静动爆火球分布特征研究*

王 瑞，商 飞，王良全，郭雨岩

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

0 引 言

随着弹药技术的发展，云爆、温压等一系列战斗部研究的深入，新型战斗部及大当量战斗部不断涌现，爆炸场的热毁伤能力显著增强. 目前，在探究高能炸药毁伤作用时，重点研究冲击波和破片对目标的毁伤程度，爆炸热毁伤作用相关研究成果很少. 爆炸火球作为温度场的表征参量，蕴含大量爆炸信息，对其进行研究十分必要.

对于爆炸火球的研究，前人做了很多探讨，郭学永等[1]基于baker模型拟合出温压药剂爆炸火球的直径、持续时间与装药量的关系式；阚金玲等[2]用红外热成像仪和高速摄像仪对温压炸药和常规炸药的火球特征参数进行了测量；仲倩等[3]根据红外热成像仪所测的某温压炸药火球表征参量数据，对爆炸火球变化规律进行了定量描述；李易昭等[4]通过高速摄像机构建云爆弹云雾生长规律测试系统，运用图像处理拟合了静态爆炸时云团直径、面积等生长曲线. 这些研究主要集中在炸点固定的静爆或火灾产生的瞬变火球模型，对爆炸产生的火球尺寸、影响因素等报道很少，而对于实际战斗部来说，其往往是在运动中爆炸，炸点不固定. 高速录像测试结果表明，具有特定速度和攻角的战斗部动爆试验时火球呈现明显的非对称外观，应用经验、半经验方式计算到的火球直径、面积等参数难以准确描述真实爆炸火球的特征.

本文通过高速摄像仪对静爆和同等条件下的模拟动爆火球参数进行测量，基于图像处理的方法获取视频图像中火球的轮廓、质心迁移轨迹及倾角等分布表征参量，利用这些表征参量分析运动装药速度对爆炸火球的影响，研究静、动爆火球分布之间的差异性.

1 TNT静动爆火球试验

图 1 测试系统布设示意图

为了研究装药速度对火球分布的影响，分别进行了弹速为0 m/s的静爆和预设弹速为335 m/s、680 m/s、930 m/s的模拟动爆试验.

2 静动爆火球图像分析及处理

图 2 为高速摄像机拍摄的爆炸火球过程图像，当战斗部在静止状态下引爆时，火球形态近似于规则的圆形，如图 2(a) 所示；当战斗部在运动状态下引爆时，受到水平方向牵连速度的影响，火球呈现明显的非对称外观. 为了分析对比静、动爆爆炸火球的分布及变化趋势，需要精确提取静、动爆爆炸火球的轮廓边缘，计算爆炸火球的表征参量，如面积、直径和质心等.

(a) 静爆时火球形态

(b) 动爆时火球形态

考虑到实际火球视频图像存在大面积烟雾干扰，无法直接获得完整清晰的火球轮廓，高速摄像机采集的火球图像为RGB格式，将彩色图像转换为灰度图像计算图像灰度值发现，在火球膨胀过程中，未被烟雾遮挡的火球区域高光过曝，灰度值在255左右，而被烟雾遮挡的火球区域的灰度值与背景相近，且在爆炸过程中呈现不规则变化的特点.

常用的图像分割方法大致分为固定阈值分割和自适应阈值分割[5-7]. 固定阈值分割不能实现对不同灰度值烟雾的区分. 常用的最大类间法分割具有一定的阈值自适应能力，但该方法是基于统计整幅图像的灰度值来区分目标(火球)和背景(非火球)的，若烟雾和背景灰度值相近的图像区域面积较大，则被烟雾遮挡的火球区域被错判为背景的概率会大大升高. 因此，对于实验场景不一、烟雾扩散和浓度不可控的爆炸火球图像来说，常用的图像分割手段很难达到火球轮廓精确提取的要求，火球分布参数精度难以保证. 因此，本文设计了一种结合背景差分法和自适应区域生长法的爆炸火球轮廓提取算法，基本流程如图 3 所示.

图 3 图像处理流程图

2.1 背景差分

背景差分法是将当前图像与参考背景图像相减来实现运动目标的检测，对于环境背景稳定，待测目标与背景差异较大的场景，背景差分法可以较好地提取出目标在背景中移动过的区域. 爆炸实验一般在荒无人烟、空旷广袤的地方进行，且拍摄过程中，高速摄像机固定不变，因此，拍摄环境较稳定、背景变化较小，可运用背景差法提取变化的爆炸火球目标区域.

2.2 基于区域生长法的图像分割

受烟雾遮挡的影响，背景差分法得到的火球目标并不完整. 使用背景差分法应先确定目标(火球)区域，然后再根据一定的阈值分割，对求得的目标进行区域生长[8]，即可得出完整的目标火球，从而尽量消除烟雾的影响.

通过区域生长得到的火球二值图，虽然大致消除了烟雾的遮挡影响，但二值图像中仍包含了较多孤立的噪声点或分散区域，这些区域可能由飞焰、背景弹架反光造成，也可能因为烟雾过大导致区域难以生长为一个整体. 所以，综合分析二值图像各区域的矩形度、长宽比和面积，并统计各区域质心作最近邻聚类分析，识别并剔除图像噪声区域(飞溅的火焰、背景弹架等非火球区域噪声). 图像处理如图 4 所示.

