战斗部破片场参数测试技术发展综述

武江鹏,乔明军,闫振纲,贾养育,骆 强,孙卫平,任 勐

(西安现代控制技术研究所， 西安 710065)

杀爆战斗部爆炸后形成的冲击波超压场和破片场是对目标形成杀伤的主要毁伤元，破片场参数如破片群飞散角、飞散密度、破片大小、数量、飞行速度、速度衰减系数等对战斗部的作战效能有着重要影响[1]。目前国内靶场主要参考“GJB3197—1998炮弹试验方法”对战斗部静爆破片速度、杀伤半径与空间分布进行测试[2]，由于战斗部爆炸强火光烟尘、强冲击振动，破片群数量较大、飞散方向各不相同，导致测试设备布设与防护，破片场数据采集与处理非常困难。随着软硬件技术发展，破片测试技术主要有靶板法、光电靶、雷达、声靶、多光谱探测、X射线成像、超高速摄影等光学成像方法，每种测试方法有自己的优缺点：靶板法布设和回收破片费事时费力，雷达多目标信号处理较复杂，光电靶仅能捕获有限数量的破片且防护困难，X闪光成像成本高仅能成像数帧破片图像等等[3-4]。

精确的静爆破片场参数是构建战斗部威力模型的基础，也是动爆条件下破片场分析的前提，战斗部的落速、落角和炸高决定弹目交汇条件，影响战斗部的杀伤威力[5]。因此有必要对战斗部静爆和动爆破片场参数进行综合测试，从而掌握目标高效毁伤方法，为建立目标武器弹药毁伤评估系统提供足够的数据支撑[6-7]。随着新型战斗部技术的发展，如定向爆破战斗部、低附带损伤战斗部等，对破片参数测试提出新的需求：一是数量上获取充分的战斗部破片数据，二是质量上获取精确的破片群数据，三是解决新型战斗部特有的破片参数。本文对最近几年国内外战斗部破片参数测试技术进行追踪，重点对国外破片测试方法进行技术分析，最后对其发展进行了总结和展望。

1 国内破片测试研究现状

目前，国内靶场主要采用球形靶环形靶板对战斗部静爆试验过程中的破片空间分布特性进行测试，对于大当量战斗部采用矩形靶或L形靶进行数据回收[8]，由于数据是试验后人工查靶统计录入，难免存在误差，并且靶板法仅能对部分破片进行测试，无法测出破片速度。由于光电靶具有探测灵敏度高、响应速度快、非接触测试等优点，已得到广泛应用。光幕靶是由数个发光二极管和光敏二极管组成发射接收阵列即光幕，当破片通过光幕时对应位置的光敏二极管输出脉冲电信号，计时仪记录时刻值，破片飞过前后两个光幕靶依据定距测时差计算出破片的飞行速度[9]。由于破片飞行方向与光幕靶布设位置不是严格垂直，破片实际飞行距离大于光幕靶间距，导致测速误差较大。为解决以上问题，田会等人设计一种环形光幕测速靶[10]，可以测量任意方向的破片速度，但是当多个破片飞过光幕靶时，出现多破片无法匹配问题，仅能测出多破片的平均飞行速度。激光光源由于单色性好、光束质量高，与光电接收装置组成激光光幕靶对破片速度进行测试[11-12]。受战斗部爆炸强火光、强冲击振动等影响，激光光幕靶输出信号噪音较大，对破片信号的自动识别和处理较困难，需通过相关分析、小波滤波等信号处理方法加人工判读对破片信号进行分辨。为解决大当量战斗部爆炸时强火光对激光光幕靶信号影响，刘吉等[13]对爆炸火光光谱进行分析，选择爆炸火光光谱范围外的光源和探测器组成光幕靶面，获得较高信噪比的破片过靶波形，对破片的捕获率有很大提高。

导致多破片信号无法匹配或分辨的主要原因是前后光幕靶仅输出脉冲信号，对破片群的外形尺寸、位置、大小等特征信息均没有参与数据处理获取，采用激光光幕与高速线阵相机配合[14]，对经过光幕的破片进行成像，利用双目视觉原理对破片进行空间定位，多个空间测试靶面进行信息融合可以得出破片空间散布、破片飞行速度、飞行角度等参数[15]。

