數(shù)字全息測(cè)量超高速撞擊碎片云實(shí)驗(yàn)研究

薛志亮，朱有琦，謝愛(ài)民，吳迎春，周永剛，吳學(xué)成

(1.浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027；2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

隨著人類開(kāi)發(fā)太空步伐的加快，由于運(yùn)載火箭末級(jí)、人造衛(wèi)星和航天器失效或碰撞產(chǎn)生的空間碎片日益增多，已在地球周圍形成一個(gè)空間碎片包裹層。至今近地軌道以及地球同步軌道上彌漫的空間碎片總數(shù)已超過(guò)4千萬(wàn)個(gè)，總質(zhì)量達(dá)幾千噸[1-3]。空間碎片及微流星體與航天器的平均撞擊速度高達(dá)幾千米每秒，超高速撞擊會(huì)造成航天器表面的損傷和破壞，對(duì)在軌航天器的正常運(yùn)行帶來(lái)很大的危害。對(duì)已經(jīng)存在的較大空間碎片(直徑超過(guò)10 cm)一般采取監(jiān)測(cè)、預(yù)警、躲避的規(guī)避措施，然而對(duì)數(shù)目巨大的較小空間碎片，不但在地面上難以跟蹤觀測(cè)，而且與航天器交會(huì)的次數(shù)多，較難采取規(guī)避措施，只能采用被動(dòng)防護(hù)技術(shù)[4-5]。

被動(dòng)防護(hù)技術(shù)是保護(hù)航天器免遭空間碎片破壞的有效手段，其中較著名的是1947年Whipple提出的“Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)”，也稱雙層板防護(hù)結(jié)構(gòu)，即在艙壁外間隔一定距離設(shè)計(jì)一層薄板防護(hù)屏，使空間碎片撞擊防護(hù)屏后破碎成擴(kuò)散的碎片云，分散了空間碎片對(duì)艙壁的沖擊能量密度[6]。空間碎片撞擊薄板防護(hù)屏后形成的碎片云特性直接影響艙壁的撞擊損傷效果。基于超高速撞擊碎片云圖像研究碎片云的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、結(jié)構(gòu)特征和形成機(jī)理，可以為航天器的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)[7-8]。

目前碎片云圖像的實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段主要有多序列激光陰影成像技術(shù)[9-10]，X射線照相技術(shù)[11-12]，超高速相機(jī)捕捉技術(shù)[13]，全息照相技術(shù)[14-15]等。謝愛(ài)民等[10]先后建立2序列、4序列和8序列激光陰影成像系統(tǒng)，獲取了超高速碰撞過(guò)程中彈丸的飛行姿態(tài)及碰撞所產(chǎn)生的碎片云特性。Piekutowski[11]、管公順[12]和朱玉榮等[16]利用X射線照相技術(shù)獲取了碎片云不同時(shí)刻的圖像，得到碎片云的發(fā)展形態(tài)、擴(kuò)散速度和噴射角度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并總結(jié)碎片尺寸、數(shù)目與撞擊速度的函數(shù)關(guān)系。Mihaly等[13]和王猛等[2]利用超高速相機(jī)捕捉彈丸撞擊靶板產(chǎn)生的碎片云分布影像，分析了碎片云在空間上的分布特征及其隨撞擊速度的變化，同時(shí)發(fā)現(xiàn)非球形彈丸撞擊時(shí)的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)對(duì)碎片云分布形態(tài)有較大的影響。Nebolsine等[14]深入分析了全息技術(shù)測(cè)量超高速撞擊碎片云的系統(tǒng)要求，Werdiger等[15]利用離軸膠卷全息記錄了3.84 km/s運(yùn)動(dòng)碎片云的全息圖，Zhou等[17]首次采用同軸數(shù)字全息技術(shù)測(cè)量了超高速撞擊碎片云的三維結(jié)構(gòu)，重建出部分碎片的清晰輪廓，并給出了碎片的等效粒徑。超高速撞擊碎片云的結(jié)構(gòu)特征，尤其是碎片的粒徑分布和空間位置分布是防護(hù)屏設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。柳森等[18]通過(guò)在靶板的側(cè)后方放置多塊石蠟板的方式回收撞擊后的碎片，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)碎片的大小和質(zhì)量。何茂堅(jiān)[4]通過(guò)人工查數(shù)的方法分析X光照片得到直徑大于1 mm碎片的尺寸，統(tǒng)計(jì)了碎片大小和數(shù)量隨撞擊參數(shù)的變化。

