數(shù)進(jìn)行檢測^[7,8]。通常認(rèn)為這一光學(xué)過程更具有定性，武器鑒定人員據(jù)此可以了解兩個(gè)普遍被問到的問題：比如所使用的槍支類型（制造商和型號）以及實(shí)際上是否使用了所調(diào)查的特定槍支^[3,9]。

但在這一過程中并不能獲得有關(guān)射擊模式的更多信息，例如，在必須要區(qū)分謀殺、自殺或意外走火時(shí)，也不能據(jù)此重建相互矛盾的事件（例如未遂謀殺和意外走火），尤其是在沒有目擊者陳述的情況下。在形貌分析中可推斷出客觀的數(shù)據(jù)，法醫(yī)鑒定人員可使用這些數(shù)據(jù)來進(jìn)一步開展痕跡（武器的類別特征和唯一性）研究，并且在一定的條件下通過研究不同射擊條件和環(huán)境所產(chǎn)生的表面形態(tài)和彈藥壓痕深度的變化，據(jù)此重建犯罪事件^[10]，否則很難呈現(xiàn)給陪審團(tuán)。

目前已有多種方法用于測量表面形貌。如ISO 25178^[11,12]標(biāo)準(zhǔn)所述，首先可以將這些方法分為3類——線性分析法、表面形貌法和區(qū)域整合法。本文重點(diǎn)介紹了線性分析法和表面形貌法。采用這兩種方法時(shí)，都可以采用高橫向分辨率探測表面高度來獲取分別用數(shù)學(xué)表示為z（x）或z（x，y）的表面輪廓或形貌圖像。區(qū)域整合法目前尚未用于槍支的研究或鑒識。采用該方法時(shí)，一次探測整個(gè)區(qū)域，據(jù)此估計(jì)單個(gè)區(qū)域表面紋理的單個(gè)度量^[11,12]。

精確的形貌測量讓定量分析槍支鑒識證據(jù)成為了可能。最終，彈道鑒識可能會(huì)從定性的圖像比較演變?yōu)槎�量的形貌測量^[13,14]。

 

方法

武器
在本實(shí)驗(yàn)中，使用了3種類型的0.357麥格農(nóng)口徑左輪手槍，槍管長度6英寸（15.2cm）。其中兩把手槍的撞針內(nèi)置在擊錘中，另一把左輪手槍上的撞針和擊錘分開（稱為慣性撞針）。

彈藥
使用的彈藥為菲奧基（Fiocchi）型TCCP，0.357麥格農(nóng)口徑，批號5904005-005，子彈質(zhì)量158谷（gr）。研究時(shí)精確地保持了彈頭厚度、成分和硬度等彈藥特征的一致性。這些特征對底火帽的扁度及撞針壓痕的結(jié)構(gòu)和深度有著重大的影響^[15]。

射擊彈藥
將左輪手槍的子彈制成了塞滿棉花的迴旋彈殼。每把左輪手槍的彈巢槍膛保持不變，但射擊過程中左輪手槍的方向以三種方式變化：垂直向下、垂直向上和水平。垂直是指射擊后子彈垂直于地面（朝向地面（向下）或遠(yuǎn)離地面（向上））行進(jìn)；水平是指子彈平行于地面（在地面上方基本上保持恒定的高度）行進(jìn)。

形貌數(shù)據(jù)
使用了徠卡顯微系統(tǒng)的FS C機(jī)動(dòng)取證 比對顯微鏡分別從射擊和未射擊彈藥的子彈底火中獲取了圖像數(shù)據(jù)。形貌圖像數(shù)據(jù)是在多焦點(diǎn)成像（也稱擴(kuò)展景深（EDOF））模式下獲取的。使用了徠卡圖表面成像和計(jì)量軟件顯示和分析三維形貌數(shù)據(jù)。

結(jié)果

子彈底火形貌分析

未射擊彈藥
必須對未射擊子彈進(jìn)行初步分析，以排除底火帽的固有凸起或彈殼配合不當(dāng)?shù)那闆r，據(jù)此推測敲擊壓痕深度[15]。在分析的彈藥上沒有發(fā)現(xiàn)任何此類不規(guī)則處�？筛鶕�(jù)未射擊的彈藥底火表面的外形輪廓（參見圖1）確定射擊后撞針壓痕深度。另外，必須研究武器獨(dú)一無二的特征，例如撞針孔痕跡（參見圖2）。

圖1：從未射擊的子彈底火表面提取的外形輪廓。藍(lán)色箭頭指示底火帽的表面。紅色箭頭指示彈殼平面。隨后根據(jù)該平面推測并確定撞針壓痕深度。
 

圖2：武器1后膛面顯微圖。紅色箭頭指示撞針孔痕跡，這也是該武器獨(dú)一無二的特征。底火帽中的金屬向后流入撞針孔而產(chǎn)生了這種痕跡^[16]。

射擊后的彈藥
從三個(gè)不同方向射擊后，底火帽（參見圖3）光學(xué)顯微鏡圖像顯示出痕跡，這些痕跡就是所用槍支獨(dú)一無二的特征。
 

圖3：光學(xué)顯微鏡圖像：方向?yàn)椋篈）向下，B）水平和C）向上時(shí)，武器1后膛面和撞針在底火帽上形成的壓痕。藍(lán)色箭頭指示底火上的個(gè)別特征，即所用左輪手槍的特征。紅色箭頭指示撞針孔痕跡。與其他射擊位置相比，向上射擊時(shí)的痕跡清晰且完整。

