基于背景纹影技术的爆炸冲击波波后参数测量方法、装置

摘要

本申请公开了一种基于背景纹影技术的爆炸冲击波波后参数测量方法、装置，所述方法包括步骤：基于背景纹影技术获取冲击波波后折射率；根据冲击波基本性质及状态参数方程、理想气体状态方程获取的理想气体换算公式、所述冲击波波后折射率分别获取冲击波波后密度、压强、速度、温度以及马赫数。本申请一方面避免了测试中传感器布置不合理、损坏导致的测试数据不合理以及测试成本增加的问题，同时，相比压力传感器电测法和纹影摄像方法，本申请能够实现冲击波波后密度、压强、速度、温度等信息的定量测量，数据更全面可靠，成本低，从而方便研究人员更加科学全面地进行爆炸威力的测量和研究，提高测量的准确性和可靠性。

说明书

技术领域

本申请涉及冲击波测试技术领域，特别地，涉及一种基于背景纹影 技术的爆炸冲击波波后参数测量方法、装置。

背景技术

弹药爆炸冲击波超压测试一般采用压力传感器电测法。该方法主要通 过在爆炸场附近布置压力传感器阵列，通过压力传感器测量的压力信号测 量近地区域关键点位的气体压强信息。

目前，大范围的冲击波威力非接触测量主要采用纹影摄像方法。该方 法主要基于爆炸冲击波作用时，装药在空气中爆炸，快速释放能量产生高 温、高压爆轰产物，剧烈压缩周围的空气介质，形成一个以超声速运动， 压力、密度、温度等状态参数有途跃变化的压缩空气层，这个压缩空气层 即为空气冲击波。由于冲击波作用过程为瞬态过程，当波阵面成像满足摄 影测量条件时，则被高速摄影系统捕获成像。基于冲击波纹影摄影结果， 提取不同时刻冲击波运动界面位置，进而获取冲击波的运动速度信息。

现有的处理方法存在如下不足：

压力传感器电测法：一方面爆炸近场飞散破片极有可能损坏传感器敏 感元件，并且爆炸近场火光、烟尘以及电磁干扰使得传感器输出信号严重 失真；另一方面要想获取爆炸冲击波场数据，需要在多点布设传感器测试 阵列，试验成本较大。由于弹药动爆实际落炸点不确定，试验现场传感器 测点的布设位置难以控制，导致某些重要位置的数据漏测，难以对弹药动 爆条件下的冲击波场获得全面认识。

纹影摄像方法：纹影摄像是利用光在被测流场中的折射率变化的基本 原理进行测量的。爆炸过程中，冲击波向周围扩散，导致波阵面两侧空气 密度等存在显著差异，进而导致冲击波前后折射率有较大差异。当光在冲 击波场中折射率变化较大，能够被高速摄像系统捕获到，则形成了冲击波 高速纹影摄像。正因如此，该方法通过提取不同时刻冲击波运动界面位置， 进而获取冲击波的运动速度信息，但无法获取诸如密度、压强和温度等气体状态参数信息。

