靜動爆火球分布特征研究*

王 瑞，商 飛，王良全，郭雨巖

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引 言

隨著彈藥技術(shù)的發(fā)展，云爆、溫壓等一系列戰(zhàn)斗部研究的深入，新型戰(zhàn)斗部及大當(dāng)量戰(zhàn)斗部不斷涌現(xiàn)，爆炸場的熱毀傷能力顯著增強. 目前，在探究高能炸藥毀傷作用時，重點研究沖擊波和破片對目標(biāo)的毀傷程度，爆炸熱毀傷作用相關(guān)研究成果很少. 爆炸火球作為溫度場的表征參量，蘊含大量爆炸信息，對其進行研究十分必要.

對于爆炸火球的研究，前人做了很多探討，郭學(xué)永等[1]基于baker模型擬合出溫壓藥劑爆炸火球的直徑、持續(xù)時間與裝藥量的關(guān)系式；闞金玲等[2]用紅外熱成像儀和高速攝像儀對溫壓炸藥和常規(guī)炸藥的火球特征參數(shù)進行了測量；仲倩等[3]根據(jù)紅外熱成像儀所測的某溫壓炸藥火球表征參量數(shù)據(jù)，對爆炸火球變化規(guī)律進行了定量描述；李易昭等[4]通過高速攝像機構(gòu)建云爆彈云霧生長規(guī)律測試系統(tǒng)，運用圖像處理擬合了靜態(tài)爆炸時云團直徑、面積等生長曲線. 這些研究主要集中在炸點固定的靜爆或火災(zāi)產(chǎn)生的瞬變火球模型，對爆炸產(chǎn)生的火球尺寸、影響因素等報道很少，而對于實際戰(zhàn)斗部來說，其往往是在運動中爆炸，炸點不固定. 高速錄像測試結(jié)果表明，具有特定速度和攻角的戰(zhàn)斗部動爆試驗時火球呈現(xiàn)明顯的非對稱外觀，應(yīng)用經(jīng)驗、半經(jīng)驗方式計算到的火球直徑、面積等參數(shù)難以準(zhǔn)確描述真實爆炸火球的特征.

本文通過高速攝像儀對靜爆和同等條件下的模擬動爆火球參數(shù)進行測量，基于圖像處理的方法獲取視頻圖像中火球的輪廓、質(zhì)心遷移軌跡及傾角等分布表征參量，利用這些表征參量分析運動裝藥速度對爆炸火球的影響，研究靜、動爆火球分布之間的差異性.

1 TNT靜動爆火球試驗

圖 1 測試系統(tǒng)布設(shè)示意圖

為了研究裝藥速度對火球分布的影響，分別進行了彈速為0 m/s的靜爆和預(yù)設(shè)彈速為335 m/s、680 m/s、930 m/s的模擬動爆試驗.

2 靜動爆火球圖像分析及處理

圖 2 為高速攝像機拍攝的爆炸火球過程圖像，當(dāng)戰(zhàn)斗部在靜止?fàn)顟B(tài)下引爆時，火球形態(tài)近似于規(guī)則的圓形，如圖 2(a) 所示；當(dāng)戰(zhàn)斗部在運動狀態(tài)下引爆時，受到水平方向牽連速度的影響，火球呈現(xiàn)明顯的非對稱外觀. 為了分析對比靜、動爆爆炸火球的分布及變化趨勢，需要精確提取靜、動爆爆炸火球的輪廓邊緣，計算爆炸火球的表征參量，如面積、直徑和質(zhì)心等.

(a) 靜爆時火球形態(tài)

(b) 動爆時火球形態(tài)

考慮到實際火球視頻圖像存在大面積煙霧干擾，無法直接獲得完整清晰的火球輪廓，高速攝像機采集的火球圖像為RGB格式，將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像計算圖像灰度值發(fā)現(xiàn)，在火球膨脹過程中，未被煙霧遮擋的火球區(qū)域高光過曝，灰度值在255左右，而被煙霧遮擋的火球區(qū)域的灰度值與背景相近，且在爆炸過程中呈現(xiàn)不規(guī)則變化的特點.

