何性順，段奇三，蘇健軍，張俊鋒，姬建榮，孔 霖

(1. 西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065； 2. 北京昊云科技有限公司，北京 100088)

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爆炸沖擊載荷下效應(yīng)靶形變測(cè)量技術(shù)研究

何性順1，段奇三2，蘇健軍1，張俊鋒1，姬建榮1，孔 霖1

(1. 西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065； 2. 北京昊云科技有限公司，北京 100088)

針對(duì)效應(yīng)靶在爆炸沖擊載荷作用下產(chǎn)生的不規(guī)則變形量難以精確測(cè)量的難題，探索了利用三維激光掃描儀采用非接觸測(cè)量方式對(duì)效應(yīng)靶形變量進(jìn)行測(cè)量的方法，分析了該設(shè)備在毀傷評(píng)估領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。結(jié)果表明，三維激光掃描儀可以實(shí)現(xiàn)效應(yīng)靶形變量的精確測(cè)量，精度達(dá)到亞毫米級(jí)；通過(guò)對(duì)效應(yīng)靶在毀傷作用下形變的分析可以反映出戰(zhàn)斗部的毀傷威力。

爆炸沖擊載荷；效應(yīng)靶；三維激光掃描

外場(chǎng)爆炸試驗(yàn)的測(cè)試工作對(duì)于戰(zhàn)斗部各項(xiàng)性能的測(cè)試及其毀傷效能的評(píng)估，對(duì)于了解武器的威力和工作狀態(tài)，以及對(duì)彈藥威力的設(shè)計(jì)具有重要意義[1]。其研究方法是通過(guò)在戰(zhàn)斗部周圍一定距離和一定角度布設(shè)壓力傳感器、靶標(biāo)等測(cè)量器具，以獲得特定距離和特定角度處的戰(zhàn)斗部性能參數(shù)[2-3]。其中，傳感器測(cè)量器具利用傳感器本身的壓電特性，通過(guò)電測(cè)手段得到毀傷區(qū)域內(nèi)某點(diǎn)的沖擊波壓力，具有測(cè)量精確度高、成本高、布點(diǎn)少等特點(diǎn)；而靶標(biāo)主要用于沖擊波沖量的測(cè)量，用靶標(biāo)形變來(lái)反映戰(zhàn)斗部在該區(qū)域的毀傷能力，具有測(cè)量不確定度高、成本低等特點(diǎn)[4]。兩者互有優(yōu)劣，因此外場(chǎng)試驗(yàn)一般采用兩種測(cè)量手段相結(jié)合的方式，盡可能多地獲取戰(zhàn)斗部性能參數(shù)，為毀傷評(píng)估提供充足的數(shù)據(jù)支持。

三維激光掃描技術(shù)又稱三維實(shí)景復(fù)制技術(shù)，自2000年被引入中國(guó)，現(xiàn)已被廣泛用于各種行業(yè)。其測(cè)量原理為激光測(cè)距，儀器使用激光槍發(fā)射激光，射至被測(cè)物體表面，通過(guò)物體表面發(fā)射回來(lái)的信息解算三維坐標(biāo)信息，在空間形成橫向和縱向的精確測(cè)量，計(jì)算出被測(cè)量點(diǎn)與掃描儀中心的相對(duì)位置，并得出獨(dú)立坐標(biāo)(X,Y,Z)；給予每個(gè)坐標(biāo)一個(gè)點(diǎn)的圖形符號(hào)，在計(jì)算機(jī)中以點(diǎn)符號(hào)顯示，形成云狀三維模型，故而稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)(點(diǎn)云)。因此，三維激光掃描儀也可稱為多點(diǎn)式的全站儀。通過(guò)掃描儀自帶的同軸相機(jī)可獲取物體表面紋理信息，使紋理信息與三維坐標(biāo)信息進(jìn)行疊加，可快速在計(jì)算機(jī)中形成被測(cè)物體的三維點(diǎn)云模型。

三維激光掃描技術(shù)作為現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的代表之一，具有數(shù)據(jù)獲取速度快、數(shù)據(jù)信息豐富、數(shù)據(jù)精度高、可三維呈現(xiàn)等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于文化遺產(chǎn)、測(cè)繪、規(guī)劃、工廠設(shè)計(jì)、土木工程、災(zāi)害評(píng)估、軍事分析等很多行業(yè)與領(lǐng)域[5-7]。

本文結(jié)合外場(chǎng)爆炸試驗(yàn)測(cè)試工作的實(shí)際需求，采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)需要精確測(cè)量的小型效應(yīng)靶的形變量進(jìn)行測(cè)量，探究該測(cè)量新方法在外場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中的流程、方法與應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn)；為外場(chǎng)爆炸試驗(yàn)的測(cè)試提供一種新的解決方法，并在測(cè)量精度、數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢(shì)方面等作初步的探討與總結(jié)。