數(shù)字全息技術(shù)具有三維、非接觸測(cè)量碎片云顆粒場(chǎng)的能力[19-22]，可以獲得碎片云的三維結(jié)構(gòu)以及碎片的形狀、粒徑和空間位置分布，克服了陰影成像、X射線照相和超高速相機(jī)捕捉技術(shù)僅能獲得碎片云二維結(jié)構(gòu)的局限性，在測(cè)量非球形彈丸和斜撞擊產(chǎn)生的非對(duì)稱碎片云結(jié)構(gòu)方面具有突出的優(yōu)勢(shì)。本文介紹了數(shù)字全息測(cè)量原理，在原有超高速碰撞設(shè)備的基礎(chǔ)上搭建納秒級(jí)脈沖激光數(shù)字全息系統(tǒng)，提出減弱超高速碰撞等離子體自發(fā)光、提高信噪比的方法，該技術(shù)已授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利[23]。利用標(biāo)定后的系統(tǒng)測(cè)量了2.25 mm鋁球彈丸以4.0 km/s的速度撞擊0.5 mm厚鋁板形成碎片云的全息圖，獲得了碎片云的三維結(jié)構(gòu)、粒徑分布和碎片形狀。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為碎片云模型的建立和數(shù)值模擬模型的優(yōu)化提供了參考。

1 測(cè)量原理

全息技術(shù)是一種基于光的衍射和干涉的波前重建技術(shù)，主要包括兩個(gè)步驟，全息圖記錄與數(shù)字重建。根據(jù)參考光與光軸有無(wú)傾斜角，可分為同軸全息和離軸全息。同軸全息光路系統(tǒng)簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用在流體力學(xué)、能源、環(huán)境等領(lǐng)域中顆粒物的三維測(cè)量[22]。圖1是平行光照射條件下，同軸全息記錄和重建過(guò)程的示意圖。平行光經(jīng)過(guò)顆粒散射的光線作為物光波(顆粒散射光)，沒(méi)有被顆粒散射的光作為參考光。物光波與參考光二者的光程不同，當(dāng)相位差滿足一定條件時(shí)發(fā)生干涉，形成的干涉條紋被CCD記錄形成全息圖。以標(biāo)量衍射理論為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)中模擬光的傳播，完成全息圖的數(shù)字重建，從而獲得顆粒的粒徑、形貌和三維位置等信息。全息圖的重建方法、顆粒識(shí)別及定位算法等更多詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)文獻(xiàn)[22,24-26]。

圖1 數(shù)字全息記錄和重建示意圖

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速碰撞中心7.6 mm超高速碰撞靶上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由超高速碰撞試驗(yàn)裝置、數(shù)字全息測(cè)量系統(tǒng)和時(shí)序精確控制部分組成。

2.1 超高速撞擊試驗(yàn)裝置

超高速碰撞試驗(yàn)裝置如圖2所示，由口徑7.6 mm的兩級(jí)輕氣炮、測(cè)控系統(tǒng)和靶室組成。氣炮工作時(shí)先將輕氣室抽真空后填充輕氣(氫氣或氦氣)，再將靶室抽真空，絕對(duì)壓力可低至10 Pa；然后點(diǎn)燃火藥，火藥燃燒膨脹產(chǎn)生高壓氣體推動(dòng)活塞壓縮輕氣，使輕氣室內(nèi)瞬間達(dá)到非常高的溫度和壓力；隨后膜片破裂，高溫高壓氣體驅(qū)動(dòng)發(fā)射管內(nèi)的彈托和彈丸沿發(fā)射管加速飛出；最后由于氣體阻力彈托和彈丸分離，彈托偏出彈道被攔截，彈丸繼續(xù)飛行撞擊靶板。彈丸經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器會(huì)擋光，使光電探測(cè)器發(fā)生響應(yīng)，根據(jù)響應(yīng)的時(shí)間間隔獲得彈丸的速度。

圖2 超高速碰撞試驗(yàn)裝置

2.2 數(shù)字全息系統(tǒng)

數(shù)字全息光路系統(tǒng)示意圖和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖3所示，主要由激光器，擴(kuò)束鏡，透鏡組，衰減片，532 nm濾波片及CCD相機(jī)組成。

圖3 數(shù)字全息光路系統(tǒng)

