爆炸冲击载荷下效应靶形变测量技术研究

2016-12-20何性顺段奇三苏健军张俊锋姬建荣

测绘通报 2016年11期

关键词：铝片战斗部扫描仪

何性顺，段奇三，苏健军，张俊锋，姬建荣，孔霖

(1. 西安近代化学研究所，陕西西安 710065； 2. 北京昊云科技有限公司，北京 100088)

爆炸冲击载荷下效应靶形变测量技术研究

何性顺1，段奇三2，苏健军1，张俊锋1，姬建荣1，孔霖1

(1. 西安近代化学研究所，陕西西安 710065； 2. 北京昊云科技有限公司，北京 100088)

针对效应靶在爆炸冲击载荷作用下产生的不规则变形量难以精确测量的难题，探索了利用三维激光扫描仪采用非接触测量方式对效应靶形变量进行测量的方法，分析了该设备在毁伤评估领域应用的可行性。结果表明，三维激光扫描仪可以实现效应靶形变量的精确测量，精度达到亚毫米级；通过对效应靶在毁伤作用下形变的分析可以反映出战斗部的毁伤威力。

爆炸冲击载荷；效应靶；三维激光扫描

外场爆炸试验的测试工作对于战斗部各项性能的测试及其毁伤效能的评估，对于了解武器的威力和工作状态，以及对弹药威力的设计具有重要意义[1]。其研究方法是通过在战斗部周围一定距离和一定角度布设压力传感器、靶标等测量器具，以获得特定距离和特定角度处的战斗部性能参数[2-3]。其中，传感器测量器具利用传感器本身的压电特性，通过电测手段得到毁伤区域内某点的冲击波压力，具有测量精确度高、成本高、布点少等特点；而靶标主要用于冲击波冲量的测量，用靶标形变来反映战斗部在该区域的毁伤能力，具有测量不确定度高、成本低等特点[4]。两者互有优劣，因此外场试验一般采用两种测量手段相结合的方式，尽可能多地获取战斗部性能参数，为毁伤评估提供充足的数据支持。

三维激光扫描技术又称三维实景复制技术，自2000年被引入中国，现已被广泛用于各种行业。其测量原理为激光测距，仪器使用激光枪发射激光，射至被测物体表面，通过物体表面发射回来的信息解算三维坐标信息，在空间形成横向和纵向的精确测量，计算出被测量点与扫描仪中心的相对位置，并得出独立坐标(X,Y,Z)；给予每个坐标一个点的图形符号，在计算机中以点符号显示，形成云状三维模型，故而称为点云数据(点云)。因此，三维激光扫描仪也可称为多点式的全站仪。通过扫描仪自带的同轴相机可获取物体表面纹理信息，使纹理信息与三维坐标信息进行叠加，可快速在计算机中形成被测物体的三维点云模型。

三维激光扫描技术作为现代测绘技术的代表之一，具有数据获取速度快、数据信息丰富、数据精度高、可三维呈现等特点，已被广泛应用于文化遗产、测绘、规划、工厂设计、土木工程、灾害评估、军事分析等很多行业与领域[5-7]。

本文结合外场爆炸试验测试工作的实际需求，采用三维激光扫描技术对需要精确测量的小型效应靶的形变量进行测量，探究该测量新方法在外场试验过程中的流程、方法与应用技术特点；为外场爆炸试验的测试提供一种新的解决方法，并在测量精度、数据处理的优势方面等作初步的探讨与总结。

一、外场试验背景概述

为了研究各类装药战斗部在开阔空间内爆炸的性能，将战斗部固定至如图1所示的爆炸点(即爆心)。爆轰场区域内(近似为球形，地面近似为圆形)布置各类测量器具，包括压力传感器、冲击振动传感器(不在本文研究范围，从简)、效应靶。效应靶为方形铁墩，通过螺钉固定若干个厚度不等的铝片(如图2所示)，部分效应靶垂直埋于沙土中，保证铝片表面与地面齐平；部分效应靶通过一定角度面朝爆心，铝片在战斗部装药起爆后能够感知冲击波压力，通过其变形量来表征该点处的冲击波强度。