相比于静爆测试，战斗部动爆破片场参数测试为武器弹药的毁伤效能评估、战斗部的优化设计等提供更具有实战化意义的数据。国内有单位利用微波雷达对弹药动爆破片参数测试进行研究[16-18]，通过仿真对雷达复杂信号回波进行建模和仿真分析。由于远离爆炸点，爆炸冲击波和飞行破片对雷达设备影响较小，但是破片群数量多、破片雷达散射截面RCS小、有效测量时间短、破片速度变化大、破片向不同方向飞散等因素导致雷达回波信号较复杂，对信号分析提出较大的挑战。针对战斗部动爆条件下破片参数测试，目前没有其他测试手段的具体应用报道。

2 国外破片参数测试发展现状

美国战斗部静爆破片场参数测试遵从联合弹药效能手册(Joint Munitions Effectiveness Manual，JMEM)中规定的标准和测试方法。美国靶场早期也采用木板靶、草垛靶进行战斗部静爆破片测试，在测试结束后进行破片回收和数据统计。2001年美国物理科技公司(Physical Sciences Inc)交付给恩格林空军基地的破片场分析测试系统FRAT，其测试现场如图1所示，电子靶板最大可由96块组成[19]，每块电子靶板由前后两层梳状电路进行编码，可测试每个破片的穿靶位置和穿靶时间。电子靶后布设破片回收装置统计出破片的大小和质量，根据破片速度衰减计算模型可以算出每个破片的飞行速度。

图1 FRAT破片场测试系统测试现场

靶板法由于布设和数据采集费时费力，因此目前正向光电磁等非接触测量方法发展。2009年美国陆军实验室报告(ARL-SR-179)中指出，目前破片式战斗部威力测试依然采用试验后收集破片并生成Z-data文件，不断完善战斗部毁伤威力数据库[20]。但是战斗部静爆采集破片数据跟实际作战有差距，战斗部运动速度对破片的飞散方向以及冲击波方向扩散都有较大影响，因此在美陆军阿伯丁试验场进行战斗部动爆试验，采用测速雷达获取战斗部动爆速度，高速数字相机和纤维靶板获取动爆条件下的破片群参数，原理示意图如图2所示。根据回收的破片散布程度以及战斗部的运动速度进行毁伤威力分析，发现其对破片射束方向过估计，而对战斗部头部和尾部欠估计。

2015年美国恩格林空军基地第96测试中心在“先进武器毁伤效能测试能力”(Advanced Weapons Effects Test Capability,AWETC)报告中指出目前的静爆测试方法仅能捕获部分战斗部爆炸破片，不能捕获充分的破片数据来估计战斗部毁伤半径(无论是破片数量上还是数据质量上)，不能解决新型低附带损害战斗部的破片特性测试，其示意图如图3所示。

图3 战斗部静爆破片捕获及数据缺失示意图

为此他们制定了战斗部毁伤评估测试目标，即收集战斗部静爆上半球数据来恰当评估武器战斗部毁伤效能，并且要实现：① 破片随时间的空间位置测量；② 每个破片的速度矢量(速度、射向)测量；③每个破片的物理特性(大小、形状、迎风面积等)测量。对破片场参数测试的预期指标如表1所示[21]。

表1 战斗部破片场参数测试预期指标

2014年由美国海军发起的SBIR科研项目“Automated Warhead Characterization”，目的是开发一套全新的、高效低成本的测试系统，完成弹药爆炸过程中全范围、开阔空间内破片质量、几何形状以及速度信息的测量[22-23]。目前已经有几家高科技公司参与其中，相关技术进展情况见表2所示。可以看出大部分公司采用了光学成像的方法对爆炸瞬间立体成像，然后通过图像处理方法对多破片进行空间识别、检测、追踪以及立体重建。