超高速?gòu)椡枳矒舯“瀹a(chǎn)生碎片云的運(yùn)動(dòng)速度和彈丸速度接近，達(dá)到幾千米每秒。現(xiàn)有相機(jī)的曝光時(shí)間最短1 μs，假設(shè)碎片運(yùn)動(dòng)速度3 km/s，則曝光時(shí)間內(nèi)碎片運(yùn)動(dòng)距離3 mm，產(chǎn)生明顯的拖影，不可避免的拖影相互重疊，造成顆粒識(shí)別困難和較大的粒徑測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)采用納秒級(jí)調(diào)Q脈沖激光作為光源，實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)動(dòng)碎片云的“凍結(jié)”，激光器型號(hào)Dawa-50，波長(zhǎng)532 nm，脈寬8 ns。

超高速撞擊碎片云不僅有向前運(yùn)動(dòng)的軸向速度，還有一定的徑向速度，隨著撞擊時(shí)間的推移，碎片云逐漸散開(kāi)，需要較大的視場(chǎng)才能完整地記錄碎片云的輪廓。實(shí)驗(yàn)采用擴(kuò)束器使光束直徑達(dá)到50 mm，進(jìn)一步布置直徑為50 mm和100 mm的凸透鏡組，焦距分別為100 mm和200 mm(如圖3(b)所示)，得到直徑90 mm的平行光束。光束穿過(guò)光學(xué)窗口照亮碎片云，隨后碎片云全息圖經(jīng)過(guò)透鏡組縮小被CCD記錄。CCD相機(jī)型號(hào)GE4900，最短曝光時(shí)間625 μs，分辨率為4872×3248，像素尺寸7.4 μm。

超高速運(yùn)動(dòng)物體在撞擊過(guò)程中將自身?yè)碛械木薮髣?dòng)能部分轉(zhuǎn)化為碰撞材料的內(nèi)能，導(dǎo)致碰撞材料的溫度會(huì)急劇增加，被加熱的材料達(dá)到足夠的溫度使原子和分子輻射出可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈的自發(fā)光會(huì)使相機(jī)過(guò)曝光，碎片的干涉條紋被“淹沒(méi)”[17]。記錄過(guò)程中相機(jī)的曝光時(shí)間長(zhǎng)達(dá)625 μs，不可避免地會(huì)受到碎片云撞擊觀察板自發(fā)光的影響。鋁原子的輻射峰值出現(xiàn)在波長(zhǎng)396.15 nm處[27-28]，采用帶寬20 nm中心波長(zhǎng)532 nm的帶通濾波片對(duì)自發(fā)光進(jìn)行濾波，允許532 nm信號(hào)光通過(guò)，大部分的自發(fā)光被過(guò)濾(如圖3(c)所示)。進(jìn)一步在相機(jī)前布置直徑50 mm，透過(guò)率1%的中性濾波片，由于全息圖信號(hào)光和自發(fā)光都被衰減了，通過(guò)提高激光能量，增強(qiáng)信號(hào)光，可以提高信噪比。

2.3 時(shí)序精確控制

超高速撞擊碎片云的運(yùn)動(dòng)速度非常快，從產(chǎn)生到撞擊觀察板整個(gè)過(guò)程僅有幾十微秒，為了準(zhǔn)確記錄某運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的碎片云全息圖，精確控制測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)序。在彈托和彈丸分離后，彈丸經(jīng)過(guò)兩個(gè)光電探測(cè)器，根據(jù)響應(yīng)時(shí)間間隔計(jì)算出彈丸的運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)一步得到彈丸撞擊靶板產(chǎn)生碎片云運(yùn)動(dòng)到視場(chǎng)中心的時(shí)間。測(cè)控系統(tǒng)將外觸發(fā)信號(hào)給數(shù)字延時(shí)發(fā)生器(型號(hào)DG645)。根據(jù)提前設(shè)定的時(shí)序，數(shù)字延時(shí)發(fā)生器給激光器點(diǎn)燈信號(hào)，接著給相機(jī)曝光信號(hào)，相機(jī)開(kāi)始曝光，等碎片云運(yùn)動(dòng)到視場(chǎng)中心，激光器收到信號(hào)開(kāi)始出光，相機(jī)記錄彈丸撞擊薄板形成碎片云的全息圖。雖然相機(jī)曝光時(shí)間625 μs，但激光照射時(shí)間僅有8 ns，可以認(rèn)為相機(jī)有效的曝光時(shí)間為8 ns。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用已知直徑的標(biāo)準(zhǔn)絲對(duì)測(cè)量視場(chǎng)的放大倍率進(jìn)行標(biāo)定，獲得等效像素尺寸。采用納秒級(jí)脈沖激光數(shù)字全息系統(tǒng)，精確控制測(cè)量時(shí)序，得到2.25 mm鋁球彈丸以4.0 km/s速度撞擊0.5 mm鋁板15 μs后的碎片云全息圖，重建得到碎片云的三維結(jié)構(gòu)、粒徑分布和碎片形狀特征。

