弹壳撞针压痕的三维形貌分析

法医学鉴定中的定量、客观数据

本文根据三维形貌资料讨论了射击后弹壳底火帽形貌、扁度和撞针压痕(弹坑)深度的分析情况。对已射击弹药和未射击弹药的底火帽进行了三维形貌分析。用左轮手枪从3个方向射击弹药:水平、垂直向上、垂直向下。测定了在三种射击条件下底火帽扁度的变化、撞针压痕的深度以及个别特征的可辨性。


在比对显微镜下,使用表面成像软件得到了三维形貌。报告结果表明,弹药定量三维形貌数据分析可帮助司法鉴定人员根据弹道证据得出更可靠的结论,其可靠性超出了定性图像比较可能得出的结论。


旨在对这类证据进行定量分析,使其符合法律程序中的可采用性标准。

引言

早在上世纪初 [1],传统的犯罪武器鉴识方法就已经非常成熟。这种方法需要鉴识类别特征,即在调查过程中可从武器上找到的、衍生于某些类别武器的设计因素的宏观痕迹 [2,3]。


通常使用光学仪器来检测那些能够指示犯罪所用武器类型的痕迹。首先在立体显微镜下初步鉴识获取放大图像的三维视图的部位 [4] ,然后通过比对显微镜对痕迹进行比较,用被缴获的疑似用于攻击的武器或能够产生与证据上类似痕迹的武器进行射击获得参考样本,利用比对显微镜来比较所发现的特征与参考样本上的同源痕迹。


如果各类型的类别特征都匹配,鉴定人员将继续比较个别特征,即因随机缺陷或不规则性而产生的微痕迹。这些缺陷或不规则性就是枪支与弹药接触部分的特征,也是多种因素共同作用的结果,例如枪支磨损、不正确的维护、射击弹药的类型等等 [5-7]。


比较个别特征时,法医鉴定人员会寻找证据上存在的重复性痕迹。这些痕迹应当出现在相同的位置、有着相同的形状并且能够在参考样本上使用相同的成像参数进行检测 [7,8]。通常认为这一光学过程更具有定性,武器鉴定人员据此可以了解两个普遍被问到的问题:比如所使用的枪支类型(制造商和型号)以及实际上是否使用了所调查的特定枪支 [3,9]。但在这一过程中并不能获得有关射击模式的更多信息,例如,在必须要区分谋杀、自杀或意外走火时,也不能据此重建相互矛盾的事件(例如未遂谋杀和意外走火),尤其是在没有目击者陈述的情况下。在形貌分析中可推断出客观的数据,法医鉴定人员可使用这些数据来进一步开展痕迹(武器的类别特征和唯一性)研究,并且在一定的条件下通过研究不同射击条件和环境所产生的表面形态和弹药压痕深度的变化,据此重建犯罪事件 [10],否则很难呈现给陪审团。


目前已有多种方法用于测量表面形貌。如ISO 25178 [11,12]标准所述,首先可以将这些方法分为3类——线性分析法、表面形貌法和区域整合法。本文重点介绍了线性分析法和表面形貌法。采用这两种方法时,都可以采用高横向分辨率探测表面高度来获取分别用数学表示为z(x)或z(x,y)的表面轮廓或形貌图像。区域整合法目前尚未用于枪支的研究或鉴识。采用该方法时,一次探测整个区域,据此估计单个区域表面纹理的单个度量 [11,12]。


精确的形貌测量让定量分析枪支鉴识证据成为了可能。最终,弹道鉴识可能会从定性的图像比较演变为定量的形貌测量 [13,14]。

方法

武器


在本实验中,使用了3种类型的0.357麦格农口径左轮手枪,枪管长度6英寸(15.2cm)。其中两把手枪的撞针内置在击锤中,另一把左轮手枪上的撞针和击锤分开(称为惯性撞针)。


弹药

使用的弹药为菲奥基(Fiocchi)型TCCP,0.357麦格农口径,批号5904005-005,子弹质量158谷(gr)。研究时精确地保持了弹头厚度、成分和硬度等弹药特征的一致性。这些特征对底火帽的扁度及撞针压痕的结构和深度有着重大的影响[15]。


