0 引　言

装药水下爆炸产生冲击波，爆炸产物形成气泡脉动。水中爆炸冲击波的破坏效应开展的研究比较充分，但气泡运动所造成的严重破坏却没有足够的认识。虽然通过水中压力和目标自身响应（加速度、速度测量等）可以推断气泡运动情况，但不能直观描述气泡运动过程和由此产生的流体结构相互作用。利用现代光学设备通过试验可以直接观察不同装药爆炸气泡的运动过程，以及对目标的作用过程^[1-7]。美国、法国、澳大利亚、韩国等国家都建有光学测量系统，分别对装药爆炸气泡脉动过程实施拍摄，或者在浮动冲击平台试验或舰船抗冲击试验中对设备冲击响应进行了拍摄。国内中船重工第702所和海军工程大学建有爆炸罐，高速摄像系统布放在爆炸罐外通过观测窗口可以拍摄罐内的爆炸图像。基于现有的爆炸试验海域环境条件，建设一套高速摄像系统，摄像机安装在防护装置内，布放在水中距被拍摄目标可视距离内，用于拍摄装药爆炸气泡脉动或对目标的毁伤图像，为试验结果分析提供图像数据。为此开展了爆炸水域环境调查，并针对系统工作要求重点解决防护装置抗爆炸流场的稳定性难题和多种条件约束下的减振防护设计^[8]，远程控制设计，辅助照明光源设计，并开展了验证及考核试验。

1 系统研制论证

基于国内水下爆炸光测系统已有的建设情况，结合爆炸研究需求，以及现有的爆炸基础条件和经费投入，并希望能突破实验室条件下爆炸当量的制约，开展系统论证研制。在水中拍摄爆炸图像，受制约的主要因素包括水中可视距离，摄像机拍摄速率、抗冲击能力、视角范围、成像效果，系统抗冲击防护能力和装药当量等。

1.1 水中可视距离

海水中的可视距离一般用透明度描述，海水透明度直接反映受海水水质影响的海水能见度的一个度量，是海水光学性质的基本参数，与海水衰减系数倒数相当。海水透明度测量通常采用直径30 cm的白色圆盘（称为塞克西盘或透明度盘），在船上背光一侧，把透明度盘垂直沉没于水中，直到正好看不见透明度盘为止，此时透明度盘的垂直深度即为海水透明度。透明度的大小直接影响摄像机在水中能实现的拍摄距离，根据相关文献和实际调研结果，水中拍摄接近海水透明度值，在塞克希盘读数一半的距离处可以获得相当好的照片。海水透明度随季节的变化呈现不同的量值。文献及实际调查结果显示，在秋季良好水文气象条件下，试验水域海水透明度好于其他季节；春季透明度为2~3 m，秋季天气良好的情况下，透明度为5~7 m。图1是利用塞氏盘实测海水透明度图。

1.2 摄像机选择

摄像机选择时主要考虑的参数包括拍摄速度、画幅尺寸、抗冲击性能、感光度指标等。对于微秒级的冲击波现象需用超高帧速率的高速摄像机拍摄，相对运动慢一些的气泡运动可以采用高速摄像机拍摄。例如，1 kg TNT的药包在水下8 m处爆炸的气泡脉动周期是190 ms，帧速率为1 000 f/s的高速摄像机完全可以记录下脉动现象；考虑拍摄距离较近且拍摄的目标尺寸较大，所以选择全画幅镜头、摄像机感光尺寸与镜头成像尺寸匹配；系统在水下使用，考虑光照不足的影响，应选择感光度值高的摄像机；系统冲击环境严酷，所以尽可能选择抗冲击能力强的摄像机。系统所选的摄像机在一百万像素时拍摄速率为2 000 f/s，感光度在黑白色时为20 000，最大视角为70°，摄像机和镜头抗冲击指标为100 g、10 ms。