常用的圖像分割方法大致分為固定閾值分割和自適應(yīng)閾值分割[5-7]. 固定閾值分割不能實現(xiàn)對不同灰度值煙霧的區(qū)分. 常用的最大類間法分割具有一定的閾值自適應(yīng)能力，但該方法是基于統(tǒng)計整幅圖像的灰度值來區(qū)分目標(biāo)(火球)和背景(非火球)的，若煙霧和背景灰度值相近的圖像區(qū)域面積較大，則被煙霧遮擋的火球區(qū)域被錯判為背景的概率會大大升高. 因此，對于實驗場景不一、煙霧擴散和濃度不可控的爆炸火球圖像來說，常用的圖像分割手段很難達到火球輪廓精確提取的要求，火球分布參數(shù)精度難以保證. 因此，本文設(shè)計了一種結(jié)合背景差分法和自適應(yīng)區(qū)域生長法的爆炸火球輪廓提取算法，基本流程如圖 3 所示.

圖 3 圖像處理流程圖

2.1 背景差分

背景差分法是將當(dāng)前圖像與參考背景圖像相減來實現(xiàn)運動目標(biāo)的檢測，對于環(huán)境背景穩(wěn)定，待測目標(biāo)與背景差異較大的場景，背景差分法可以較好地提取出目標(biāo)在背景中移動過的區(qū)域. 爆炸實驗一般在荒無人煙、空曠廣袤的地方進行，且拍攝過程中，高速攝像機固定不變，因此，拍攝環(huán)境較穩(wěn)定、背景變化較小，可運用背景差法提取變化的爆炸火球目標(biāo)區(qū)域.

2.2 基于區(qū)域生長法的圖像分割

受煙霧遮擋的影響，背景差分法得到的火球目標(biāo)并不完整. 使用背景差分法應(yīng)先確定目標(biāo)(火球)區(qū)域，然后再根據(jù)一定的閾值分割，對求得的目標(biāo)進行區(qū)域生長[8]，即可得出完整的目標(biāo)火球，從而盡量消除煙霧的影響.

通過區(qū)域生長得到的火球二值圖，雖然大致消除了煙霧的遮擋影響，但二值圖像中仍包含了較多孤立的噪聲點或分散區(qū)域，這些區(qū)域可能由飛焰、背景彈架反光造成，也可能因為煙霧過大導(dǎo)致區(qū)域難以生長為一個整體. 所以，綜合分析二值圖像各區(qū)域的矩形度、長寬比和面積，并統(tǒng)計各區(qū)域質(zhì)心作最近鄰聚類分析，識別并剔除圖像噪聲區(qū)域(飛濺的火焰、背景彈架等非火球區(qū)域噪聲). 圖像處理如圖 4 所示.

(a) 灰度圖

(b) 背景差分圖

(c) 區(qū)域生長二值化圖

(d) 最近鄰法去除非火球區(qū)域

(e) 火球輪廓提取

3 靜動爆火球分布參量對比分析

3.1 不同速度下爆炸火球視頻圖像

為更好地描述爆炸中靜動爆火球的整體變化過程，通過視頻疊加方式獲取了火球在整個爆炸過程的疊加圖像，針對戰(zhàn)斗部靜爆和預(yù)設(shè)彈丸攻速為680 m/s、930 m/s的模擬動爆火球，通過圖像處理獲取火球輪廓并計算火球直徑、面積、質(zhì)心等分布參量，彈藥以軸向速度為0 m/s、680 m/s、930 m/s的預(yù)設(shè)彈速時，火球視頻圖像如圖 5 所示.

(a) 靜爆火球過程圖像

(b) 靜爆火球過程圖像

(c) 速度為680 m/s火球過程圖像

(d) 速度為930 m/s火球過程圖像

根據(jù)圖像處理算法，分析得到戰(zhàn)斗部在預(yù)設(shè)彈速為0 m/s、335 m/s、680 m/s、930 m/s下的火球尺寸，結(jié)果見表1.

表1 不同速度下火球尺寸參數(shù)

由圖 5 及表1 分析可以發(fā)現(xiàn)，爆炸火球幾何參量隨著爆炸基本參量的改變而改變，爆炸時戰(zhàn)斗部的飛行速度越高，爆炸火球的最大直徑越大，即火球會被“拉長”. 引發(fā)的原因是彈藥燃料受到徑向的裝藥產(chǎn)物膨脹作用的同時，還受到軸向的牽連速度引發(fā)的慣性力作用，徑向的膨脹應(yīng)力與軸向的慣性應(yīng)力的合力使得火球由靜爆時的球體變成橢球體.