射击弹药

将左轮手枪的子弹制成了塞满棉花的迴旋弹壳。每把左轮手枪的弹巢枪膛保持不变,但射击过程中左轮手枪的方向以三种方式变化:垂直向下、垂直向上和水平。垂直是指射击后子弹垂直于地面(朝向地面(向下)或远离地面(向上))行进;水平是指子弹平行于地面(在地面上方基本上保持恒定的高度)行进。


形貌数据

使用了徕卡显微系统的FS C 机动取证 比对显微镜分别从射击和未射击弹药的子弹底火中获取了图像数据。形貌图像数据是在多焦点成像(也称扩展景深(EDOF))模式下获取的。使用了徕卡图 表面成像和计量软件显示和分析三维形貌数据。


结果

子弹底火形貌分析


未射击弹药


必须对未射击子弹进行初步分析,以排除底火帽的固有凸起或弹壳配合不当的情况,据此推测敲击压痕深度 [15]。在分析的弹药上没有发现任何此类不规则处。可根据未射击的弹药底火表面的外形轮廓(参见图1)确定射击后撞针压痕深度。另外,必须研究武器独一无二的特征,例如撞针孔痕迹(参见图2)。

图1:从未射击的子弹底火表面提取的外形轮廓。蓝色箭头指示底火帽的表面。红色箭头指示弹壳平面。随后根据该平面推测并确定撞针压痕深度

图2:武器1后膛面显微图。红色箭头指示撞针孔痕迹,这也是该武器独一无二的特征。底火帽中的金属向后流入撞针孔而产生了这种痕迹 [16].

射击后的弹药


从三个不同方向射击后,底火帽(参见图3)光学显微镜图像显示出痕迹,这些痕迹就是所用枪支独一无二的特征。

图3:光学显微镜图像:方向为:A)向下,B)水平和C)向上时,武器1后膛面和撞针在底火帽上形成的压痕。蓝色箭头指示底火上的个别特征,即所用左轮手枪的特征。红色箭头指示撞针孔痕迹。与其他射击位置相比,向上射击时的痕迹清晰且完整。

必须注意,这项研究的结果并不能改变“无论射击时武器的位置如何,左轮手枪撞针都会在底火上留下独特痕迹”这一结论。


在图4中,从形貌上突出显示了在不同射击条件下鉴识到的、所有子弹样品反复呈现的形态学特征。这一方面涉及到撞针压痕不同的顶点形态,这些顶点形态与不同的撞针方向相关,本研究中对此等因素进行研究。


如形貌图所示,向下射击(参见图4A)时,撞针压痕的顶点更宽且更平坦。可以认为,这个顶点与在水平和垂直方向(参见图4B和C)具有相似宽度的射击的顶点不同。需进一步调查以评估这种异常是否与特定的事件存在实际相关,例如针对不同射击位置的情况。

图4:子弹底火形貌图数据,突出显示了射击后撞针顶点的压痕:A)向下,B)水平,和C)向上。

以下列方式获取了每个子弹样品的形貌数据(参见图5)。然后分析和比较了每一个弹壳的数据。参考了水平方向射击的数据。


水平射击(图5A)
轮廓参数轮廓上的深点

X

2.45 mm

Z

691 µm

沿轮廓数据点的数量(X)=736个点
向下射击(图5B)
轮廓参数轮廓上的深点

X

2.63 mm

Z

562 µm

沿轮廓数据点的数量(X)=790个点

表1:上图5中所示的子弹底火表面测得的形貌深点数据。

撞针压痕的顶点可能在不同程度上受塑性变形的影响。如果不仔细评估,则可能会影响用户分析中正确外推深度值。如由于变形而存在阴影区域,在获取形貌图像的过程中也可能会干扰显微镜光学传感器。


图6举例说明了在水平方向上射击武器1后,在底火帽上产生的压痕顶点处发现的变形。按照轮廓曲线所示,同一区域内可能存在不同的深度。

图6:撞针压痕顶点处发现的变形(武器1)。如轮廓曲线所示,在同一区域内发现了相对于点0变化的、不同的深度值:从负值(深度从-53.8 µm到-16.2 µm的A和B点)到正值(C点,高度为+68.4 µm)。