必須注意，這項(xiàng)研究的結(jié)果并不能改變“無論射擊時(shí)武器的位置如何，左輪手槍撞針都會(huì)在底火上留下獨(dú)特痕跡”這一結(jié)論。

在圖4中，從形貌上突出顯示了在不同射擊條件下鑒識到的、所有子彈樣品反復(fù)呈現(xiàn)的形態(tài)學(xué)特征。這一方面涉及到撞針壓痕不同的頂點(diǎn)形態(tài)，這些頂點(diǎn)形態(tài)與不同的撞針方向相關(guān)，本研究中對此等因素進(jìn)行研究。

如形貌圖所示，向下射擊（參見圖4A）時(shí)，撞針壓痕的頂點(diǎn)更寬且更平坦�？梢哉J(rèn)為，這個(gè)頂點(diǎn)與在水平和垂直方向（參見圖4B和C）具有相似寬度的射擊的頂點(diǎn)不同。需進(jìn)一步調(diào)查以評估這種異常是否與特定的事件存在實(shí)際相關(guān)，例如針對不同射擊位置的情況。

圖4：子彈底火形貌圖數(shù)據(jù)，突出顯示了射擊后撞針頂點(diǎn)的壓痕：A）向下，B）水平，和C）向上。

以下列方式獲取了每個(gè)子彈樣品的形貌數(shù)據(jù)（參見圖5）。然后分析和比較了每一個(gè)彈殼的數(shù)據(jù)。參考了水平方向射擊的數(shù)據(jù)。
 

圖5：A）水平和B）向下方向射擊的彈頭底火表面測量形貌示例。根據(jù)每個(gè)形貌提取的外形輪廓，采用了ISO 5436-1標(biāo)準(zhǔn)中的臺(tái)階高度計(jì)算方法來測量壓痕（彈坑）深度。
 

水平射擊（圖5A）
輪廓參數(shù)	輪廓上的深點(diǎn)
X	2.45 mm
Z	691 µm
沿輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量（X）=736個(gè)點(diǎn)

向下射擊（圖5B）
輪廓參數(shù)	輪廓上的深點(diǎn)
X	2.63 mm
Z	562 µm
沿輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量（X）=790個(gè)點(diǎn)

表1：上圖5中所示的子彈底火表面測得的形貌深點(diǎn)數(shù)據(jù)。

撞針壓痕的頂點(diǎn)可能在不同程度上受塑性變形的影響。如果不仔細(xì)評估，則可能會(huì)影響用戶分析中正確外推深度值。如由于變形而存在陰影區(qū)域，在獲取形貌圖像的過程中也可能會(huì)干擾顯微鏡光學(xué)傳感器。
圖6舉例說明了在水平方向上射擊武器1后，在底火帽上產(chǎn)生的壓痕頂點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)的變形。按照輪廓曲線所示，同一區(qū)域內(nèi)可能存在不同的深度。

圖6：撞針壓痕頂點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)的變形（武器1）。如輪廓曲線所示，在同一區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)了相對于點(diǎn)0變化的、不同的深度值：從負(fù)值（深度從-53.8 µm到-16.2 µm的A和B點(diǎn)）到正值（C點(diǎn)，高度為+68.4 µm）。

每一個(gè)個(gè)體樣品的深度都是對8個(gè)測量值取算術(shù)平均值得出的，而這些測量值是根據(jù)限制不規(guī)則性引起的采集誤差的方案而推斷出。有效的方法包括針對每一個(gè)彈殼外推兩個(gè)正交輪廓——順時(shí)針旋轉(zhuǎn)作為參考點(diǎn)的具體特性而獲得。無論武器在射擊過程中的方向如何，該特性都會(huì)在所有樣本上突出顯示。
圖7總結(jié)了8個(gè)得到最大深度的輪廓的采集階段。比如，圖6所示撞針壓痕的頂點(diǎn)表明，塑性變形決定著深度值的變化。必須強(qiáng)調(diào)的是，采集線的選擇并不是為了實(shí)現(xiàn)幾何對稱，而是為了從撞針壓痕的最深點(diǎn)上通過。
 

圖7：撞針壓痕輪廓外推方法。藍(lán)色箭頭指示武器1的參考點(diǎn)，每次將參考點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°即可外推出整個(gè)鑒識表面的深度。

為了比較相對于3個(gè)射擊位置的3組壓痕的深度測量值——即在武器平行于地面（標(biāo)準(zhǔn)射擊模式）、向上或向下的情況下，開展了t分布統(tǒng)計(jì)分析^[10]。