现有测量手段是利用游标卡尺对爆炸后的效应靶铝片凹陷最深的地方进行测量，利用细沙填充凹陷表面然后倒出测量细沙的体积，再用细沙的体积近似计算效应靶铝片所产生的体积形变，两种方法的准确性均较低。用游标卡尺测量时易受不同测试人员主观因素的影响，细沙填平的方法受细沙孔隙率的影响较大。由此可见，不规则形变的效应靶铝片在现有技术条件及手段下无法得到准确测量，进而影响到下一步毁伤评估技术的研究。

图1 爆炸场布局示意图

图2 效应靶实物

本文采用三维激光扫描技术，研究用于获取各种爆炸效应和目标毁伤效果参量的等效靶及其标定技术，实现爆炸场毁伤数据的可靠获取，并反映宏观毁伤效果。

二、三维激光扫描测量方法

由于通过三维点云数据可以建立真实尺寸的三维模型并可以在其上进行各种量测及分析，凭借此优势，三维激光扫描在很多领域诸如文物古迹保护、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶制造、有限元分析等也有了很多的尝试、应用和探索[5]。

本文的研究思路是：采用三维激光扫描仪对爆炸前后的效应靶铝片进行两次扫描，利用点云数据进行铝片效应靶三维模型构建，在同一空间内通过数据对比得出精确的铝片变形定量分析，从而完成测试作业。如图3所示。

试验将图2中实际工况下采用的效应靶的铝片单独取出，采用手指按压的方式使铝片发生一定的形变，然后将变形前后的铝片分别置于不同距离处，用三维激光扫描仪进行扫描测试，通过对比同一距离处铝片变形前后的体积形变量，研究采用这种方式测量体积形变量的精度。

图3 实际爆炸场内三维激光扫描流程

三、扫描数据的处理

三维激光扫描系统包括获取数据的扫描仪和处理分析数据的软件。硬件用于现实数据的采集，软件根据各行业应用点不同包括：扫描仪控制软件、建模软件、制图软件、数据分析软件等。涉及的参数包括硬件和软件的扫描距离、角度、精度、速度、稳定度等，需要根据不同的软硬件参数特性和工程需求，采取不同的工程方案[8]。在实践中，每一个三维激光扫描系统的工作都可看作是一个系统的工程，不仅涉及硬件和软件，还涉及数据处理流程的多方面。如图4所示。

图4 扫描数据处理流程

1. 效应靶在指按压前后三维扫描

利用三维激光扫描仪对效应靶进行扫描，根据效应靶大小设置扫描参数，保证在效应靶上获取足够的点云数据。如图5所示。

图5 效应靶三维点云数据

2. 按压前后效应靶三维点云数据对齐

利用点云数据对按压前后的两个效应靶进行空间对齐(Registration)。空间对齐是指将两个不同坐标系统的效应靶点云数据置放在一个坐标系统中，在此坐标系统中两个点云数据是重叠的[9]，即按压前效应靶坐标系统(X1,Y1,Z1)与按压后效应靶坐标系统(X2,Y2,Z2)的对应转换。如图6所示。

图6 效应靶对齐前后截图

空间对齐的方法有特征点对齐、物理属性对齐、坐标对齐[10]。特征点对齐即在两个点云数据中选取3个以上同名点进行数据匹配，该方法的特点是运算速度快，操作较复杂；物理属性对齐是指计算机利用点云数据中点位信息及相关曲率进行自动对齐，特点是计算机需要调用全部点云数据进行计算，速度慢；坐标对齐是指利用效应靶的空间坐标进行对齐，速度快、精度高。这3种对齐方式均可以对效应靶进行对齐工作，可根据效应靶的大小及现场工作环境而定。

3. 数据对比分析

在对齐的效应靶点云数据中进行噪音清除。噪音数据是指三维激光扫描时形成的周围冗余的数据。去除噪音数据的目的在于针对有效的效应靶数据进行分析。

在计算机中可以虚拟测量，提取任意点的三维坐标(X,Y,Z)及每个坐标轴的变量(Dx,Dy,Dz)。

另外，计算机中可实现虚拟切割，提取效应靶断面线,即沿着效应靶任一方向切割对齐的两个效应靶，生成两条断面线。由此可以直观地看到效应靶的变形，并可提取任一点的形变值。如图7所示。