水下爆炸高速攝像照明光源設(shè)計(jì)

張姝紅，劉 靜，金 輝，張永坤

(1.中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)， 遼寧 大連 116041； 2.大連市公安局視頻中心， 遼寧 大連 116011)

采用高速攝像機(jī)在水中拍攝爆炸圖像是開(kāi)展爆炸毀傷特性研究的一種重要測(cè)量手段，可用于裝藥水中爆炸現(xiàn)象及目標(biāo)結(jié)構(gòu)毀傷效果的圖像拍攝[1-6]。在水中實(shí)施爆炸圖像拍攝時(shí)，由于拍攝速率高，曝光時(shí)間短，因此攝像機(jī)對(duì)光照強(qiáng)度要求也相應(yīng)的提高；同時(shí)水對(duì)光有很強(qiáng)的吸收作用，實(shí)驗(yàn)表明光在水中傳輸時(shí)的能量隨距離的增加按指數(shù)規(guī)律迅速地衰減。因此，水中爆炸圖像拍攝時(shí)隨著拍攝距離和布放深度的增加會(huì)光照度不足，影響圖像拍攝效果。因此，在拍攝水中爆炸圖像光照不足時(shí)需要提供輔助的照明光源，以滿(mǎn)足拍攝需求。設(shè)計(jì)了一種抗水中爆炸沖擊的照明光源，利用ABAQUS軟件對(duì)近場(chǎng)水中爆炸作用下的光源防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和減振效果進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算[7-8]，采用碼頭實(shí)爆試驗(yàn)檢驗(yàn)光源的整體抗沖擊性能，通過(guò)水中照明性能測(cè)試驗(yàn)證了水中照明能力。

1 光源的總體設(shè)計(jì)

目前，水中爆炸試驗(yàn)中使用的照明光源主要包括Led照明光源、氙燈照明光源、鹵素?zé)粽彰鞴庠?、激光照明光源等。設(shè)計(jì)水中照明光源時(shí)需綜合考慮光源在水中爆炸沖擊條件下使用的環(huán)境條件，如光源頻閃、發(fā)光效率和散熱、發(fā)光角度、發(fā)光穩(wěn)定性，以及光源防護(hù)減振結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能和抗爆炸流場(chǎng)作用下的穩(wěn)定性要求等因素。

綜合考慮上述因素，對(duì)比各種光源性能，通過(guò)攝像機(jī)水下拍攝光照需求的分析計(jì)算，選擇50 W正白光LED燈作為高速攝像機(jī)水中爆炸圖像拍攝時(shí)的輔助照明光源；采用外部直流供電方式實(shí)現(xiàn)光源供電，避免光源產(chǎn)生頻閃；采用散熱溶液實(shí)現(xiàn)光源散熱，光源可連續(xù)工作8 h以上；光源前端采用有機(jī)玻璃研磨成半球形聚光鏡，將發(fā)光光束控制在設(shè)計(jì)角度之內(nèi)；防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用模具彈簧對(duì)光源實(shí)現(xiàn)減振防護(hù)，在光源尾部采用1支規(guī)格為70和4支規(guī)格為55的模具彈簧、前部采用6支規(guī)格為55的模具彈簧作為垂向緩沖器件，上下左右使用12支規(guī)格為55的模具彈簧作為垂向緩沖器件，減振輸出要求不大于2g；采用流體力學(xué)理論設(shè)計(jì)攝像機(jī)防護(hù)結(jié)構(gòu)外部線型[9]，防護(hù)結(jié)構(gòu)主體為圓柱形，外徑220 mm、長(zhǎng)308 mm，尾部為截錐體型，長(zhǎng)90 mm，具有抗爆炸流場(chǎng)的線型設(shè)計(jì)；防護(hù)結(jié)構(gòu)的材料選擇316 L不銹鋼，厚度為8 mm，前端為50 mm厚的有機(jī)玻璃，由法蘭和緊固螺栓連接，并加橫向和縱向密封墊圈以保持結(jié)構(gòu)在高動(dòng)壓作用下的水密。防護(hù)結(jié)構(gòu)抗水中爆炸沖擊波壓力為15 MPa。光源防護(hù)結(jié)構(gòu)上下有固定吊環(huán)，使用時(shí)通過(guò)支架進(jìn)行固定。光源設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 仿真計(jì)算

仿真計(jì)算工況設(shè)計(jì)為：光源在水下30 m，炸藥水平距光源正面9 m，藥量30 kg當(dāng)量TNT，光源前端沖擊波壓力理論峰值15.75 MPa。表1為計(jì)算工況。

爆源當(dāng)量/kg爆距/m深度/m30930

由Hypermesh軟件建立LED光源和防護(hù)結(jié)構(gòu)幾何模型和有限元模型，然后導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行水中爆炸數(shù)值模擬。

防護(hù)結(jié)構(gòu)由3 456個(gè)S4R殼單元組成，LED燈座由768個(gè)S4R殼單元組成。聚光鏡由個(gè)680個(gè)C3D8R三維應(yīng)力單元和50 248個(gè)C3D4三維應(yīng)力單元組成，前端防護(hù)玻璃由1 700個(gè)C3D8R三維應(yīng)力單元組成。散熱溶液由672個(gè)AC3D8R聲學(xué)單元組成，外部水域?yàn)榍蛐?，半徑為防護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的3倍(1.194 m)，由78 336個(gè)AC3D8R聲學(xué)單元組成。

