戰斗部靜爆場破片參數測試技術發展現狀

武錦輝，劉 吉

(1.中北大學 電子測試技術重點實驗室， 太原 030051) (2.中北大學 信息與通信工程學院， 太原 030051)

戰斗部是常規導彈的重要組成部分，用以摧毀、破壞目標，殺傷有生力量，完成戰斗使命的主要部件[1-2]。常規戰斗部根據形成毀傷的特點及毀傷機理可分為殺傷戰斗部、爆破戰斗部、侵徹戰斗部、聚能戰斗部等[3]。殺傷戰斗部又分為自然破片、預制破片和預控破片戰斗部3種[4-7]。爆炸場中戰斗部破片速度、形狀、分布等參數是評價其毀傷效能的重要依據，在戰斗部設計、定型、生產、檢驗等環節中成為必要的參考依據，爆炸當量從幾十克至幾百千克不等，爆炸場中的戰斗部破片的類型、干擾因素、測試環境、測試參數等要求也不盡相同，有些爆炸場還會產生活性破片(發光、發熱、具有縱火功能的破片)，這些爆炸場的測試需求對測試原理和測試手段都提出更高的要求。爆炸場中破片參數測試存在以下難點和需求：

1) 戰斗部爆炸場測試環境十分惡劣，存在火光、振動、沖擊、煙塵等多種破壞和干擾因素，傳統的接觸式測試手段常常是只能單次使用，漏測或異常數據時有發生，又無跡可尋。

2) 破片尺寸小、速度高(初速大于2 000 m/s)，要求測試系統兼顧靈敏度和響應速度，電子系統要具有較大的帶寬，光學成像方法要求具有高分辨率和幅率。

3) 破片分布范圍大，不但有相對爆炸中心呈現一定的角度分布，還有因為速度不同呈現同方向的前后分布；定向破片戰斗部，破片飛行方向固定，但是破片密度相較高。要求測試系統有效區域大，且數據捕捉率高；

4) 多破片相互參數各異，如頭破片與尾破片速度相差很大，自然破片尺寸各異，預制破片由于不同位置所受到的力學作用機理復雜，動態參數差別也較大。這就要求測試系統要有很好的適應能力，并對破片場毀傷效能的評估要由綜合多破片參數得出。需采樣要完整，單純獲得部分數據無法全面準確的作出評價[8-9]。

5) 戰斗部爆炸場是三維空間，孤立的分析破片各個參數無法作出準確評估，只有將破片的速度、形狀和分布對應的統一起來，實現三維重構，才能全面評價其毀傷效能。

1 傳統接觸式測試方法

1.1 靶板法

靶板法是國內外測試破片分布普遍采用的方法之一。即在破片的散布區一定角度內布置拼接的靶板，形成一堵“墻”，位于炸心的戰斗部爆炸后，破片飛行擊中靶板，試驗后由人工判讀破片在一定角度內的分布。靶板的材質多為木板或鋼板。實驗結束后采用人工判讀的方式做標記進行統計分析。鋼板構成的靶板還可以進一步分破片的侵徹能力。圖1是荷蘭TNO Prins Maurits 試驗室采用靶板法進行破片分布測試的現場圖片。這種方法效果直觀，但是靶板只能單次使用，實驗前的布置工作與實驗后的統計工作都需要大量工作量，因此實驗成本高和實驗效率比較低。同時分布參數與其他參數也無法關聯。Cranfield大學軍械測試與評估中心曾采用多路開關測破片分布[10]，如圖2所示。

國內靶場常常采用梳狀靶測試破片速度、鋼板分區統計破片分布，這種測量方式測試設備單次使用，多個破片的速度和分布關系無法對應。XXX戰斗部速度參數測速梳狀靶[11-12]如圖3所示。

圖1 荷蘭TNO試驗室破片分布測量圖

圖2 坎菲爾德大學破片分布電測法現場

圖3 狀靶布置圖

1.2 鋁箔靶

根據定距測時法，使用鋁箔構成斷靶。由于戰斗部爆炸時會產生強大的沖擊波，鋁箔靶單次測試后，無論是否有破片穿過鋁箔都會被損壞[13][14]，需重新布靶，不能重復測量，測試效率較低。國內許多測試單位仍沿用通斷靶進行破片速度測試，某實驗單位曾使用通斷測得偏心式戰斗部破片速度[15]，其鋁箔靶如圖4所示。