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

超高速撞擊實(shí)驗(yàn)彈丸為直徑2.25 mm的鋁球，撞擊速度4.0 km/s，靶板為厚度0.5 mm的鋁板(模擬防護(hù)罩)，觀察板位于靶板后方120 mm，也為0.5 mm的鋁板。試驗(yàn)前靶室抽真空，絕對(duì)壓力35 Pa。調(diào)整控制系統(tǒng)時(shí)序，撞擊前165 μs激光器點(diǎn)燈，10 μs相機(jī)開(kāi)始曝光，撞擊后15 μs激光器出光，CCD相機(jī)記錄彈丸撞擊薄板15 μs后碎片云的全息圖。利用透鏡組，測(cè)量視場(chǎng)擴(kuò)大到原來(lái)的1.82倍，等效像素尺寸13.45 μm，視場(chǎng)大小44 mm×66 mm，視場(chǎng)中心距離靶板60 mm。

3.2 測(cè)量視場(chǎng)標(biāo)定

為了較完整地記錄碎片云的輪廓，在CCD前安裝透鏡組，以擴(kuò)大測(cè)量視場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)前用鐵絲懸掛標(biāo)準(zhǔn)絲放置在碎片云產(chǎn)生的位置，記錄鐵絲和標(biāo)準(zhǔn)絲的全息圖，如圖4(a)所示，標(biāo)準(zhǔn)絲的直徑為120 μm。由于光路系統(tǒng)中存在多個(gè)光學(xué)器件(透鏡、光學(xué)窗口、濾波片等)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生明顯的背景噪聲，如圖4(b)所示，采用擦鏡紙和酒精多次清洗，仍然存在較明顯的干涉條紋。

為了減弱背景對(duì)測(cè)量的影響，同時(shí)便于觀察目標(biāo)物體的全息圖，利用多張背景圖生成一張背景，采用去背景的方式得到目標(biāo)物體的全息圖，如圖4(c)所示，可以看出去背景后鐵絲和標(biāo)準(zhǔn)絲的全息條紋圖更清晰，背景更均勻。采用數(shù)字全息方法對(duì)去背景的標(biāo)準(zhǔn)絲全息圖進(jìn)行重建，景深擴(kuò)展后如圖4(d)所示。鐵絲和標(biāo)準(zhǔn)絲的重建圖像都很清晰，甚至可以看到局部打結(jié)的細(xì)節(jié)。統(tǒng)計(jì)不同位置處標(biāo)準(zhǔn)絲占的像素點(diǎn)數(shù)，平均值為8.91個(gè)，則實(shí)測(cè)直徑為65.93 μm，得到測(cè)量視場(chǎng)的放大倍率為1.82倍，也就是說(shuō)實(shí)際視場(chǎng)大小為CCD物理靶面大小的1.82倍。基于標(biāo)定結(jié)果計(jì)算鐵絲的直徑為2.50 mm，說(shuō)明搭建的數(shù)字全息系統(tǒng)能夠同時(shí)測(cè)量大碎片和小碎片，即使二者的距離較近，大、小碎片的尺寸和輪廓也能準(zhǔn)確識(shí)別。

圖4 標(biāo)定結(jié)果

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

超高速撞擊碎片云全息圖如圖5所示，該圖是去背景以后的碎片云全息圖，可以清楚地看到碎片云的輪廓以及碎片的干涉條紋。在碎片云的前端，有少量的小碎片，隨后碎片明顯稠密，干涉條紋互相疊加，可以判斷是由于彈丸的破碎形成的大量碎片，接著碎片的分布明顯稀疏，且存在一定的對(duì)稱性。