发明内容

本申请一方面提供了一种基于背景纹影技术的爆炸冲击波波后参数 测量方法，以解决现有爆炸冲击波测量方法成本高、误差大、数据不全面 的技术问题。

本申请采用的技术方案如下：

一种基于背景纹影技术的爆炸冲击波波后参数测量方法，包括步骤：

基于背景纹影技术获取冲击波波后折射率；

根据冲击波基本性质及状态参数方程、理想气体状态方程获取的理想 气体换算公式、所述冲击波波后折射率分别获取冲击波波后密度、压强、 速度、温度以及马赫数。

进一步地，所述基于背景纹影技术获取冲击波波后折射率，具体包括 步骤：

搭建用于测量爆炸冲击波的背景纹影测量设施；

通过采用高分辨率的CCD相机记录有/无流场干扰情况下的一对背景 随机点阵图像，得到背景随机点阵图像上点的虚位移(Δx',Δy')；

运用图像互相关算法对这一对图像进行互相关计算，获得该随机点对 应成像平面上的实位移(Δx,Δy)；

基于所述实位移(Δx,Δy)结果，通过给定边界条件，并利用有限差分或 有限元方法进行求解，获得测量区域的投影积分效果的定量折射率场分布 作为冲击波波后折射率。

进一步地，根据冲击波基本性质及状态参数方程、理想气体状态方程 获取的理想气体换算公式、所述冲击波波后折射率获取冲击波波后密度， 具体包括步骤：

根据Newell、Baird、理想气体状态方程获取的理想气体换算公式，设 定波前密度ρ

其中，R

进一步地，根据冲击波基本性质及状态参数方程、理想气体状态方程 获取的理想气体换算公式、所述冲击波波后折射率分别获取冲击波波后压 强，具体包括步骤：

结合理想气体状态方程和冲击波状态参数方程，考虑波前密度ρ

假定冲击波作用过程符合多方气体规律，内能与温度呈正比，k为其 多方指数，当冲击波压力不超过50个大气压时，即未引起气体分子离解 或电离过程，k取常数为1.4；

设A＝273.15R

进一步地，根据冲击波基本性质及状态参数方程、理想气体状态方程 获取的理想气体换算公式、所述冲击波波后折射率分别获取冲击波波后速 度，具体包括步骤：

基于背景纹影技术确定不同时刻的冲击波界面位置；

假设波阵面为半径为R的球面，在时间间隔Δt的情况下，波阵面移 动距离为ΔR，则计算局部波阵面移动速度U＝ΔR/Δt。

进一步地，根据冲击波基本性质及状态参数方程、理想气体状态方程 获取的理想气体换算公式、所述冲击波波后折射率分别获取冲击波波后温 度，具体包括步骤：

根据未引起气体分子离解或电离状态下的理想气体状态方程、结合所 得的波后密度ρ

进一步地，根据冲击波基本性质及状态参数方程、理想气体状态方程 获取的理想气体换算公式、所述冲击波波后折射率分布n分别获取冲击波 波后马赫数，具体包括步骤：

将冲击波某一局部位置看成正激波，根据一维等熵流动关系式：

根据一维等熵流动关系式：

其中，M为马赫数，p

那么，结合一维等熵流动关系式和波后压强p

本申请另一方面还提供了一种基于背景纹影技术的爆炸冲击波波后 参数测量装置，包括：

折射率求取模块，用于基于背景纹影技术获取冲击波波后折射率分 布；

冲击波波后参数计算模块，用于根据冲击波基本性质及状态参数方 程、理想气体状态方程获取的理想气体换算公式、所述冲击波波后折射率 分别获取冲击波波后密度、压强、速度、温度以及马赫数。

本申请另一方面还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储 在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序 时实现所述的爆炸冲击波波后参数测量方法。

本申请另一方面还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程 序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行所述的爆炸冲击 波波后参数测量方法。

相比现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请提供了一种基于背景纹影技术的爆炸冲击波波后参数测量方 法、装置，相比于压力传感器电测法，本申请不需要提前布设地面传感器 测试阵列，因此也避免了测试中传感器布置不合理、损坏导致的测试数 据不合理以及测试成本增加的问题；另外，压力传感器电测法只能获取 近地附近气体的压强信息，无法完成全场密度、压强以及温度等信息的 测量；相比于同属于光学非接触测量的纹影摄像方法，纹影摄像方法只 能定量获取冲击波的运动速度信息，本申请能够实现冲击波波后密度、压 强、速度、温度等信息的定量测量，数据更全面可靠，成本低，从而方便 研究人员更加科学全面地进行爆炸威力的测量和研究，提高测量的准确性 和可靠性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本申请还有其它的目 的、特征和优点。下面将参照附图，对本申请作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申 请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当 限定。在附图中：

图1是本申请优选实施例的爆炸冲击波波后参数测量方法流程示意 图。

图2是步骤S1的子步骤示意图。

图3是背景纹影技术(BOS)的测试原理示意图。

图4是背景纹影技术(BOS)的背景图像及其位移矢量示意图。

图5是本申请优选实施例的爆炸冲击波波后参数测量装置模块示意 图。

图6是本申请优选实施例的电子设备实体示意框图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中 的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申 请。