防護(hù)結(jié)構(gòu)和燈座的面網(wǎng)格平均邊長(zhǎng)0.01 m。燈頭、防護(hù)玻璃、散熱溶液網(wǎng)格平均邊長(zhǎng)0.01 m，外部水域網(wǎng)格邊長(zhǎng)由內(nèi)部0.01 m漸變到外部0.08 m。圖2為光源和防護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型，圖3為防護(hù)結(jié)構(gòu)周?chē)蛴邢拊Ｐ汀?/p>

彈簧由ANAQUS給出兩結(jié)點(diǎn)之間的連接屬性模擬。計(jì)算總時(shí)間為0.5 s。

仿真計(jì)算參數(shù)包括防護(hù)結(jié)構(gòu)的不銹鋼材料參數(shù)、減振模具彈簧參數(shù)和有機(jī)玻璃的力學(xué)參數(shù)[10]。表2為防護(hù)結(jié)構(gòu)不銹鋼材料屬性，表3為減振彈簧參數(shù)，表4為防護(hù)結(jié)構(gòu)有機(jī)玻璃力學(xué)參數(shù)。

表2 防護(hù)結(jié)構(gòu)不銹鋼材料屬性

表3 彈簧參數(shù)

表4 有機(jī)玻璃力學(xué)參數(shù)

仿真計(jì)算顯示，當(dāng)光源固定安裝時(shí)，最大加速度在0.003 s出現(xiàn)在LED燈座尾部中心處，加速度為10.9 m/s2。圖4為仿真計(jì)算的LED燈加速度云圖。

計(jì)算顯示固定安裝的光源防護(hù)結(jié)構(gòu)后端應(yīng)力大于前端，后部截椎體固定位置應(yīng)力最大，前端防護(hù)玻璃與主體結(jié)構(gòu)過(guò)度處應(yīng)力較大，后部截錐體結(jié)構(gòu)與主體連接處有一定的應(yīng)力集中；防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大位置在防護(hù)結(jié)構(gòu)尾部截錐體安裝吊環(huán)位置，在0.001 s出現(xiàn)最大應(yīng)力，為242 MPa。圖5為仿真計(jì)算的防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。

仿真計(jì)算結(jié)果表明：光源防護(hù)結(jié)構(gòu)所選的材料參數(shù)基本滿(mǎn)足光源防護(hù)要求；尾錐吊環(huán)處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，但對(duì)內(nèi)部光源安全不會(huì)產(chǎn)生明顯影響；在防護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)物加工時(shí)，尾錐不銹鋼厚度增加了1 mm，加工完實(shí)物后開(kāi)展了水中實(shí)爆驗(yàn)證試驗(yàn)。

3 抗水中爆炸沖擊驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)在碼頭開(kāi)闊海域?qū)嵤礊? kg黑索金，光源和爆源通過(guò)支架固定，光源前端防護(hù)玻璃距爆源3.54 m，試驗(yàn)過(guò)程中光源處于發(fā)光工作狀態(tài)；爆炸時(shí)刻采用水中爆炸測(cè)量設(shè)備測(cè)量光源前端防護(hù)玻璃位置處的水中爆炸沖擊波壓力。

試驗(yàn)結(jié)束后回收光源，LED光源仍工作正常，防護(hù)結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)塑性變形并保持水密，防護(hù)玻璃未破損。實(shí)測(cè)的光源防護(hù)玻璃位置的沖擊波壓力峰值為15.15 MPa，圖6為實(shí)測(cè)的沖擊波壓力時(shí)程曲線。

4 照明效果檢驗(yàn)

光源照明效果驗(yàn)證在實(shí)驗(yàn)室水池?zé)o其他照明光源的晚上實(shí)施，驗(yàn)證時(shí)將攝像機(jī)和1盞光源同向放置，攝像機(jī)距目標(biāo)9 m，光源距目標(biāo)7 m，目標(biāo)為直徑50 mm的鋼管，檢驗(yàn)攝像機(jī)在不同拍攝頻率下光源的照明效果。圖7是攝像機(jī)拍攝頻率為100 fps時(shí)顯示的光源照明效果圖，圖7中目標(biāo)鋼管清晰可見(jiàn)。當(dāng)拍攝頻率增加到2 000 fps時(shí)，拍攝的圖像較清晰，拍攝頻率為4 000 fps時(shí)，從計(jì)算機(jī)顯示的圖像中仍然能識(shí)別出目標(biāo)。

5 結(jié)論

1) 在15 MPa水中爆炸沖擊波峰值壓力作用下光源防護(hù)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生明顯塑性變形且保持水密，減振輸出小于2g，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和減振達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2) 在水中爆炸作用下，固定安裝的光源防護(hù)結(jié)構(gòu)后端應(yīng)力大于前端，后部截椎體固定位置應(yīng)力最大，前端防護(hù)玻璃與主體結(jié)構(gòu)過(guò)度處應(yīng)力較大，后部截錐體結(jié)構(gòu)與主體連接處有一定的應(yīng)力集中，選擇的材料滿(mǎn)足抗沖擊防護(hù)要求。

3) 在無(wú)光照條件下，設(shè)計(jì)的LED光源能為攝像機(jī)提供拍攝速率不超過(guò)4 000 fps時(shí)低光條件下的照明。