武锦辉，刘 吉

(1.中北大学 电子测试技术重点实验室， 太原 030051) (2.中北大学 信息与通信工程学院， 太原 030051)

战斗部是常规导弹的重要组成部分，用以摧毁、破坏目标，杀伤有生力量，完成战斗使命的主要部件[1-2]。常规战斗部根据形成毁伤的特点及毁伤机理可分为杀伤战斗部、爆破战斗部、侵彻战斗部、聚能战斗部等[3]。杀伤战斗部又分为自然破片、预制破片和预控破片战斗部3种[4-7]。爆炸场中战斗部破片速度、形状、分布等参数是评价其毁伤效能的重要依据，在战斗部设计、定型、生产、检验等环节中成为必要的参考依据，爆炸当量从几十克至几百千克不等，爆炸场中的战斗部破片的类型、干扰因素、测试环境、测试参数等要求也不尽相同，有些爆炸场还会产生活性破片(发光、发热、具有纵火功能的破片)，这些爆炸场的测试需求对测试原理和测试手段都提出更高的要求。爆炸场中破片参数测试存在以下难点和需求：

1) 战斗部爆炸场测试环境十分恶劣，存在火光、振动、冲击、烟尘等多种破坏和干扰因素，传统的接触式测试手段常常是只能单次使用，漏测或异常数据时有发生，又无迹可寻。

2) 破片尺寸小、速度高(初速大于2 000 m/s)，要求测试系统兼顾灵敏度和响应速度，电子系统要具有较大的带宽，光学成像方法要求具有高分辨率和幅率。

3) 破片分布范围大，不但有相对爆炸中心呈现一定的角度分布，还有因为速度不同呈现同方向的前后分布；定向破片战斗部，破片飞行方向固定，但是破片密度相较高。要求测试系统有效区域大，且数据捕捉率高；

4) 多破片相互参数各异，如头破片与尾破片速度相差很大，自然破片尺寸各异，预制破片由于不同位置所受到的力学作用机理复杂，动态参数差别也较大。这就要求测试系统要有很好的适应能力，并对破片场毁伤效能的评估要由综合多破片参数得出。需采样要完整，单纯获得部分数据无法全面准确的作出评价[8-9]。

5) 战斗部爆炸场是三维空间，孤立的分析破片各个参数无法作出准确评估，只有将破片的速度、形状和分布对应的统一起来，实现三维重构，才能全面评价其毁伤效能。

1 传统接触式测试方法

1.1 靶板法

靶板法是国内外测试破片分布普遍采用的方法之一。即在破片的散布区一定角度内布置拼接的靶板，形成一堵“墙”，位于炸心的战斗部爆炸后，破片飞行击中靶板，试验后由人工判读破片在一定角度内的分布。靶板的材质多为木板或钢板。实验结束后采用人工判读的方式做标记进行统计分析。钢板构成的靶板还可以进一步分破片的侵彻能力。图1是荷兰TNO Prins Maurits 试验室采用靶板法进行破片分布测试的现场图片。这种方法效果直观，但是靶板只能单次使用，实验前的布置工作与实验后的统计工作都需要大量工作量，因此实验成本高和实验效率比较低。同时分布参数与其他参数也无法关联。Cranfield大学军械测试与评估中心曾采用多路开关测破片分布[10]，如图2所示。

国内靶场常常采用梳状靶测试破片速度、钢板分区统计破片分布，这种测量方式测试设备单次使用，多个破片的速度和分布关系无法对应。XXX战斗部速度参数测速梳状靶[11-12]如图3所示。

图1 荷兰TNO试验室破片分布测量图

图2 坎菲尔德大学破片分布电测法现场

图3 状靶布置图

1.2 铝箔靶

根据定距测时法，使用铝箔构成断靶。由于战斗部爆炸时会产生强大的冲击波，铝箔靶单次测试后，无论是否有破片穿过铝箔都会被损坏[13][14]，需重新布靶，不能重复测量，测试效率较低。国内许多测试单位仍沿用通断靶进行破片速度测试，某实验单位曾使用通断测得偏心式战斗部破片速度[15]，其铝箔靶如图4所示。

