水下爆炸试验爆源定位方法研究.pdf

第3 2 卷第2 期 2 0 1 5 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 2N o ．2 J u n ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 2 ．0 2 3 水下爆炸试验爆源定位方法研究 张姝红，权琳，金辉，贾则 9 1 4 3 9 部队，大连1 1 6 0 4 1 摘要为实现水下爆炸试验爆源在爆炸时刻相对于水面目标舰艇的定位测量，提出一种最小误差逼近的 遍历搜索定位方法该方法通过在目标舰艇上安装一定数量的爆炸载荷压力测量传感器，根据获取的爆炸 载荷数据中冲击波传播的时间信息和冲击波压力峰值，实现爆源定位计算。小当量的水下爆炸试验结果表 明4 个有效爆炸载荷测点数据可以实现爆源炸点定位计算，增加有效测点数量，可以提高爆源定位精度。 关键词 水下爆炸；爆源；遍历搜索；定位计算 中图分类号T D 2 3 5 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 2 0 1 1 8 0 4 R e s e a r c ho nP o s i t i o n i n gM e t h o do fU n d e r w a t e rE x p l o s i o nS o u r c e Z H A N GS h u h o n g ，Q U A NL i n ，J l NH u i ，J I AZ e N o ．9 1 4 3 9U n i to fP L A ，D a l i a n11 6 0 4 1 ，C h i n a A b s t r a c t T or e a l i z et h ea l l o c a t i o nm e a s u r e m e n to ft h ee x p l o s i o ns o u r c et ot h et a r g e tw a r s h i p ，at r a v e r s a ls e a r c h m e t h o dt h r o u g hm i n u se r r o ra p p r o a c h i n gw a sp r o p o s e d ．B ym o u n t i n gd e f i n i t ea m o u n to fe x p l o s i o np r e s s u r es e n s o r so n t ot h et a r g e tw a r s h i p ，t h ep o s i t i o n i n go ft h ee x p l o s i o ns o u r c eW a sc a l c u l a t e db a s e do nt h et r a n s m i s s i o nt i m ea n dp e a k p r e s s u r eo ft h es h o c kw a v e ，w h i c hw a so b t a i n e df r o mt h ee x p l o s i o nm e a s u r e dd a t a ．R e s u l t sf r o ms m a l le q u i v a l e n te x p l o s i o nt e s ts h o w e dt h a tp o s i t i o n i n go ft h ee x p l o s i o ns o u r c ew a so b t a i n e db ys e t t i n g4e f f e c t i v ep r e s s u r em e a s u r i n g p o i n t s ，m e a n w h i l e ，t h ep r e c i s i o no ft h ep o s i t i o n i n gi n c r e a s e db yr a i s i n gt h en u m b e ro ft h em e a s u r i n gp o i n t s ． K e yw o r d s u n d e r w a t e re x p l o s i o n ；e x p l o s i o ns o u r c e ；t r a v e r s a ls e a r c h ；p o s i t i o n i n gc a l c u l a t e 1 概述 水下爆炸试验中爆炸时刻爆源相对于目标舰艇 的位置即爆源位置作为舰艇抗冲击能力评估的一个 关键判据‘1 。