比較了三種情況下的壓痕數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)全部三種可能配對的p值（水平與向上射擊、水平與向下射擊以及向上與向下射擊）均小于10-5^[10]。由于p值明顯小于0.01，該結(jié)果意味著以上每對數(shù)據(jù)的重疊率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1%，因此差異十分顯著。

尤其是，結(jié)果表明，在三組壓痕深度與三個(gè)射擊位置之間存在顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異^[10]。
本研究中考慮了另一個(gè)形貌參數(shù)，即底火帽的扁度^[10]。

數(shù)十年來，法醫(yī)調(diào)查人員已經(jīng)了解到，射擊后彈殼內(nèi)部產(chǎn)生的壓力會(huì)讓彈殼兩側(cè)擴(kuò)大，并將底火底部推向后膛。在這種相互作用下，底火底部扁平化，而扁平化的程度取決于子彈內(nèi)部產(chǎn)生的壓力。研究底火管扁度的變化性，對于預(yù)測在相同方向上、同一武器射擊的彈藥壓力升高還是降低是一種很好的方法。特別是，當(dāng)彈藥射擊時(shí)產(chǎn)生較低的壓力時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)壓力情況相比，底火帽的扁平化較小，且撞針凹口邊緣處更圓整且深度較小。在射擊時(shí)子彈中產(chǎn)生高壓的情況下，底火帽扁平化要明顯得多，且金屬會(huì)聚集在撞針腔邊緣周圍^[7]。

迄今為止，這種評估都是通過將子彈后部靠在光線下用肉眼觀察來進(jìn)行的，因而需要大量的經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)觀察者主觀判斷而外推的定性數(shù)據(jù)在法庭上不能作為證據(jù)。

新的法醫(yī)學(xué)研究表明，通過參考儀器數(shù)據(jù)，左輪手槍射擊的子彈在射擊過程中的壓力會(huì)隨著武器的方向而變化^[16]。

在下圖（圖8）中，分別給出了向下（圖8A）、水平（圖8B）和向上（圖8C）射擊時(shí)的子彈底火表面形貌。另外還說明了沿所示線從每個(gè)形貌提取的外形輪廓。從這些形貌數(shù)據(jù)可以清楚地看到，向上射擊時(shí)，子彈的底火帽表面最平整，而向下射擊時(shí)表面最不平整，說明了彈藥內(nèi)部壓力與武器位置之間存在相關(guān)性。

圖8：分別以向下（A）、水平（B）和向上（C）方向射擊子彈后，子彈底火帽表面測量的形貌。每一形貌提取出的外形輪廓指示了底火帽的扁度。

結(jié)論

在本研究中，使用了3把左輪手槍對射擊和未射擊的彈藥進(jìn)行了形貌分析，并就撞針導(dǎo)致的子彈底火壓痕（彈坑）得出如下結(jié)論：

在三個(gè)射擊方向上，子彈底火帽的扁度：

• 垂直向上射擊時(shí)，扁度最大；

• 水平射擊時(shí)，扁度大于向下射擊，但小于向上射擊；

• 垂直向下射擊時(shí)，扁度最小。

底火壓痕深度：

• 向上射擊時(shí)，底火壓痕深度大于水平射擊時(shí)的壓痕深度；

• 向下射擊時(shí)，底火壓痕深度小于水平射擊時(shí)的壓痕深度；
   

  通過使用FS C比對顯微鏡和徠卡圖形分析軟件對底火帽扁度和壓痕深度進(jìn)行嚴(yán)格的分析，調(diào)查人員可對這些法醫(yī)學(xué)參數(shù)得出客觀、可靠的結(jié)論^[10]。
  事實(shí)上，無論是形貌分析還是傳統(tǒng)的光學(xué)圖像分析都可以使用一臺(tái)儀器——FS C比對顯微鏡完成，如此可以降低成本，也無需由外部實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品分析^[17]。將樣品分析交給外部實(shí)驗(yàn)室還存在著證據(jù)意外被篡改的風(fēng)險(xiǎn)^[17]。
  結(jié)果表明，彈藥的形貌數(shù)據(jù)有助法醫(yī)鑒定人員更徹底地調(diào)查彈道證據(jù)并進(jìn)行例行的定量分析，而不是借助于單一的定性圖像比較^[12,13]。
  相關(guān)產(chǎn)品

徠卡 FS C 顯微鏡

模塊化設(shè)計(jì)的徠卡 FS C 自動(dòng)宏觀比對顯微鏡被廣泛用于公安刑偵司法部門各種樣品的比對分析，包含：彈道，工具印痕和文件比對。智能的自動(dòng)化配合了杰出的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)。五個(gè)全復(fù)校色差宏觀物鏡都具有高數(shù)值孔徑和內(nèi)置可調(diào)節(jié)的光闌并達(dá)到優(yōu)良的光學(xué)性能。不同的圖像模式(分離圖像, 疊加圖像以及組合圖像) 都可通過單一按鈕的操作來實(shí)現(xiàn)。這種方便的操作平臺(tái)大大提高了鑒定的速度，精確度和效率。

了解更多：徠卡顯微