3.2 爆炸過程火球質(zhì)心提取

將利用 MATLAB 火球圖像處理計算程序獲得的質(zhì)心位置標(biāo)記在原灰度火球圖像中，并提取火球質(zhì)心從彈藥爆炸時刻起至結(jié)束的遷移軌跡，如圖6所示，圖像質(zhì)心坐標(biāo)[9，10]求解公式為

式中：(x,y)為火球圖片任意點坐標(biāo)；xc和yc為火球質(zhì)心坐標(biāo)；g(x,y)為二值火球圖像，如g(x,y)=1,(x,y)屬于火球區(qū)域，圖像像素顏色為白色；g(x,y) =0，(x,y)屬于非火球區(qū)域，即圖像背景，圖像像素顏色為黑色.

通過上述爆炸過程中質(zhì)心遷移軌跡圖可以看出，動爆火球質(zhì)心在慣性牽引力的作用下會產(chǎn)生一定的傾角，而靜爆質(zhì)心則由于膨脹作用，沿著Y軸做向上遷移. 為了更好得分析靜動爆火球質(zhì)心遷移變化，本文將炸點o′作為坐標(biāo)原點，火球區(qū)域圖像質(zhì)心o與炸點o′的連線和垂直方向(y軸)基線之間的夾角即為火球傾角θ，如圖 7 所示. 圖 8 為直角坐標(biāo)系下(統(tǒng)一起點)靜、動爆火球質(zhì)心遷移軌跡. 圖 9 為不同彈丸攻速下的動爆火球和攻速為0 m/s的靜爆火球爆炸過程火球傾角變化示意圖.

(a) 靜爆質(zhì)心遷移軌跡

(b) 某一速度下動爆質(zhì)心遷移軌跡

(a) 火球輪廓提取圖

(b) 火球傾角定義示意圖

圖 8 直角坐標(biāo)系下靜動爆火球質(zhì)心遷移軌跡

圖 9 爆炸火球傾角變化圖

由圖 8 和圖 9 可以看出，彈丸以一定的攻速爆炸時，在短時間內(nèi)不斷生長膨脹，爆炸火球受到水平方向慣性牽引力的作用會沿著x軸向速度方向運動，作用在火球上的水平慣性牽引力和火球爆炸內(nèi)部高壓燃氣壓力產(chǎn)生的膨脹作用的合力指向斜上方，到爆炸后期，火球處于穩(wěn)定燃燒階段，火球受膨脹作用變小，火球質(zhì)心在y軸方向上偏移率變小，火球向水平方向偏移，質(zhì)心傾角接近80°；靜爆時，由于不受水平方向牽引力的作用，在裝藥產(chǎn)物的膨脹作用下，爆炸火球質(zhì)心在y軸附近波動，兩發(fā)靜爆實驗火球傾角不超過10°.

由上述分析可以得出，將靜爆和動爆火球圖像輪廓質(zhì)心進行提取，通過質(zhì)心傾角的計算，得到的火球質(zhì)心傾角遷移軌跡曲線及傾角范圍可以明確地區(qū)分靜爆火球和動爆火球輪廓，其具有較大的工程使用意義.

4 結(jié) 論

本文通過高速攝像儀構(gòu)建測試系統(tǒng)對靜爆和同等條件下的模擬動爆火球參數(shù)進行測量，基于圖像處理的方法獲取視頻圖像中火球的輪廓、質(zhì)心遷移軌跡及傾角等分布表征參量，分析運動裝藥速度對爆炸火球分布表征參量的影響，得出以下結(jié)論：

1) 戰(zhàn)斗部在以某一攻速引爆時，爆炸火球的形態(tài)由靜態(tài)引爆時較為規(guī)則的球體變?yōu)槔L的橢球體.

2) 通過對靜動爆火球圖像質(zhì)心和質(zhì)心軌跡遷移軌跡的提取，得出動爆火球受彈丸攻速的影響，質(zhì)心沿著彈丸運動速度的正方向遷移，靜爆火球受膨脹作用，質(zhì)心在豎直方向遷移.

3) 通過對靜、動爆火球圖像質(zhì)心傾角進行對比分析，得出可通過火球圖像質(zhì)心遷移狀態(tài)來區(qū)分靜爆和動爆.