，是试验中重要的测量参数。水下爆炸 试验中常用的爆源定位方法包括机械定位法、冲击 波零时法、G P S 水面定位法和水声G P S 联测法拉‘4J ， 这几种方法应用的限制条件是要求爆源处于静止状 态，并在爆源上附加测量装置或通过直接机械连接 的方法实现爆源定位，试验实施复杂。 本文提出一种最小误差逼近的遍历搜索方 法”o ，该方法无需在爆源上安装测量装置，只需在 收稿日期2 0 1 5 0 2 1 8 作者简介张姝红 1 9 7 1 一 ，女，高级工程师、硕士研究生，水下爆炸 测量技术， E ．m a i l z s h d 1 2 0 1 2 1 2 6 ．c o m 。 舰艇等目标上安装一定数量的爆炸载荷压力测量传 感器，利用测量载荷数据中的时间信息和压力峰值 数据，实现爆源在爆炸瞬时相对于目标舰艇的定位 计算。为验证该定位方法的定位精度，开展了小当 量的水下爆炸试验，并利用已有的舰船抗冲击试验 测量数据进行了验证计算。 2 爆源定位方法 2 ．1 定位方法计算原理 试验时在目标舰艇艇体周围布设爆炸载荷测量 压力传感器 不少于4 个 ，在目标舰艇上建立直角 坐标系，确定坐标系原点，各测点的坐标分别为 P X ，K ，Z 。 ，试验前通过测量获得各测点相对于目 标舰艇上坐标原点的坐标；爆源爆炸后，通过各压力 测点采集到的数据获得爆炸冲击波到达各压力测点 万方数据 第3 2 卷第2 期张姝红，权琳，金辉，等水下爆炸试验爆源定位方法研究 1 1 9 的时刻T 、各测点压力峰值P 以及经过修正的冲击 波传播速度，通过计算得到爆源相对于目标舰船的 位置坐标P X ，Y ，Z 。 定位计算时首先计算爆源装药T N T 等效半径， 根据试验工况设计和试验实施估算爆炸时刻爆源相 对于目标舰船的大致位置，以装药等效半径的Ⅳ倍 为边长的立方体区域为计算范围，该边长能将所有 压力测点及爆源 即图1 中所示的爆源与压力测 点 包含在计算区域内，将立方体边长M 等分，整个 计算区域被划分为M 3 个网格；将每一个三维网格节 点中心作为爆源位置，即P x ，y ，z ，各压力测点 P X ，Y ，z 坐标已知，根据两点距离公式计算得到 爆源与各测点之间距离，由压力峰值理论公式计算 各测点的冲击波压力峰值P 。，由距离和水中冲击波 声速计算爆源与各测点之间的冲击波传播时间t ； 对于每一个网格节点，求出各压力测点计算峰值与 实测峰值的累计均方差，以及冲击波传播时问计算 值与实测值之间差值的累计均方差，将峰值均方差 与时间差值均方差相加作为合计均方差，通过在一 次划分的M 3 个三维立体网格中搜索计算得到合计 均方差最小的网格；将该网格再次划分为∥个三 维网格，进行下一次的遍历搜索计算；通过多次网格 划分和搜索计算，当合计均方差满足精度要求，停止 计算，合计均方差最小的网格即为爆源位置。 图1爆源及测点布设示意图 F i g ．1G r a p h i co fe x p l o s i o ns o u r c ea n do b s e r v a t i o np o i n t 2 ．1 ．1 冲击波传播时间计算 冲击波传播时问即由某一网格节点 假定的爆 源位置 到各压力测点的冲击波传播时间为 瓦 D 。／C 。 1 式中D ，为通过网格和压力测点坐标计算得到的网 格与测点间距离；C 。为冲击波传播速度。 装药附近的爆炸冲击波传播速度远大于声速， 随着传播距离的增加压力减小，冲击波传播速度也 随之减小直到接近水中声速，冲击波传播速度是冲 击波峰值压力与声速的函数‘6o ，因此，用于计算的 声速需经过修正。设水中声速为c 。，K 为冲击波速 修正系数，则冲击波传播速度C 。 K 。C 。，修正系数 K 为爆炸压力的函数。