表2 美海军SBIR N141-007科研项目进展情况

美国Torch技术公司由美陆军资助的科研项目“Stereo Camera Optical Tracker”也是采用机器视觉光学追踪的方法对破片场参数进行测试[24]。多个高速高分辨率相机视场拼接组成焦平面阵列，如图4(a)所示，远距离对战斗部爆炸瞬间进行拍摄，利用图像拼接关联、视觉检测及多目标追踪、破片尺寸测量和立体重建等图像处理方法对每个破片进行飞行轨迹拟合，并给出破片位置、速度以及弹道系数，图4(c)所示。目前这套系统已在美空军恩格林基地进行靶场测试，实现每个高速相机12 m×12 m视场范围内对6 mm尺寸大小的破片跟踪，破片捕获率大于80%，破片速度测试精度大于95%。

图4 美Torch科技公司对破片场参数测试结果

美国国防部作战试验与评估中心(Director,Operational Test and Evaluation)每年的年度工作报告中均有对年度内开展的实弹毁伤测试评估相关项目及研究方向进行总结[25-28]，报告称正在研究立体成像技术对弹药毁伤效能进行更高效精确地测试评估，这项技术对未来弹药发展特别是定向能或聚焦式战斗部提供极为重要的数据收集方法。目前该项技术已在MK84空地炸弹战斗部静爆测试中应用，并成功识别追踪到1016个破片。

2016年美国桑迪亚国家实验室采用闪光X射线和高速摄影技术对战斗部爆炸破片飞散过程进行测试[29]，其过程如图5所示。X射线穿透爆炸火球及烟尘，对破片初始状态扩散、破片旋转进行成像。报告称目前使用的是9个Marx高压脉冲发生器序列化成像技术，成像速度达到250 000 f/s，利用数字图像相关技术对破片场进行3D重构和展示。

图5 MK84战斗部静爆测试爆炸火球中的破片群测试过程

不同测试方法有其各自的优缺点：

1) 靶板法，测试成本低，但是数据采集回收费时费力；

2) 光电法(天幕靶、激光幕靶)，测速精度较高，但是不易防护，采集的破片数据较少；

3) 声测法，系统成本低，但是测速、位置精度较差，不能确定破片尺寸；

4) 测速雷达，远距离测试系统易防护，但是信噪比低，可测破片尺寸较大(1～2cm)，成本较高；

5) 多光谱探测法，探测器能透过火球观测爆炸过程，但当前分辨率及采集速率较低；

6) 光学成像方法，具有较高的分辨率、采集速度以及快门速度，但破片群图像处理方法复杂。

3 结论

可以看出破片场参数测试技术正朝着参数综合化、精确化、动态化方向发展。

1) 国外采用立体视觉成像的方法对破片群识别和跟踪是发展趋势，利用图像处理方法及视觉3D重构技术对战斗部爆炸破片群毁伤元进行时空描述。由于战斗部爆炸伴随的强火光、强冲击振动、烟尘颗粒等对图像污染严重，破片群扩散范围较大、数量多，对大功率主动照明、高速相机视场拼接、光学现场标定、图像防抖降噪、多目标识别与连续跟踪等技术提出新的技术要求。

2) 战斗部在动爆条件下受弹药落速、落角、炸高等因素的影响，其破片威力场在三维空间内呈现不规则分布，而目前对破片群参数测试大多在静爆条件下进行，动爆条件下破片群参数主要用静爆参数和弹药终点弹道参数进行矢量耦合计算，静动爆关联模型有待验证。因此需要对动爆条件下战斗部破片群参数测试技术进行研究，重点是动爆条件下测试设备的布设方法与防护措施。对弹药或战斗部的优化设计，弹药作战使用都具有指导意义，如战斗部预制破片的分布、战斗部装药和起爆方式、引信作用距离等等。

3) 模型完备性和测试数据准确性

采用数学仿真模拟方法结合全面先进的战斗部毁伤元测试技术，根据靶场试验结果不断修正战斗部静动爆威力场数学模型，从实战角度评价武器战斗部的毁伤威力，有效缩短战斗部或武器型号的研制周期，提高武器的作战效能。