戰斗部破片場參數測試技術發展綜述

武江鵬,喬明軍,閆振綱,賈養育,駱 強,孫衛平,任 勐

(西安現代控制技術研究所， 西安 710065)

殺爆戰斗部爆炸后形成的沖擊波超壓場和破片場是對目標形成殺傷的主要毀傷元，破片場參數如破片群飛散角、飛散密度、破片大小、數量、飛行速度、速度衰減系數等對戰斗部的作戰效能有著重要影響[1]。目前國內靶場主要參考“GJB3197—1998炮彈試驗方法”對戰斗部靜爆破片速度、殺傷半徑與空間分布進行測試[2]，由于戰斗部爆炸強火光煙塵、強沖擊振動，破片群數量較大、飛散方向各不相同，導致測試設備布設與防護，破片場數據采集與處理非常困難。隨著軟硬件技術發展，破片測試技術主要有靶板法、光電靶、雷達、聲靶、多光譜探測、X射線成像、超高速攝影等光學成像方法，每種測試方法有自己的優缺點：靶板法布設和回收破片費事時費力，雷達多目標信號處理較復雜，光電靶僅能捕獲有限數量的破片且防護困難，X閃光成像成本高僅能成像數幀破片圖像等等[3-4]。

精確的靜爆破片場參數是構建戰斗部威力模型的基礎，也是動爆條件下破片場分析的前提，戰斗部的落速、落角和炸高決定彈目交匯條件，影響戰斗部的殺傷威力[5]。因此有必要對戰斗部靜爆和動爆破片場參數進行綜合測試，從而掌握目標高效毀傷方法，為建立目標武器彈藥毀傷評估系統提供足夠的數據支撐[6-7]。隨著新型戰斗部技術的發展，如定向爆破戰斗部、低附帶損傷戰斗部等，對破片參數測試提出新的需求：一是數量上獲取充分的戰斗部破片數據，二是質量上獲取精確的破片群數據，三是解決新型戰斗部特有的破片參數。本文對最近幾年國內外戰斗部破片參數測試技術進行追蹤，重點對國外破片測試方法進行技術分析，最后對其發展進行了總結和展望。

1 國內破片測試研究現狀

目前，國內靶場主要采用球形靶環形靶板對戰斗部靜爆試驗過程中的破片空間分布特性進行測試，對于大當量戰斗部采用矩形靶或L形靶進行數據回收[8]，由于數據是試驗后人工查靶統計錄入，難免存在誤差，并且靶板法僅能對部分破片進行測試，無法測出破片速度。由于光電靶具有探測靈敏度高、響應速度快、非接觸測試等優點，已得到廣泛應用。光幕靶是由數個發光二極管和光敏二極管組成發射接收陣列即光幕，當破片通過光幕時對應位置的光敏二極管輸出脈沖電信號，計時儀記錄時刻值，破片飛過前后兩個光幕靶依據定距測時差計算出破片的飛行速度[9]。由于破片飛行方向與光幕靶布設位置不是嚴格垂直，破片實際飛行距離大于光幕靶間距，導致測速誤差較大。為解決以上問題，田會等人設計一種環形光幕測速靶[10]，可以測量任意方向的破片速度，但是當多個破片飛過光幕靶時，出現多破片無法匹配問題，僅能測出多破片的平均飛行速度。激光光源由于單色性好、光束質量高，與光電接收裝置組成激光光幕靶對破片速度進行測試[11-12]。受戰斗部爆炸強火光、強沖擊振動等影響，激光光幕靶輸出信號噪音較大，對破片信號的自動識別和處理較困難，需通過相關分析、小波濾波等信號處理方法加人工判讀對破片信號進行分辨。為解決大當量戰斗部爆炸時強火光對激光光幕靶信號影響，劉吉等[13]對爆炸火光光譜進行分析，選擇爆炸火光光譜范圍外的光源和探測器組成光幕靶面，獲得較高信噪比的破片過靶波形，對破片的捕獲率有很大提高。

導致多破片信號無法匹配或分辨的主要原因是前后光幕靶僅輸出脈沖信號，對破片群的外形尺寸、位置、大小等特征信息均沒有參與數據處理獲取，采用激光光幕與高速線陣相機配合[14]，對經過光幕的破片進行成像，利用雙目視覺原理對破片進行空間定位，多個空間測試靶面進行信息融合可以得出破片空間散布、破片飛行速度、飛行角度等參數[15]。