修正系数的获得方法是首 先通过试验方法获得在不同峰值压力下对应的冲击 波修正系数，并拟合出修正系数的函数，根据实际测 量的冲击波压力峰值由修正系数函数得到对应的修 正系数，实现对实测冲击波声速的修正。 2 ．1 ．2 冲击波压力峰值计算 冲击波压力峰值采用库尔压力公式计算 P 。 5 2 ．4 W Ⅳ3 ／R 1 ’1 3 2 式中P 。为冲击波压力峰值，M P a ；W 为装药T N T 当 量，k g ；尺为爆源到测点的距离，i n 。 2 ．1 ．3 误差计算 用于搜索计算的误差为传播时间均方差和压力 峰值均方差之和。 1 传播时间均方差 设某一网格节点到最近压力测点的冲击波传播 时间为t 。，到其它测点的传播时间为L ，则其它各 测点与最近测点的传播时间差为 △t 。 t i t 。 3 设相对应的实测冲击波传播时间差为△R ，对 于n 个压力测点，计算的冲击波传播时间差与实测 的冲击波传播时间差之间的累计均方差为 厂i 一 √薹 △t t 一△丐 伽一1 4 2 压力峰值均方差 设相对于某个网格节点各测点的计算压力峰值 为P ∽各测点实测的压力峰值为匕，计算压力峰值 与实测压力峰值之间的累计均方差为 5 3 合计均方差 取压力峰值均方差与传播时间均方差之和作为 合计均方差 o r 盯A r 盯P 6 2 ．2 计算流程 计算爆源位置前，需要将水中声速、装药密度及 质量、各测点坐标、各测点实测压力峰值及各测点信 号起跳时刻参数数据输入到计算程序，计算程序根 据输入的参数数据确定最大搜索范围，初始化网格 尺寸，划分网格；将某一个网格节点设为爆源位置计 算的初始点，计算各测点的冲击波压力峰值、冲击波 万方数据 爆破2 0 1 5 年6 月 到各测点传播时问与最近测点之间的时间差；与实 测的压力峰值和时间差比较，分别计算均方差值，取 两个均方差值的合计误差与误差初始值比较，若小 于初始值将本次计算的合计均方差作为下一次计算 比较的误差初始值；按照搜索顺序计算其它网格压 力峰值累计均方差与时问差累计均方差的合计均方 差，与前一个网格计算得到的误差初始值比较，取最 小值作为误差初始值；对第一次划分的全部网格搜 索计算结束后，判断误差值是否满足精度要求，如果 满足结束计算，否则将误差最小的网格再次进行三 维网格划分，进入下一轮计算；每一次网格划分并搜 索计算结束后，如果合计误差满足精度要求，则计算 结束，最小合计误差的网格节点即为爆源位置。 3 试验验证 3 ．1 小当量爆炸试验验证 3 ．1 ．1 试验设计 为考核最小误差逼近的遍历搜索法的爆源定位 精度，采用了小当量水下爆炸试验进行了验证。为 获取爆源及测点的准确坐标，设计一个边长为1m 的立方体支架，以支架上的某一点为坐标原点建立 直角坐标系；试验爆源为5 0gT N T ，密度为 1 ．7 8g ／o m 3 ，固定在支架中心位置，压力传感器布设 在支架四周；试验前测量爆源和各测点相对于坐标 原点的坐标作为爆源位置的真值；坐标原点选取、爆 源及测点布设如图1 所示，表1 为其中一次试验的 测点坐标。试验在海上实施，共进行3 炮次，试验水 深约6m ，支架布放到水下3m ，使用水下爆炸威力 测量系统记录爆炸压力载荷时程数据，采用水文测 量设备测量水中声速，试验后比较爆源位置计算值 与测量值间的误差确定爆源定位计算精度。图2 为 其中一个压力测点的时程曲线图。 2 2 2 0 l8 1 6 1 4 之1 2 塞 琵1 0 8 6 4 2 0 起跳时刻 L ～一叶一 ． ＼ V ’ 1’tVV ’_ 3 0 4 9 81 ．3 0 5 3 31 ．3 0 5 6 71 ．3 0 6 0 21 ．3 0 6 3 6 f ／s 图2P 6 测点压力曲线 F i g ．2 P r e s s u r eCHIVeo fP 6m e a s u r i n gp o i n t 3 ．1 ．2 结果分析 采用不同测点数据进行爆源位置计算，计算结 果如表2 所示。 