参照图1，本申请的优选实施例提供了一种基于背景纹影技术的爆炸 冲击波波后参数测量方法，包括步骤：

S1、基于背景纹影技术获取冲击波波后折射率；

S2、根据冲击波基本性质及状态参数方程、理想气体状态方程获取的 理想气体换算公式、所述冲击波波后折射率分别获取冲击波波后密度、压 强、速度、温度以及马赫数。

具体地，如图2所示，所述基于背景纹影技术获取冲击波波后折射率， 具体包括步骤：

S11、搭建用于测量爆炸冲击波的背景纹影测量设施；

S12、通过采用高分辨率的CCD相机记录有/无流场干扰情况下的一 对背景随机点阵图像，得到背景随机点阵图像上点的虚位移(Δx',Δy')；

S13、运用图像互相关算法对这一对图像进行互相关计算，获得该随 机点对应成像平面上的实位移(Δx,Δy)；

S14、基于所述实位移(Δx,Δy)结果，通过给定边界条件，并利用有限 差分或有限元方法进行求解，获得测量区域的投影积分效果的定量折射率 场分布作为冲击波波后折射率。

背景纹影(Background Oriented Schlieren,BOS)技术原理简单，配置简 约，成本低廉，是一种新型光学测量手段。简单来说，透过变折射率场观 察随机背景点阵，背景点阵会发生偏移。BOS技术正是通过对有/无流场 干扰下获得的背景点阵图像进行互相关计算，获取光线穿过流场后两个方 向对应的位移量。该位移的大小与方向与垂直光线传播方向上的折射率分 布密切相关，由此获取流场的折射率或密度分布等定量信息。

如图3所示，通过在待测流场区域后方一定位置布放一幅随机背景点 阵图像。当流场区域不存在扰动时，流场的折射率分布基本均匀，光线通 过流场区域时方向不会发生明显变化。当流场区域存在不稳定流动时，流 场中密度空间分布的不均匀直接导致流场中对应折射率空间分布的不均 匀，光线穿过流场区域后会发生较为明显的偏折。

图3中，随机背景点阵距流场(畸变场)等效折射发生界面之间的距离为 Z

式(1)和图3中W表示光线通过的流场(畸变场)区域有效宽度，n表示 流场区域折射率。对于气动光学效应研究中的大多数情况而言，光线偏折 角一般比较小，基本满足小角度近似条件假设，基于简单的几何方法可以 构建成像平面上随机点实位移(Δx,Δy)、随机背景上对应虚位移(Δx',Δy')以 及光线偏折角(θ

m表示成像放大率，如果流场内介质为空气或者某种单一气体介质， 其折射率n≈1，结合Gladstone-Dale方程，可以将式(2)修改为：

式(2)和式(3)中m表示成像放大率，可以通过拍摄标尺换算得到。

由式(3)可知，只要在测出有/无流场干扰情况下的背景随机点阵图像上 点的虚位移(Δx',Δy')。

如图4所示，通过采用高分辨率的CCD相机记录有/无流场干扰情况 下的一对背景随机点阵图像，再运用已经发展成熟的图像互相关算法对这 一对图像进行互相关计算，便可以获得该随机点对应成像平面上的实位移 (Δx,Δy)分布。

基于BOS技术爆炸场定量测量技术原理如下：

当光线在非均匀介质中传输时，根据费马原理，如果光线偏移量远远 小于流场款速，则有：

其中，C为常数，与实验配置相关；Δx、Δy为测量获得的不同方向 的斑点位移量。对整个位移矢量场的x和y方向求偏导，则可以获得如下 的泊松方程：

基于BOS技术获取的Δx、Δy结果，通过给定边界条件，可以通过有 限差分或有限元方法进行求解，获得测量区域的投影积分效果的定量折射 率场分布n。这便是BOS技术与爆炸场测量技术最主要的参数对接位置。 只是，关于折射率分布的具体性能指标需要进行严格的设计，以实现比较 好的应用效果。