相比于靜爆測試，戰斗部動爆破片場參數測試為武器彈藥的毀傷效能評估、戰斗部的優化設計等提供更具有實戰化意義的數據。國內有單位利用微波雷達對彈藥動爆破片參數測試進行研究[16-18]，通過仿真對雷達復雜信號回波進行建模和仿真分析。由于遠離爆炸點，爆炸沖擊波和飛行破片對雷達設備影響較小，但是破片群數量多、破片雷達散射截面RCS小、有效測量時間短、破片速度變化大、破片向不同方向飛散等因素導致雷達回波信號較復雜，對信號分析提出較大的挑戰。針對戰斗部動爆條件下破片參數測試，目前沒有其他測試手段的具體應用報道。

2 國外破片參數測試發展現狀

美國戰斗部靜爆破片場參數測試遵從聯合彈藥效能手冊(Joint Munitions Effectiveness Manual，JMEM)中規定的標準和測試方法。美國靶場早期也采用木板靶、草垛靶進行戰斗部靜爆破片測試，在測試結束后進行破片回收和數據統計。2001年美國物理科技公司(Physical Sciences Inc)交付給恩格林空軍基地的破片場分析測試系統FRAT，其測試現場如圖1所示，電子靶板最大可由96塊組成[19]，每塊電子靶板由前后兩層梳狀電路進行編碼，可測試每個破片的穿靶位置和穿靶時間。電子靶后布設破片回收裝置統計出破片的大小和質量，根據破片速度衰減計算模型可以算出每個破片的飛行速度。

圖1 FRAT破片場測試系統測試現場

靶板法由于布設和數據采集費時費力，因此目前正向光電磁等非接觸測量方法發展。2009年美國陸軍實驗室報告(ARL-SR-179)中指出，目前破片式戰斗部威力測試依然采用試驗后收集破片并生成Z-data文件，不斷完善戰斗部毀傷威力數據庫[20]。但是戰斗部靜爆采集破片數據跟實際作戰有差距，戰斗部運動速度對破片的飛散方向以及沖擊波方向擴散都有較大影響，因此在美陸軍阿伯丁試驗場進行戰斗部動爆試驗，采用測速雷達獲取戰斗部動爆速度，高速數字相機和纖維靶板獲取動爆條件下的破片群參數，原理示意圖如圖2所示。根據回收的破片散布程度以及戰斗部的運動速度進行毀傷威力分析，發現其對破片射束方向過估計，而對戰斗部頭部和尾部欠估計。

2015年美國恩格林空軍基地第96測試中心在“先進武器毀傷效能測試能力”(Advanced Weapons Effects Test Capability,AWETC)報告中指出目前的靜爆測試方法僅能捕獲部分戰斗部爆炸破片，不能捕獲充分的破片數據來估計戰斗部毀傷半徑(無論是破片數量上還是數據質量上)，不能解決新型低附帶損害戰斗部的破片特性測試，其示意圖如圖3所示。

圖3 戰斗部靜爆破片捕獲及數據缺失示意圖

為此他們制定了戰斗部毀傷評估測試目標，即收集戰斗部靜爆上半球數據來恰當評估武器戰斗部毀傷效能，并且要實現：① 破片隨時間的空間位置測量；② 每個破片的速度矢量(速度、射向)測量；③每個破片的物理特性(大小、形狀、迎風面積等)測量。對破片場參數測試的預期指標如表1所示[21]。

表1 戰斗部破片場參數測試預期指標

2014年由美國海軍發起的SBIR科研項目“Automated Warhead Characterization”，目的是開發一套全新的、高效低成本的測試系統，完成彈藥爆炸過程中全范圍、開闊空間內破片質量、幾何形狀以及速度信息的測量[22-23]。目前已經有幾家高科技公司參與其中，相關技術進展情況見表2所示。可以看出大部分公司采用了光學成像的方法對爆炸瞬間立體成像，然后通過圖像處理方法對多破片進行空間識別、檢測、追蹤以及立體重建。