1.3 梳狀靶

PSI公司曾開發了單元尺寸為4ft×8ft 測破片分布的多道開關靶，該裝置曾獲SBIR獎[16]，其工作原理及現場布置，如圖5所示。由水平的12個鋁箔電極條和豎直的7個鋁箔電極條將空間分割成84個破片分布測試分辨區形成前后兩個幕，水平與豎直電極間形成絕緣層。當破片飛行撞擊穿越前后兩個電極陣列時，飛行區域的鋁箔電極條斷開，形成開關信號經編碼電路，采集卡采集數據并處理。

圖4 破片測速時使用的鋁箔靶

圖5 PSI公司多道開關靶

2 高速成像法

2.1 間接攝影法

間接攝影法包括碰擊法和穿孔法，這兩種方法都是利用高速攝影來拍攝戰斗部破片，從引爆開始到破片到達靶面的時間，時間間隔的起和停都是利用發光信號記錄下來的，以戰斗部爆炸發光作為起動信號，以破片在靶面處的發光作為停止信號。

1) 碰擊法

碰擊法是以鋼板作為靶，利用破片碰擊鋼板發光作為停止信號，如圖6所示。

2) 穿孔法

穿孔法[17]的靶板為不透明的紙板，在靶中添加照明燈光系統，美國曾采用破片信號啟動的閃光裝置，其原理如圖7所示。

圖6 碰擊法原理圖

圖7 穿孔法原理圖

直接攝影法是在距爆炸戰斗部較近的位置上拍攝破片群運動的陰影圖像，測得在距爆心較近的距離上，在較小的區間(～cm)內破片的運動速度以及速度的變化。速度值利用膠片運動分析儀處理得到，該方法與前面2種方法的測試原理不同，它是利用1個破片控制裝置，使戰斗部爆炸以后，只有沿彈體上1條子午線及附近生成的破片能夠飛散出來，從目前的研究水平來看，這種方法可以測到10個以上的破片。圖8為美國2005 NDIA (National Defense Industrial Association)會議資料中采用相機進行破片速度及分布測試的系統示意圖[18]。

圖8 美國國防工業協會破片速度及分布測試系統示意圖

美國國防部彈藥和爆炸物危險等級分類程序中提及采用高速攝影測試戰斗部破片速度，在爆心周圍布置接彈包用以統計破片分布情況[19]，其測試方法如圖9所示。2004年澳大利亞智能制造與設計會議資料中也提及了破片分布測試方法[20]，如圖10所示。

圖9 美國國防部彈藥和爆炸物危險等級分類程序破片參數的測試方法

圖10 澳大利亞智能制造與設計會議資料中破片分布測試

美國Sandia試驗室采用高速攝影方式對不同種類戰斗破片速度和空間分布進行測試，測速范圍可達1 900 m/s[21]，其攝影裝置如圖11所示。

圖11 美國桑地亞國家試驗室高速攝影裝置

破片參數測試系統采用高速攝影測量破片參數，其優點是能夠拍攝到爆炸時的過程，但它只能拍攝局部過程，而不是全部過程，因此在速度計算時也只能計算拍攝到的為數不多的幾個破片的速度，并且在計算時需要通過人工辨別后進行計算，很容易產生誤差，因而精確性不高。高速攝影儀器價格昂貴，使得它的適用范圍受到限制。

2.2 相機交匯法

雙CCD交匯立靶在豎直平面放置兩個線陣CCD相機，兩相機的光軸交于空間的某一點，構成一個豎直的光電測量靶面(如圖12)，以兩相機的光學中心連接線為X軸，以垂直于連線的軸為Y軸[22-25]。只要知道已有參數光學系統焦距f，測出基線長d，角度量α和β和測得參數像距h1和h2，便可確定靶面內任意一點C的坐標(X，Y)。該方法容易由于立靶結構偏差引入測量誤差。雙CCD相機要求有共用觸發信號源實現嚴格的同步[26]。