1.3 系统抗冲击防护能力

系统拍摄装药的水中爆炸气泡图像，需要考虑气泡膨胀到最大时边界条件的影响，为不影响气泡脉动，拍摄点距气泡膨胀到最大时的边界最好保持一倍气泡直径距离；受水中可实现拍摄距离限制，以及小药量试验时冲击波峰值压力大，并且考虑系统使用时应留有一定的安全余量等综合因素，设计抗冲击防护装置的抗冲击指标为15 MPa或0.4冲击因子作用下不产生塑性变形，系统能正常工作。

1.4 拍摄装药当量

综合系统防护能力指标、海水透明度值和试验时对边界条件的要求，如果拍摄普通的球形装药，拍摄距离为7 m、布放深度为8 m时可以拍摄5 kg TNT当量装药的爆炸气泡脉动图像；拍摄距离为3 m时、布放深度为3 m时可以拍摄0.2 kg TNT当量装药的爆炸气泡脉动图像。

2 系统设计 2.1 系统防护设计

系统的防护设计包括安装高速摄像机的防护装置线型设计、防护装置结构强度设计和抗冲击缓冲减振设计。防护装置主体部分为厚15 mm、长750 mm的不锈钢圆柱形壳体，前端安装50 mm厚的防护视窗玻璃，防护装置在15 MPa的水中冲击波载荷作用下，不产生塑性变形；视窗与圆柱壳体连接位置为弧线形，前端的弧线形和尾部的截锥体流线型的设计使爆炸产生的冲击波能平滑绕射；防护装置尾部为长240 mm的截锥体，尾部开口100 mm，理论分析和仿真计算结果显示尾部的锥形设计使防护装置在气泡脉动流场作用下不产生明显的振动^{[9- 10]}；连接处均采用径向和端面密封实现强冲击下的水密防护；防护装置圆柱壳体内壁四周和尾部对称布放钢丝绳隔振器，摄像机首尾加橡胶隔振垫通过安装支架安装到钢丝绳隔振器上。图2为系统防护装置实物图。

2.2 系统远程控制设计

高速摄像机安装在防护装置内布放到水中，需要实现系统水下设备供电、控制信号传输，考虑安全因素，要求有线控制距离达到200 m。采用网线进行系统控制信号传输，需要增加传输中继器，因此采用了光电转换通信技术实现系统数据传输与控制功能，即在摄像机一端和远程控制端分别加一个千兆光电转换器，转换器之间连接光纤，从而实现控制端与水下摄像机之间的控制和图像信号传输。

将供电缆、光纤、同轴电缆制作成一根抗拉力的复合缆，用于实现系统水下供电、摄像机远程控制信号、摄像机电触发信号和图像数据的回传。图3为系统设计的多功能复合缆。

2.3 照明光源

当光照强度不足时，系统使用时需要增加辅助照明光源。对比各种光源性能，选择50 W正白光LED灯作为高速摄像机水中爆炸图像拍摄时的辅助照明光源；采用直流供电方式实现光源供电，避免光源产生频闪；采用散热溶液实现光源散热，光源可连续工作8 h以上；光源前端采用有机玻璃研磨成半球形聚光镜，将发光光束控制在设计角度以内；采用厚度为8 mm的不锈钢做防护外壳，内部有缓冲减振弹簧。光源在15 MPa水中冲击波压力作用下能正常工作。对光源的照明效果在实验室水池进行了验证。验证时将摄像机和1盏光源同向放置，摄像机距目标6 m，光源距目标5 m，目标为直径50 mm钢管，检验摄像机在不同拍摄频率下光源照明效果。验证效果显示当拍摄频率增加到1 000 f/s时，拍摄的图像仍然比较清晰，从图像中能识别出目标并判读尺寸。实际使用中根据需要布设2~4盏光源，增加目标照度。图4为摄像机拍摄频率100 f/s时实验室水池晚上采用一盏光源照明的拍摄效果。