(a) 灰度图

(b) 背景差分图

(c) 区域生长二值化图

(d) 最近邻法去除非火球区域

(e) 火球轮廓提取

3 静动爆火球分布参量对比分析

3.1 不同速度下爆炸火球视频图像

为更好地描述爆炸中静动爆火球的整体变化过程，通过视频叠加方式获取了火球在整个爆炸过程的叠加图像，针对战斗部静爆和预设弹丸攻速为680 m/s、930 m/s的模拟动爆火球，通过图像处理获取火球轮廓并计算火球直径、面积、质心等分布参量，弹药以轴向速度为0 m/s、680 m/s、930 m/s的预设弹速时，火球视频图像如图 5 所示.

(a) 静爆火球过程图像

(b) 静爆火球过程图像

(c) 速度为680 m/s火球过程图像

(d) 速度为930 m/s火球过程图像

根据图像处理算法，分析得到战斗部在预设弹速为0 m/s、335 m/s、680 m/s、930 m/s下的火球尺寸，结果见表1.

表1 不同速度下火球尺寸参数

由图 5 及表1 分析可以发现，爆炸火球几何参量随着爆炸基本参量的改变而改变，爆炸时战斗部的飞行速度越高，爆炸火球的最大直径越大，即火球会被“拉长”. 引发的原因是弹药燃料受到径向的装药产物膨胀作用的同时，还受到轴向的牵连速度引发的惯性力作用，径向的膨胀应力与轴向的惯性应力的合力使得火球由静爆时的球体变成椭球体.

3.2 爆炸过程火球质心提取

将利用 MATLAB 火球图像处理计算程序获得的质心位置标记在原灰度火球图像中，并提取火球质心从弹药爆炸时刻起至结束的迁移轨迹，如图6所示，图像质心坐标[9，10]求解公式为

式中：(x,y)为火球图片任意点坐标；xc和yc为火球质心坐标；g(x,y)为二值火球图像，如g(x,y)=1,(x,y)属于火球区域，图像像素颜色为白色；g(x,y) =0，(x,y)属于非火球区域，即图像背景，图像像素颜色为黑色.

通过上述爆炸过程中质心迁移轨迹图可以看出，动爆火球质心在惯性牵引力的作用下会产生一定的倾角，而静爆质心则由于膨胀作用，沿着Y轴做向上迁移. 为了更好得分析静动爆火球质心迁移变化，本文将炸点o′作为坐标原点，火球区域图像质心o与炸点o′的连线和垂直方向(y轴)基线之间的夹角即为火球倾角θ，如图 7 所示. 图 8 为直角坐标系下(统一起点)静、动爆火球质心迁移轨迹. 图 9 为不同弹丸攻速下的动爆火球和攻速为0 m/s的静爆火球爆炸过程火球倾角变化示意图.

(a) 静爆质心迁移轨迹

(b) 某一速度下动爆质心迁移轨迹

(a) 火球轮廓提取图

(b) 火球倾角定义示意图

图 8 直角坐标系下静动爆火球质心迁移轨迹

图 9 爆炸火球倾角变化图

由图 8 和图 9 可以看出，弹丸以一定的攻速爆炸时，在短时间内不断生长膨胀，爆炸火球受到水平方向惯性牵引力的作用会沿着x轴向速度方向运动，作用在火球上的水平惯性牵引力和火球爆炸内部高压燃气压力产生的膨胀作用的合力指向斜上方，到爆炸后期，火球处于稳定燃烧阶段，火球受膨胀作用变小，火球质心在y轴方向上偏移率变小，火球向水平方向偏移，质心倾角接近80°；静爆时，由于不受水平方向牵引力的作用，在装药产物的膨胀作用下，爆炸火球质心在y轴附近波动，两发静爆实验火球倾角不超过10°.

由上述分析可以得出，将静爆和动爆火球图像轮廓质心进行提取，通过质心倾角的计算，得到的火球质心倾角迁移轨迹曲线及倾角范围可以明确地区分静爆火球和动爆火球轮廓，其具有较大的工程使用意义.

4 结 论

本文通过高速摄像仪构建测试系统对静爆和同等条件下的模拟动爆火球参数进行测量，基于图像处理的方法获取视频图像中火球的轮廓、质心迁移轨迹及倾角等分布表征参量，分析运动装药速度对爆炸火球分布表征参量的影响，得出以下结论：

1) 战斗部在以某一攻速引爆时，爆炸火球的形态由静态引爆时较为规则的球体变为拉长的椭球体.

2) 通过对静动爆火球图像质心和质心轨迹迁移轨迹的提取，得出动爆火球受弹丸攻速的影响，质心沿着弹丸运动速度的正方向迁移，静爆火球受膨胀作用，质心在竖直方向迁移.

3) 通过对静、动爆火球图像质心倾角进行对比分析，得出可通过火球图像质心迁移状态来区分静爆和动爆.