下面对冲击波基本性质及状态参数方程进行说明。

爆炸过程中，冲击波阵面前后各物理参量均为途跃变化，并且由于波 速很快，可认为波的传播过程是绝热过程，符合质量守恒、动量守恒和能 量守恒三个基本定律。以此为依据，可对冲击波的性质和状态进行研究。

冲击波在静止空气中传播时，其传播速度为U，波前气体状态参量包 括冲击波波前压强p

ρ

根据动量守恒定律，一定体积内动量的变化等于所受作用力的冲量， 当波阵面压力差为p

p

根据能量守恒定律，系统内能量的变化等于外力所作的功，绝热状态 下以内能和动能表示系统能量，在单位时间内，当未扰动的介质单位质量 内能为E

下面对本申请的冲击波参数确定进行详细说明。

在本申请的优选实施例中，根据冲击波基本性质及状态参数方程、理 想气体状态方程获取的理想气体换算公式、所述冲击波波后折射率获取冲 击波波后密度，具体包括步骤：

根据Newell、Baird、理想气体状态方程获取的理想气体换算公式，一 定温度、压强下的折射率为：

式中，ρ为密度，N

在本申请的优选实施例中，根据冲击波基本性质及状态参数方程、理 想气体状态方程获取的理想气体换算公式、所述冲击波波后折射率分别获 取冲击波波后压强，具体包括步骤：

在分析冲击波状态参量方程的基础上，进一步假定冲击波作用过程符 合多方气体规律，内能与温度呈正比，其多方指数为k，当冲击波压力不 超过50个大气压时，即未引起气体分子离解或电离过程，k可不考虑变化 取常数为1.4，结合理想气体状态方程和冲击波状态参数方程，可得：

考虑到波前密度ρ

设A＝273.15R

在本申请的优选实施例中，根据冲击波基本性质及状态参数方程、理 想气体状态方程获取的理想气体换算公式、所述冲击波波后折射率分别获 取冲击波波后速度，具体包括步骤：

由式(11)可以得到，随着冲击波压强的增大，气体折射率增大到一定 数值，冲击波前后对比度明显，因此，先基于背景纹影技术确定不同时刻 的冲击波界面位置；

假设波阵面为半径为R的球面，在时间间隔Δt的情况下，波阵面移 动距离为ΔR，则计算局部波阵面移动速度U＝ΔR/Δt。

在本申请的优选实施例中，根据冲击波基本性质及状态参数方程、理 想气体状态方程获取的理想气体换算公式、所述冲击波波后折射率分别获 取冲击波波后温度，具体包括步骤：

在未引起气体分子离解或电离状态下，根据理想气体状态方程，即：

p＝ρR

那么，结合式(10)、式(12)和式(13)的冲击波波后密度ρ

在本申请的优选实施例中，根据冲击波基本性质及状态参数方程、理 想气体状态方程获取的理想气体换算公式、所述冲击波波后折射率分布n 分别获取冲击波波后马赫数，具体包括步骤：

考虑冲击波某一局部位置，可以近似看成正激波，根据一维等熵流动 关系式：

那么，结合式(12)和式(16)，便可以获取对应的冲击波波后马赫数为：

如图5所示，本申请另一优选实施例还提供了一种基于背景纹影技术 的爆炸冲击波波后参数测量装置，包括：

折射率求取模块，用于基于背景纹影技术获取冲击波波后折射率分 布；

冲击波波后参数计算模块，用于根据冲击波基本性质及状态参数方 程、理想气体状态方程获取的理想气体换算公式、所述冲击波波后折射率 分别获取冲击波波后密度、压强、速度、温度以及马赫数。

如图6所示，本申请另一优选实施例还提供了一种电子设备，包括存 储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述 处理器执行所述程序时实现所述的爆炸冲击波波后参数测量方法。

本申请另一优选实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存 储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行所述的爆 炸冲击波波后参数测量方法。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可 执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序， 但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本实施例方法所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立 的产品销售或使用时，可以存储在一个或者多个计算设备可读取存储介质 中。基于这样的理解，本申请实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技 术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存 储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机，服 务器，移动计算设备或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器 (ROM,Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)，磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对 于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本申请的保护范围之内。