1.3 梳状靶

PSI公司曾开发了单元尺寸为4ft×8ft 测破片分布的多道开关靶，该装置曾获SBIR奖[16]，其工作原理及现场布置，如图5所示。由水平的12个铝箔电极条和竖直的7个铝箔电极条将空间分割成84个破片分布测试分辨区形成前后两个幕，水平与竖直电极间形成绝缘层。当破片飞行撞击穿越前后两个电极阵列时，飞行区域的铝箔电极条断开，形成开关信号经编码电路，采集卡采集数据并处理。

图4 破片测速时使用的铝箔靶

图5 PSI公司多道开关靶

2 高速成像法

2.1 间接摄影法

间接摄影法包括碰击法和穿孔法，这两种方法都是利用高速摄影来拍摄战斗部破片，从引爆开始到破片到达靶面的时间，时间间隔的起和停都是利用发光信号记录下来的，以战斗部爆炸发光作为起动信号，以破片在靶面处的发光作为停止信号。

1) 碰击法

碰击法是以钢板作为靶，利用破片碰击钢板发光作为停止信号，如图6所示。

2) 穿孔法

穿孔法[17]的靶板为不透明的纸板，在靶中添加照明灯光系统，美国曾采用破片信号启动的闪光装置，其原理如图7所示。

图6 碰击法原理图

图7 穿孔法原理图

直接摄影法是在距爆炸战斗部较近的位置上拍摄破片群运动的阴影图像，测得在距爆心较近的距离上，在较小的区间(～cm)内破片的运动速度以及速度的变化。速度值利用胶片运动分析仪处理得到，该方法与前面2种方法的测试原理不同，它是利用1个破片控制装置，使战斗部爆炸以后，只有沿弹体上1条子午线及附近生成的破片能够飞散出来，从目前的研究水平来看，这种方法可以测到10个以上的破片。图8为美国2005 NDIA (National Defense Industrial Association)会议资料中采用相机进行破片速度及分布测试的系统示意图[18]。

图8 美国国防工业协会破片速度及分布测试系统示意图

美国国防部弹药和爆炸物危险等级分类程序中提及采用高速摄影测试战斗部破片速度，在爆心周围布置接弹包用以统计破片分布情况[19]，其测试方法如图9所示。2004年澳大利亚智能制造与设计会议资料中也提及了破片分布测试方法[20]，如图10所示。

图9 美国国防部弹药和爆炸物危险等级分类程序破片参数的测试方法

图10 澳大利亚智能制造与设计会议资料中破片分布测试

美国Sandia试验室采用高速摄影方式对不同种类战斗破片速度和空间分布进行测试，测速范围可达1 900 m/s[21]，其摄影装置如图11所示。

图11 美国桑地亚国家试验室高速摄影装置

破片参数测试系统采用高速摄影测量破片参数，其优点是能够拍摄到爆炸时的过程，但它只能拍摄局部过程，而不是全部过程，因此在速度计算时也只能计算拍摄到的为数不多的几个破片的速度，并且在计算时需要通过人工辨别后进行计算，很容易产生误差，因而精确性不高。高速摄影仪器价格昂贵，使得它的适用范围受到限制。

2.2 相机交汇法

双CCD交汇立靶在竖直平面放置两个线阵CCD相机，两相机的光轴交于空间的某一点，构成一个竖直的光电测量靶面(如图12)，以两相机的光学中心连接线为X轴，以垂直于连线的轴为Y轴[22-25]。只要知道已有参数光学系统焦距f，测出基线长d，角度量α和β和测得参数像距h1和h2，便可确定靶面内任意一点C的坐标(X，Y)。该方法容易由于立靶结构偏差引入测量误差。双CCD相机要求有共用触发信号源实现严格的同步[26]。

图12 双CCD交汇立靶示意图

2.3 X射线阴影成像法

采用脉冲X射线阴影摄影的方法测量破片速度和分布，如荷兰的TNO Prins Maurits试验室采用两个脉冲X射线源获取破片群的阴影摄影图像(如图13所示)，再经图像处理得到破片空间分布[27]，测试可在室内进行。该方法图像较为模糊，图像处理容易引入误差。测试设备价格昂贵，技术复杂。