表2 美海軍SBIR N141-007科研項目進展情況

美國Torch技術公司由美陸軍資助的科研項目“Stereo Camera Optical Tracker”也是采用機器視覺光學追蹤的方法對破片場參數進行測試[24]。多個高速高分辨率相機視場拼接組成焦平面陣列，如圖4(a)所示，遠距離對戰斗部爆炸瞬間進行拍攝，利用圖像拼接關聯、視覺檢測及多目標追蹤、破片尺寸測量和立體重建等圖像處理方法對每個破片進行飛行軌跡擬合，并給出破片位置、速度以及彈道系數，圖4(c)所示。目前這套系統已在美空軍恩格林基地進行靶場測試，實現每個高速相機12 m×12 m視場范圍內對6 mm尺寸大小的破片跟蹤，破片捕獲率大于80%，破片速度測試精度大于95%。

圖4 美Torch科技公司對破片場參數測試結果

美國國防部作戰試驗與評估中心(Director,Operational Test and Evaluation)每年的年度工作報告中均有對年度內開展的實彈毀傷測試評估相關項目及研究方向進行總結[25-28]，報告稱正在研究立體成像技術對彈藥毀傷效能進行更高效精確地測試評估，這項技術對未來彈藥發展特別是定向能或聚焦式戰斗部提供極為重要的數據收集方法。目前該項技術已在MK84空地炸彈戰斗部靜爆測試中應用，并成功識別追蹤到1016個破片。

2016年美國桑迪亞國家實驗室采用閃光X射線和高速攝影技術對戰斗部爆炸破片飛散過程進行測試[29]，其過程如圖5所示。X射線穿透爆炸火球及煙塵，對破片初始狀態擴散、破片旋轉進行成像。報告稱目前使用的是9個Marx高壓脈沖發生器序列化成像技術，成像速度達到250 000 f/s，利用數字圖像相關技術對破片場進行3D重構和展示。

圖5 MK84戰斗部靜爆測試爆炸火球中的破片群測試過程

不同測試方法有其各自的優缺點：

1) 靶板法，測試成本低，但是數據采集回收費時費力；

2) 光電法(天幕靶、激光幕靶)，測速精度較高，但是不易防護，采集的破片數據較少；

3) 聲測法，系統成本低，但是測速、位置精度較差，不能確定破片尺寸；

4) 測速雷達，遠距離測試系統易防護，但是信噪比低，可測破片尺寸較大(1～2cm)，成本較高；

5) 多光譜探測法，探測器能透過火球觀測爆炸過程，但當前分辨率及采集速率較低；

6) 光學成像方法，具有較高的分辨率、采集速度以及快門速度，但破片群圖像處理方法復雜。

3 結論

可以看出破片場參數測試技術正朝著參數綜合化、精確化、動態化方向發展。

1) 國外采用立體視覺成像的方法對破片群識別和跟蹤是發展趨勢，利用圖像處理方法及視覺3D重構技術對戰斗部爆炸破片群毀傷元進行時空描述。由于戰斗部爆炸伴隨的強火光、強沖擊振動、煙塵顆粒等對圖像污染嚴重，破片群擴散范圍較大、數量多，對大功率主動照明、高速相機視場拼接、光學現場標定、圖像防抖降噪、多目標識別與連續跟蹤等技術提出新的技術要求。

2) 戰斗部在動爆條件下受彈藥落速、落角、炸高等因素的影響，其破片威力場在三維空間內呈現不規則分布，而目前對破片群參數測試大多在靜爆條件下進行，動爆條件下破片群參數主要用靜爆參數和彈藥終點彈道參數進行矢量耦合計算，靜動爆關聯模型有待驗證。因此需要對動爆條件下戰斗部破片群參數測試技術進行研究，重點是動爆條件下測試設備的布設方法與防護措施。對彈藥或戰斗部的優化設計，彈藥作戰使用都具有指導意義，如戰斗部預制破片的分布、戰斗部裝藥和起爆方式、引信作用距離等等。

3) 模型完備性和測試數據準確性

采用數學仿真模擬方法結合全面先進的戰斗部毀傷元測試技術，根據靶場試驗結果不斷修正戰斗部靜動爆威力場數學模型，從實戰角度評價武器戰斗部的毀傷威力，有效縮短戰斗部或武器型號的研制周期，提高武器的作戰效能。