圖12 雙CCD交匯立靶示意圖

2.3 X射線陰影成像法

采用脈沖X射線陰影攝影的方法測量破片速度和分布，如荷蘭的TNO Prins Maurits試驗室采用兩個脈沖X射線源獲取破片群的陰影攝影圖像(如圖13所示)，再經圖像處理得到破片空間分布[27]，測試可在室內進行。該方法圖像較為模糊，圖像處理容易引入誤差。測試設備價格昂貴，技術復雜。

圖13 荷蘭TNO Prins試驗室破片速度測量

2.4 破片軌跡成像法

根據雙目立體視覺原理采用兩臺高速相機記錄破片在視場范圍內圖像序列，解算破片運動軌跡信息，再利用獲得的時空關系數據和運動規律建立運動參數解算模型，從而獲取破片初速和速度衰減系數[ 28-29 ]。該方法相對雙相機交匯形成靶面的測量方式，布設更簡單，可獲取多破片在不同時刻的速度、坐標信息，在系統標定、軌跡解算等方面還需進一步探索。雙目視覺破片軌跡測試方案布站，如圖14所示。

圖14 雙目視覺破片軌跡測試方案布站示意圖

3 光幕測試法

3.1 LED多光幕組合法

西安工業大學提出了六光幕光電系統用于彈丸或破片速度及坐標測試[30-32]，并進行了驗證性試驗。根據多個LED光幕之間的相對位置和角度推導出經過物體的速度和坐標信息。由于采用框架式結構適合測試彈丸參數，對威力小、散布小的模擬破片可進行測試。測試系統如圖15。

3.2 激光光幕靶

中北大學采用激光光幕，光電檢測、高速數據存儲、軟件數據處理、光干擾抑制等技術，研制成功多種型號激光光幕破片速度測試系統，以實現戰斗部爆炸產生破片飛行速度和分布的全天候、連續、可重復、實時、非接觸光電檢測[33-34]。該測試設備速度參數采用定距測時法，精度較高，分布測試只能采用多臺陣列完成區域分布的統計，無法實現對具體破片的形狀、坐標的測試。中北大學研制激光光幕破片測速儀及現場分布[35-36]，如圖16所示。

圖15 六光幕速度、坐標測試系統

圖16 中北大學激光光幕破片測速系統

4 各破片參數測試方法對比分析

根據各種測試手段的測試機理，將其基本原理及特點進行比對，如表1所示。

表1 戰斗部靜爆實驗破片參數測試方法

5 靜爆場破片參數測試技術的發展趨勢

隨著新型戰斗部研發和使用，靜爆試驗測試將朝著更高參數范圍(速度范圍大于3000m/s，破片最小尺寸小于2mm，爆炸TNT當量大于500Kg)、更精確的測試精度、多參數(速度、分布、尺寸)協同測試、更高效的測試手段發展，具體的以下技術將成為研究的熱點：

1) 高速成像測量法的實用化和拓展研究。

隨著高速成像設備技術指標的不斷提升，相機交匯法、立體視覺軌跡法等技術將進一步發展成熟，相關的標定算法、多相機拼接算法、圖像處理與參數反演算法都將成為研究的內容。特種相機成像技術也將在靜爆測試中得到應用，光場相機可提升成像景深范圍；偏振相機、紅外相機、X射線相機可用來抑制火光、煙塵干擾；像增強相機可用來拓展相機的靈敏度，以改善自然照明不足的問題。此外，同步問題、照明問題、觸發信號源的研究都將等到進一步的研究。

2) 光幕測量手段改進和性能的提升

針對目前光幕測量設備存在的問題，開展優化研究。針對激光光幕破片測速儀布設時需要合作目標的問題，開展無合作目標主動式測速方法研究，可能涉及光調制技術、線偏振光測試技術等；針對多幕測試裝置調試復雜、不易防護的問題，開展多光幕天幕靶的研究；針對野外現場試驗的需求，開展設備小型化、智能化方面的研究，涉及現場存儲、遠程無線傳輸、自組網等技術的研究。

3) 傳統技術的優化

傳統的靶板、梳狀靶、鋁箔靶等方法仍然是其他新方法的可靠補充。與新技術的結合可提高測試效率、節約測試成本。如采用相機成像法拍攝侵徹后的靶板圖像再運用圖像處理技術，可準確、快速獲得破片分布，避免了人工判讀耗時耗力、精度度的問題；改進梳狀靶的信號處理電路，不但可以獲得破片速度還可同時獲得破片坐標。