每一个个体样品的深度都是对8个测量值取算术平均值得出的,而这些测量值是根据限制不规则性引起的采集误差的方案而推断出。有效的方法包括针对每一个弹壳外推两个正交轮廓——顺时针旋转作为参考点的具体特性而获得。无论武器在射击过程中的方向如何,该特性都会在所有样本上突出显示。


图7总结了8个得到最大深度的轮廓的采集阶段。比如,图6所示撞针压痕的顶点表明,塑性变形决定着深度值的变化。必须强调的是,采集线的选择并不是为了实现几何对称,而是为了从撞针压痕的最深点上通过。

图7:撞针压痕轮廓外推方法。蓝色箭头指示武器1的参考点,每次将参考点顺时针旋转90°即可外推出整个鉴识表面的深度。

为了比较相对于3个射击位置的3组压痕的深度测量值——即在武器平行于地面(标准射击模式)、向上或向下的情况下,开展了t分布统计分析[10]。


比较了三种情况下的压痕数据,发现全部三种可能配对的p值(水平与向上射击、水平与向下射击以及向上与向下射击)均小于10-5 [10]。由于p值明显小于0.01,该结果意味着以上每对数据的重叠率都远远小于1%,因此差异十分显著。


尤其是,结果表明,在三组压痕深度与三个射击位置之间存在显著的统计学差异[10]。


本研究中考虑了另一个形貌参数,即底火帽的扁度[10]。


数十年来,法医调查人员已经了解到,射击后弹壳内部产生的压力会让弹壳两侧扩大,并将底火底部推向后膛。在这种相互作用下,底火底部扁平化,而扁平化的程度取决于子弹内部产生的压力。研究底火管扁度的变化性,对于预测在相同方向上、同一武器射击的弹药压力升高还是降低是一种很好的方法。特别是,当弹药射击时产生较低的压力时,与标准压力情况相比,底火帽的扁平化较小,且撞针凹口边缘处更圆整且深度较小。在射击时子弹中产生高压的情况下,底火帽扁平化要明显得多,且金属会聚集在撞针腔边缘周围 [7]。迄今为止,这种评估都是通过将子弹后部靠在光线下用肉眼观察来进行的,因而需要大量的经验。根据观察者主观判断而外推的定性数据在法庭上不能作为证据。


新的法医学研究表明,通过参考仪器数据,左轮手枪射击的子弹在射击过程中的压力会随着武器的方向而变化 [16]。


在下图(图8)中,分别给出了向下(图8A)、水平(图8B)和向上(图8C)射击时的子弹底火表面形貌。另外还说明了沿所示线从每个形貌提取的外形轮廓。从这些形貌数据可以清楚地看到,向上射击时,子弹的底火帽表面最平整,而向下射击时表面最不平整,说明了弹药内部压力与武器位置之间存在相关性。

图8:分别以向下(A)、水平(B)和向上(C)方向射击子弹后,子弹底火帽表面测量的形貌。每一形貌提取出的外形轮廓指示了底火帽的扁度。

结论

在本研究中,使用了3把左轮手枪对射击和未射击的弹药进行了形貌分析,并就撞针导致的子弹底火压痕(弹坑)得出如下结论:


在三个射击方向上,子弹底火帽的扁度:


  • 垂直向上射击时,扁度最大;
  • 水平射击时,扁度大于向下射击,但小于向上射击;
  • 垂直向下射击时,扁度最小。

底火压痕深度:


  • 向上射击时,底火压痕深度大于水平射击时的压痕深度;

  • 向下射击时,底火压痕深度小于水平射击时的压痕深度;

通过使用 FS C 比对显微镜和徕卡图形分析软件对底火帽扁度和压痕深度进行严格的分析,调查人员可对这些法医学参数得出客观、可靠的结论 [10]。


事实上,无论是形貌分析还是传统的光学图像分析都可以使用一台仪器—— FS C 比对显微镜完成,如此可以降低成本,也无需由外部实验室进行样品分析 [17]。将样品分析交给外部实验室还存在着证据意外被篡改的风险[17]。


结果表明,弹药的形貌数据有助法医鉴定人员更彻底地调查弹道证据并进行例行的定量分析,而不是借助于单一的定性图像比较 [12,13]。


参考文献 

  1. R.S. Bolton-King, J.P.O. Evans, C.L. Smith, J.D. Painter, D.F. Allsop, W.M. Cranton, 3D Profiling Systems Applied to Firearms and Toolmark Identification, AFTE Journal (2010) vol. 42, iss. 1, pp. 23-33.