一、外場(chǎng)試驗(yàn)背景概述

為了研究各類裝藥戰(zhàn)斗部在開闊空間內(nèi)爆炸的性能，將戰(zhàn)斗部固定至如圖1所示的爆炸點(diǎn)(即爆心)。爆轟場(chǎng)區(qū)域內(nèi)(近似為球形，地面近似為圓形)布置各類測(cè)量器具，包括壓力傳感器、沖擊振動(dòng)傳感器(不在本文研究范圍，從簡(jiǎn))、效應(yīng)靶。效應(yīng)靶為方形鐵墩，通過(guò)螺釘固定若干個(gè)厚度不等的鋁片(如圖2所示)，部分效應(yīng)靶垂直埋于沙土中，保證鋁片表面與地面齊平；部分效應(yīng)靶通過(guò)一定角度面朝爆心，鋁片在戰(zhàn)斗部裝藥起爆后能夠感知沖擊波壓力，通過(guò)其變形量來(lái)表征該點(diǎn)處的沖擊波強(qiáng)度。

現(xiàn)有測(cè)量手段是利用游標(biāo)卡尺對(duì)爆炸后的效應(yīng)靶鋁片凹陷最深的地方進(jìn)行測(cè)量，利用細(xì)沙填充凹陷表面然后倒出測(cè)量細(xì)沙的體積，再用細(xì)沙的體積近似計(jì)算效應(yīng)靶鋁片所產(chǎn)生的體積形變，兩種方法的準(zhǔn)確性均較低。用游標(biāo)卡尺測(cè)量時(shí)易受不同測(cè)試人員主觀因素的影響，細(xì)沙填平的方法受細(xì)沙孔隙率的影響較大。由此可見，不規(guī)則形變的效應(yīng)靶鋁片在現(xiàn)有技術(shù)條件及手段下無(wú)法得到準(zhǔn)確測(cè)量，進(jìn)而影響到下一步毀傷評(píng)估技術(shù)的研究。

圖1 爆炸場(chǎng)布局示意圖

圖2 效應(yīng)靶實(shí)物

本文采用三維激光掃描技術(shù)，研究用于獲取各種爆炸效應(yīng)和目標(biāo)毀傷效果參量的等效靶及其標(biāo)定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)爆炸場(chǎng)毀傷數(shù)據(jù)的可靠獲取，并反映宏觀毀傷效果。

二、三維激光掃描測(cè)量方法

由于通過(guò)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以建立真實(shí)尺寸的三維模型并可以在其上進(jìn)行各種量測(cè)及分析，憑借此優(yōu)勢(shì)，三維激光掃描在很多領(lǐng)域諸如文物古跡保護(hù)、建筑監(jiān)測(cè)、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評(píng)估、船舶制造、有限元分析等也有了很多的嘗試、應(yīng)用和探索[5]。

本文的研究思路是：采用三維激光掃描儀對(duì)爆炸前后的效應(yīng)靶鋁片進(jìn)行兩次掃描，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行鋁片效應(yīng)靶三維模型構(gòu)建，在同一空間內(nèi)通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比得出精確的鋁片變形定量分析，從而完成測(cè)試作業(yè)。如圖3所示。

試驗(yàn)將圖2中實(shí)際工況下采用的效應(yīng)靶的鋁片單獨(dú)取出，采用手指按壓的方式使鋁片發(fā)生一定的形變，然后將變形前后的鋁片分別置于不同距離處，用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描測(cè)試，通過(guò)對(duì)比同一距離處鋁片變形前后的體積形變量，研究采用這種方式測(cè)量體積形變量的精度。

圖3 實(shí)際爆炸場(chǎng)內(nèi)三維激光掃描流程

三、掃描數(shù)據(jù)的處理

三維激光掃描系統(tǒng)包括獲取數(shù)據(jù)的掃描儀和處理分析數(shù)據(jù)的軟件。硬件用于現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)的采集，軟件根據(jù)各行業(yè)應(yīng)用點(diǎn)不同包括：掃描儀控制軟件、建模軟件、制圖軟件、數(shù)據(jù)分析軟件等。涉及的參數(shù)包括硬件和軟件的掃描距離、角度、精度、速度、穩(wěn)定度等，需要根據(jù)不同的軟硬件參數(shù)特性和工程需求，采取不同的工程方案[8]。在實(shí)踐中，每一個(gè)三維激光掃描系統(tǒng)的工作都可看作是一個(gè)系統(tǒng)的工程，不僅涉及硬件和軟件，還涉及數(shù)據(jù)處理流程的多方面。如圖4所示。

圖4 掃描數(shù)據(jù)處理流程

1. 效應(yīng)靶在指按壓前后三維掃描

利用三維激光掃描儀對(duì)效應(yīng)靶進(jìn)行掃描，根據(jù)效應(yīng)靶大小設(shè)置掃描參數(shù)，保證在效應(yīng)靶上獲取足夠的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。如圖5所示。