3 抗水中爆炸冲击验证试验 3.1 防护装置抗爆炸流场验证试验

为检验防护装置外部线型设计在水下爆炸冲击波和气泡脉动作用下稳定性、防护装置强度设计合理性，并了解结构内部冲击环境，进行了防护装置缩比模型试验。防护装置缩比模型与原结构尺寸比例为1:3，高速摄像机用质量块代替。试验时将模型和药球布放到爆炸筒内水中，采用200 g TNT标准药球，最大冲击因子为0.4，爆距为1.12 m。在爆炸筒外布设高速摄像机拍摄爆炸筒内模型在爆炸作用下的运动图像，并测量了模型处的爆炸载荷。试验结果显示模型在试验工况下产生的位移小于50 mm，稳定性较好。图5为高速摄像机拍摄的图像经过处理获得的纵向位移时程曲线。

3.2 防护性能验证试验

为检验抗冲击防护装置和减振缓冲装置的性能，实施了水中实爆试验，采用标准的27 kg TNT，爆距12 m，防护装置和爆源在水中处于同一深度。试验中测量防护装置前端的冲击波压力，测量减振缓冲装置的输入输出加速度值。实测冲击波峰值压力为15.1 MPa，减振缓冲输入与输出加速度峰值分别为5 610 g和22.8 g，减振装置加速度峰值衰减率达到95%以上，满足摄像机抗冲击防护要求。图6为验证试验测量的缓冲装置输入纵向加速度时程曲线，图7为输出纵向加速度时程曲线。

3.3 水中爆炸图像拍摄试验

试验时间为4月，在爆炸试验码头实施，试验前采用塞克西盘测量试验水域海水透明度值约为2.2 m，实施了两次爆炸试验：1次爆距为2.15 m、药球为200 g TNT，1次爆距为1.4 m、药球为65 g TNT。试验时为有云天气，光照强度满足拍摄需求，未加装辅助照明光源。摄像机安装在防护装置内，和药球通过固定支架布放到水下2 m；试验中记录药球爆炸后的气泡脉动图像，摄像机拍摄频率设为1 000 f/s。两次试验中摄像机均记录了爆源水中爆炸气泡脉动过程图像，200 g TNT药球的气泡脉动图像清晰度较低，65 g TNT要求气泡脉动图像比较清晰，两次试验拍摄图像均可以通过图像判读获得气泡脉动周期和气泡半径值，试验在自由场条件下实施，通过图像处理获得的气泡脉动周期和半径和理论计算值一致性较好。图8为65 g TNT药球水中爆炸气泡图像，图9为根据拍摄的图像处理获得的气泡半径随时间变化曲线。

4 试验应用

系统研制后，拍摄了多次水下爆炸试验。如动物抗水中爆炸毁伤试验，从拍摄的图像可以看到水下爆炸对动物的毁伤包括冲击波和气泡脉动两个过程，冲击波的作用使动物产生的位移更大。图10为拍摄的动物抗水中爆炸毁伤图像。

5 结束语

系统在论证研制中重点开展了试验水域环境调查，解决了系统研制中的防护装置线型设计、结构强度设计和缓冲减振设计，系统远程控制设计和照明光源设计，研制的系统主要指标为：

1）0.4冲击因子或15 MPa水中冲击波作用下，结构不产生塑性变形，具有抗爆炸流场作用的稳定性。

2）缓冲减振装置在爆炸冲击作用下，加速度峰值衰减率达到95%。

3）系统可以实现控制端到水下的远程控制，控制距离达到200 m。

4）照明光源在低光条件下可实现辅助照明。

系统成功应用于水下爆炸试验图像拍摄。受试验水域水质条件限制，系统在水中可实现海水透明度距离以内的爆炸图像拍摄，根据不同需要，系统可以拍摄装药的水中爆炸气泡脉动图像，装药水中爆炸对目标的毁伤过程图像等，能实现的拍摄当量在系统防护指标要求下主要受试验水域透明度制约影响；在光照不足的条件下，可以布设辅助照明光源，但增加照明光源并不能增加水中拍摄距离。