圖5 超高速撞擊碎片云全息圖

采用小波變換算法對(duì)去背景的碎片云全息圖進(jìn)行重建，重建距離60 mm到140 mm，間隔0.1 mm，重建截面800個(gè)，景深擴(kuò)展后的重建圖如圖6所示。碎片云的輪廓呈橢球型，可以分為三部分：碎片云的前端，主要由彈丸撞擊靶板后靶板的破裂形成，碎片較分散，粒徑在幾十微米到200 μm之間；碎片云的核心，主要由彈丸的破碎形成，碎片數(shù)量多，存在大碎片，且分布較集中；碎片云外殼，由彈丸后部(彈丸面向發(fā)射方向的部位)層裂構(gòu)成，分布稀疏，擴(kuò)散范圍廣。從圖6可以看出，大、小碎片的輪廓都很清楚，碎片形狀都不一樣，形狀不規(guī)則，多數(shù)呈長(zhǎng)條形。

圖6 超高速撞擊碎片云全息圖重建景深擴(kuò)展圖

進(jìn)一步對(duì)重建碎片進(jìn)行識(shí)別，一共識(shí)別出1080個(gè)碎片，根據(jù)碎片的聚焦曲線得到碎片的z軸坐標(biāo)，從而獲得識(shí)別碎片的三維位置，如圖7所示，圖中球的大小和顏色表示碎片的等效粒徑。從圖7可以看出,大碎片出現(xiàn)在碎片云的核心(頭部)，其前端均布有稀疏的小碎片，而300 μm～550 μm碎片分布在碎片云的外殼和前端，大量的小碎片分布碎片云頭部附近和外殼。參照碎片云在x-y平面上的投影，碎片云三維結(jié)構(gòu)的前部呈“傘蓋形”，中間突出對(duì)應(yīng)彈丸運(yùn)動(dòng)軸線，為彈丸和靶板最先接觸的位置。

圖7 碎片云的三維結(jié)構(gòu)

統(tǒng)計(jì)識(shí)別出的1080個(gè)重建碎片的粒徑分布，如圖8所示，粒徑范圍為34 μm～757 μm，平均粒徑109 μm，峰值粒徑75 μm，占比36.30%。碎片中小于100 μm的占比60.83%，100 μm～300 μm占比35.37%，大于300 μm的碎片僅占1.94%。同時(shí)，2.25 mm 彈丸以4.0 km/s的速度撞擊0.5 mm薄板產(chǎn)生的碎片云中大部分是小碎片，最大碎片僅有彈丸直徑的33.64%，說(shuō)明薄板較好地分散了彈丸的動(dòng)能，大大減輕了彈丸對(duì)后板的威脅。

圖8 碎片云的粒徑分布

靶板后方觀察板的圖像如圖9所示，可以較明顯地分為兩個(gè)區(qū)域。在彈丸的軌道對(duì)應(yīng)靶板中心附近彈坑數(shù)量多，穿孔嚴(yán)重，而在其外圍彈坑比較密集，多為小彈坑。對(duì)應(yīng)碎片云的三維結(jié)構(gòu)及粒徑分布，說(shuō)明碎片云對(duì)后板的損傷嚴(yán)重區(qū)域主要是碎片云頭部彈丸破裂形成的大碎片造成。

圖9 靶板后方觀察板圖像

4 結(jié) 論

在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心7.6 mm超高速碰撞靶上搭建納秒級(jí)脈沖激光數(shù)字全息系統(tǒng)。精確控制測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)序，采用532 nm帶通濾波片和中性衰減片消除超高速碰撞自發(fā)光的影響，利用高分辨率相機(jī)記錄碎片云的全息圖，獲得了2.25 mm鋁球彈丸以4.0 km/s速度撞擊0.5 mm鋁板15 μs后的碎片云全息圖，測(cè)量視場(chǎng)達(dá)到44 mm×66 mm。通過(guò)小波變換對(duì)碎片云全息圖進(jìn)行重建，得到超高速撞擊碎片云的三維結(jié)構(gòu)，碎片的形狀及粒徑分布。大碎片分布在碎片云核心區(qū)，中等大小碎片分布在碎片云的外殼和前端，大量的小碎片分布在碎片云頭部附近和外殼。撞擊形成碎片云的等效粒徑范圍34 μm～757 μm，平均粒徑109 μm，峰值粒徑75 μm，占比36.30%。本文首次實(shí)驗(yàn)測(cè)得了超高速撞擊碎片云較完整的三維結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計(jì)了碎片的粒徑分布，為數(shù)字全息技術(shù)在超高速碰撞領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。