  2. Theory Of Identification, Range Of Striae Comparison Reports and Modified Glossary Definitions - An AFTE Criteria For Identification Committee Report, AFTE Journal (1992) vol. 24, iss. 3, pp. 336-340.
  3. J.H. Mathews, Firearms Identification, vol. 1 (Charles C Thomas, Springfield, IL, USA, 1973) ISBN-13: 978-0-398-02355-3.
  4. B.R. Sharma, The importance of firing pin impressions in the identification of firearms, J. Crim. L. Criminology (1963) vol. 54, iss. 3, art. 16, pp. 378-380.
  5. R.S. Bolton-King, Preventing miscarriages of justice: a review of forensic firearm identification, Sci. Justice (2016) vol. 56, iss. 2, pp. 129–142, DOI: 10.1016/j.scijus.2015.11.002.
  6. J.J. Davis, Primer Cup Properties & How They Affect Identification, AFTE Journal (2010) vol. 42, iss. 1, pp. 3-22.
  7. G. Burrard, The identification of firearms and forensic ballistics, Jenkins, London, 1951, ISBN-13 : 978-0935632910.
  8. G.P. Sharma, Firing Pin Scrape Marks and the Identification of Firearms, J. Crim. L. Criminology (1967), vol. 57, iss. 3, art. 19, pp. 365-367.
  9. J.E. Davis, Firearms Training Notes, AFTE Journal (1977) vol. 9, iss. 2, pp. 76-107.
  10. V. Manzalini, M. Frisia, M.L. Scomazzoni, V. Fossati Del Ángel, V. Causin, Firing pin impressions: a valuable feature for determining the orientation of the weapon at the time of shooting, Forensic Science International (2020) vol. 316, 110519, DOI: 10.1016/j.forsciint.2020.110519.
  11. ISO 25178-6:2010. Geometrical Product Specification (GPS) - Surface Texture: Areal: 6.—Classification of Methods for Measuring Surface Texture. International Organization for Standardization (ISO).
  12. T.V. Vorburger, H.-G. Rhee, T.B. Renegar, J.-F. Song, A. Zheng, Comparison of optical and stylus methods for measurement of rough surfaces, Int. J. Adv. Manuf. Technol. (2007) vol. 33, pp. 110-118.
  13. T.V. Vorburger, J. Song, N. Petraco, Topography measurements and applications in ballistics and tool mark identifications, Surface Topography: Metrology and Properties (2015) vol. 4, no. 1, DOI: 10.1088/2051-672X/4/1/013002.
  14. J. Song, T. Vorburger, Topography measurements and applications, Third International Symposium on Precision Mechanical Measurements, Urumqi, China, Proceedings SPIE (2006) vol. 6280, no. 1, pp. T1–T8, DOI: 10.1117/12.716162.
  15. R.A. Frazier, Firing Pin Impressions -- Their Relation to Hammber Fall Conditions, AFTE Journal (1989) vol. 21, iss. 4, pp. 589-592.
  16. M.C. Arrowood, B. Karazia, Firing Pin Hole Marks, AFTE Journal (1991) vol. 23, iss. 3, pp. 803-804.
  17. Statement from Valentina Manzalini based upon experience from this study using the FS C comparison microscope for conventional optical and topographic image acquisition. In addition, she stated: “In practice, being able to use a system (in this case a comparison microscope with the Leica Map software) on site that allows you to do both optical and topographic analysis is a big advantage. The value of this novel approach used for the study reported in reference 10 was confirmed and appreciated by the reviewers during the publication process. However, this research is a first step and there are still some limitations to overcome. It is an objective fact that performing topographic analysis on site, i.e., not sending the samples out to a specialized, external lab, lowers cost. If for a case study the samples must be sent to an external lab for topographic analysis using an interferometric, confocal, or scanning probe microscope, frequently this analysis would lead to significant costs. Besides the analysis itself, there will be shipping, travel, and other incidental expenses. Furthermore, there is also a significant loss of time before the results are available when compared to doing the analysis in house. So, all parts of the process when comparing internal with external analysis has to be considered.”


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