图13 荷兰TNO Prins试验室破片速度测量

2.4 破片轨迹成像法

根据双目立体视觉原理采用两台高速相机记录破片在视场范围内图像序列，解算破片运动轨迹信息，再利用获得的时空关系数据和运动规律建立运动参数解算模型，从而获取破片初速和速度衰减系数[ 28-29 ]。该方法相对双相机交汇形成靶面的测量方式，布设更简单，可获取多破片在不同时刻的速度、坐标信息，在系统标定、轨迹解算等方面还需进一步探索。双目视觉破片轨迹测试方案布站，如图14所示。

图14 双目视觉破片轨迹测试方案布站示意图

3 光幕测试法

3.1 LED多光幕组合法

西安工业大学提出了六光幕光电系统用于弹丸或破片速度及坐标测试[30-32]，并进行了验证性试验。根据多个LED光幕之间的相对位置和角度推导出经过物体的速度和坐标信息。由于采用框架式结构适合测试弹丸参数，对威力小、散布小的模拟破片可进行测试。测试系统如图15。

3.2 激光光幕靶

中北大学采用激光光幕，光电检测、高速数据存储、软件数据处理、光干扰抑制等技术，研制成功多种型号激光光幕破片速度测试系统，以实现战斗部爆炸产生破片飞行速度和分布的全天候、连续、可重复、实时、非接触光电检测[33-34]。该测试设备速度参数采用定距测时法，精度较高，分布测试只能采用多台阵列完成区域分布的统计，无法实现对具体破片的形状、坐标的测试。中北大学研制激光光幕破片测速仪及现场分布[35-36]，如图16所示。

图15 六光幕速度、坐标测试系统

图16 中北大学激光光幕破片测速系统

4 各破片参数测试方法对比分析

根据各种测试手段的测试机理，将其基本原理及特点进行比对，如表1所示。

表1 战斗部静爆实验破片参数测试方法

5 静爆场破片参数测试技术的发展趋势

随着新型战斗部研发和使用，静爆试验测试将朝着更高参数范围(速度范围大于3000m/s，破片最小尺寸小于2mm，爆炸TNT当量大于500Kg)、更精确的测试精度、多参数(速度、分布、尺寸)协同测试、更高效的测试手段发展，具体的以下技术将成为研究的热点：

1) 高速成像测量法的实用化和拓展研究。

随着高速成像设备技术指标的不断提升，相机交汇法、立体视觉轨迹法等技术将进一步发展成熟，相关的标定算法、多相机拼接算法、图像处理与参数反演算法都将成为研究的内容。特种相机成像技术也将在静爆测试中得到应用，光场相机可提升成像景深范围；偏振相机、红外相机、X射线相机可用来抑制火光、烟尘干扰；像增强相机可用来拓展相机的灵敏度，以改善自然照明不足的问题。此外，同步问题、照明问题、触发信号源的研究都将等到进一步的研究。

2) 光幕测量手段改进和性能的提升

针对目前光幕测量设备存在的问题，开展优化研究。针对激光光幕破片测速仪布设时需要合作目标的问题，开展无合作目标主动式测速方法研究，可能涉及光调制技术、线偏振光测试技术等；针对多幕测试装置调试复杂、不易防护的问题，开展多光幕天幕靶的研究；针对野外现场试验的需求，开展设备小型化、智能化方面的研究，涉及现场存储、远程无线传输、自组网等技术的研究。

3) 传统技术的优化

传统的靶板、梳状靶、铝箔靶等方法仍然是其他新方法的可靠补充。与新技术的结合可提高测试效率、节约测试成本。如采用相机成像法拍摄侵彻后的靶板图像再运用图像处理技术，可准确、快速获得破片分布，避免了人工判读耗时耗力、精度度的问题；改进梳状靶的信号处理电路，不但可以获得破片速度还可同时获得破片坐标。