王 瑞，商 飛，王良全，郭雨巖

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引 言

隨著彈藥技術的發(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的毀傷程度，爆炸熱毀傷作用相關研究成果很少. 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產生的瞬變火球模型，對爆炸產生的火球尺寸、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，應用經驗、半經驗方式計算到的火球直徑、面積等參數(shù)難以準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的靜爆和預設彈速為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，當戰(zhàn)斗部在靜止狀態(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(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，本文設計了一種結合背景差分法和自適應區(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

背景差分法是將當前圖像與參考背景圖像相減來實現(xiàn)運動目標的檢測，對于環(huán)境背景穩(wěn)定，待測目標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并不完整. 使用背景差分法應先確定目標(火球)區(qū)域，然后再根據(jù)一定的閾值分割，對求得的目標進行區(qū)域生長[8]，即可得出完整的目標火球，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)斗部靜爆和預設彈丸攻速為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的預設彈速時，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)斗部在預設彈速為0 m/s、335 m/s、680 m/s、930 m/s下的火球尺寸，結果見表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，徑向的膨脹應力與軸向的慣性應力的合力使得火球由靜爆時的球體變成橢球體.

3.2 爆炸過程火球質心提取

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

式中：(x,y)為火球圖片任意點坐標；xc和yc為火球質心坐標；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心遷移軌跡圖可以看出，動爆火球質心在慣性牽引力的作用下會產生一定的傾角，而靜爆質心則由于膨脹作用，沿著Y軸做向上遷移. 為了更好得分析靜動爆火球質心遷移變化，本文將炸點o′作為坐標原點，火球區(qū)域圖像質心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 為直角坐標系下(統(tǒng)一起點)靜、動爆火球質心遷移軌跡. 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) 靜爆質心遷移軌跡

(b) 某一速度下動爆質心遷移軌跡

(a) 火球輪廓提取圖

(b) 火球傾角定義示意圖

圖 8 直角坐標系下靜動爆火球質心遷移軌跡

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部高壓燃氣壓力產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，火球質心在y軸方向上偏移率變小，火球向水平方向偏移，質心傾角接近80°；靜爆時，由于不受水平方向牽引力的作用，在裝藥產物的膨脹作用下，爆炸火球質心在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心進行提取，通過質心傾角的計算，得到的火球質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 論

本文通過高速攝像儀構建測試系統(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心和質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，質心在豎直方向遷移.

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