圖5 效應(yīng)靶三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2. 按壓前后效應(yīng)靶三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊

利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)按壓前后的兩個(gè)效應(yīng)靶進(jìn)行空間對(duì)齊(Registration)。空間對(duì)齊是指將兩個(gè)不同坐標(biāo)系統(tǒng)的效應(yīng)靶點(diǎn)云數(shù)據(jù)置放在一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中，在此坐標(biāo)系統(tǒng)中兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)是重疊的[9]，即按壓前效應(yīng)靶坐標(biāo)系統(tǒng)(X1,Y1,Z1)與按壓后效應(yīng)靶坐標(biāo)系統(tǒng)(X2,Y2,Z2)的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換。如圖6所示。

圖6 效應(yīng)靶對(duì)齊前后截圖

空間對(duì)齊的方法有特征點(diǎn)對(duì)齊、物理屬性對(duì)齊、坐標(biāo)對(duì)齊[10]。特征點(diǎn)對(duì)齊即在兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選取3個(gè)以上同名點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，該方法的特點(diǎn)是運(yùn)算速度快，操作較復(fù)雜；物理屬性對(duì)齊是指計(jì)算機(jī)利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)中點(diǎn)位信息及相關(guān)曲率進(jìn)行自動(dòng)對(duì)齊，特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)需要調(diào)用全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，速度慢；坐標(biāo)對(duì)齊是指利用效應(yīng)靶的空間坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)齊，速度快、精度高。這3種對(duì)齊方式均可以對(duì)效應(yīng)靶進(jìn)行對(duì)齊工作，可根據(jù)效應(yīng)靶的大小及現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境而定。

3. 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

在對(duì)齊的效應(yīng)靶點(diǎn)云數(shù)據(jù)中進(jìn)行噪音清除。噪音數(shù)據(jù)是指三維激光掃描時(shí)形成的周圍冗余的數(shù)據(jù)。去除噪音數(shù)據(jù)的目的在于針對(duì)有效的效應(yīng)靶數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

在計(jì)算機(jī)中可以虛擬測(cè)量，提取任意點(diǎn)的三維坐標(biāo)(X,Y,Z)及每個(gè)坐標(biāo)軸的變量(Dx,Dy,Dz)。

另外，計(jì)算機(jī)中可實(shí)現(xiàn)虛擬切割，提取效應(yīng)靶斷面線,即沿著效應(yīng)靶任一方向切割對(duì)齊的兩個(gè)效應(yīng)靶，生成兩條斷面線。由此可以直觀地看到效應(yīng)靶的變形，并可提取任一點(diǎn)的形變值。如圖7所示。

圖7 效應(yīng)靶斷面線

效應(yīng)靶在被按壓之后不同地方的形變不一，此時(shí)可以根據(jù)形變量大小，利用色差進(jìn)行標(biāo)注；正負(fù)變形(即凹凸兩個(gè)方向)也可以利用冷暖色調(diào)進(jìn)行標(biāo)注，變形越大其色度越深，由此可計(jì)算變形面積及形變體積。

四、結(jié)論及討論

爆炸前后現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)包括三維地形地貌、效應(yīng)靶等數(shù)據(jù)，通過(guò)效應(yīng)靶的形變量反演出炸藥爆炸威力，其準(zhǔn)確迅速采集是現(xiàn)階段急需解決的科研任務(wù)。目前存在的問(wèn)題有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集速度較慢、數(shù)據(jù)精度無(wú)法滿足需要。

通過(guò)本文研究，可得出如下結(jié)論：采用地面式三維激光掃描技術(shù)可以滿足在爆炸現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析的需求。三維激光掃描技術(shù)不僅能夠快速、高密度地記錄爆炸現(xiàn)場(chǎng)，還能確保用于分析的數(shù)據(jù)達(dá)到毫米精度，在成果形式上還可以進(jìn)行三維重建和結(jié)果分析。

從火炸藥及其戰(zhàn)斗部的發(fā)展和研究趨勢(shì)來(lái)看，進(jìn)行毀傷效能評(píng)估研究已成為今后很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)國(guó)防軍事毀傷領(lǐng)域的重中之重。三維激光掃描技術(shù)的引入將有利于動(dòng)態(tài)測(cè)試及毀傷評(píng)估工作的進(jìn)一步開展和深入應(yīng)用。

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On Deformation Measurement Technology of Efficiency Target under the Load of Explosion Attack

HE Xingshun，DUAN Qisan，SU Jianjun，ZHANG Junfeng，JI Jianrong，KONG Lin

2016-03-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(11372143)

何性順(1986—)，男，工程師，主要研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與毀傷評(píng)估。E-mail：iamhexs@126.com

張俊鋒

何性順，段奇三，蘇健軍，等.爆炸沖擊載荷下效應(yīng)靶形變測(cè)量技術(shù)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(11)：72-74.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0369.

P237

B

0494-0911(2016)11-0072-03