表1 测点坐标及测量结果 T a b l e1 M e a s u r i n gp o i n tc o o r d i n a t e sa n dm e a s u r e m e n tr e s u l t 表2 爆源定位计算结果 T a b l e2C a l c u l a t i o nr e s u l to fe x p l o s i o ns o u r c ep o s i t i o n i n g 万方数据 第3 2 卷第2 期张姝红，权琳，金辉，等水下爆炸试验爆源定位方法研究 1 2 1 计算结果显示采用支架上同一平面的四个传感 器进行爆源定位计算时，由传感器布设坐标可以看到 测点布设紊乱度不够，导致爆源计算坐标明显偏离实 际位置，爆源定位计算结果无效；采用支架一个平面 上的三个传感器和相对一面的一个传感器测点数据 进行爆源定位计算，可以计算出爆源坐标，爆源到各 测点测距误差均小于5 ％，满足爆源定位精度要求； 当采用全部8 个传感器采集的数据进行爆源定位计 算时，可以更精确的计算出爆源位置，爆源到测点距 离测距误差小于2 ％。采用其余两炮数据进行爆源 定位计算的结果均好于该炮次数据计算结果。 试验结果表明，测量传感器合理布设时，有效测 点数据不少于4 个即可实现爆源定位计算；在三维 空间的有效测点数越多，定位精度越高；在三维空间 有效测点达到8 个时，可以获得很高的爆源定位精 度；在个别通道测量结果精度较差时，如P l 、P 4 、P 8 通道压力峰值测量误差较大时，也可以实现爆源定 位计算，定位精度满足要求；测量传感器布设位置的 紊乱度越大越好，计算结果越好，因此在试验中传感 器布设时应避免各测点与爆源之间的距离、各测点 与爆源连线形成的方位角相差较小的情况，如表2 中的第一种情况。 试验测量时存在个别测点数据异常或总体测量 结果偏大或偏小的情况，为分析两种情况下测量结 果对定位计算的影响，人为的修改压力峰值数据进 行爆源定位计算。计算结果表明当各测点压力峰 值数据同时增大相同倍数时，对爆源定位精度影响 值变化不超过理论峰值的1 ．5 倍时，对定位计算精 度影响较小，当采用6 个通道数据计算时，个别测点 峰值变化对计算结果影响明显增大，某一测点压力 峰值变化不超过理论峰值的1 ．2 倍时，对定位计算 精度影响较小；计算时采用的测点数越多，测量峰值 偏差一致性变化或个别测点峰值变化对定位计算精 度影响越小；剔除测量结果中异常的测点数据可以 提高爆源定位计算精度。 3 ．2 实船抗冲击试验验证 在某型舰抗冲击试验中采用了冲击波零时法实 现了爆源定位，即在爆源上安装了零时传感器、在被 试目标舰艇上安装了4 个压力传感器，爆源上安装零 时传感器；在被试舰上确定坐标原点，x 轴船艏方向 为正，y 轴左舷为正，z 轴向上为正；通过零时传感器 采集的零时信号和压力传感器采集到的压力信号之 间的时间差和冲击波传播速度建立距离方程组计算 得到了爆源位置。由于试验中压力测点数据有4 组， 可以利用这4 组数据验证最小误差逼近的遍历搜索 法定位计算的可行性和精度；定位计算采用了6k g T N T 作为爆源的预试测量数据，计算结果显示该方法 在舰船抗冲击试验中可以实现爆源定位计算，精度满 足要求。图3 为试验中压力传感器布设示意图，表3 为测点坐标和测量结果。采用零时法计算爆源坐标 为 3 ．0 6 ，一2 1 ．0 5 ，一1 4 ．8 2 ，遍历法计算爆源坐标为 3 ．0 2 ，一2 1 ．1 3 ，一1 4 ．2 3 ，与零时法计算的爆距相差 1 ．0 4 ％。计算结果表明最小误差逼近的遍历搜索法 在舰船抗冲击试验中，当压力传感器测点布设合理 较小；当采用8 个通道数据计算时，某一测点压力峰时，4 个测点数据可以实现定位计算。 D X O 爆源 ‘i - _ 土．水 支 ＼／ 架 图3 压力传感器布设示意图 F i g ．3G r a p h i co fo b s e r v a t i o np o i n t 表3 测点坐标和测量结果 T a b l e 3 M e a s u r i n gp o 硫c o o r d i n a t e sa n dn w a s u r e m e n tr e s u l t 测点X ／m Y ／m Z ／m 起跳时间／m s 测量峰值／M P a 线 下转第1 3 7 页 万方数据 第3 2 卷第2 期郑爽英，邹新宽下穿隧道爆破振动作用下石油管道的安全性评价 1 3 7 上接第1 2 1 页 4 结论 最小误差逼近的遍历搜索爆源定位方法不需要 在爆源上附加测量装置，只需在目标舰艇上合理布 设一定数量的爆炸载荷压力测量传感器，利用各压 力测点测到的爆炸载荷测量数据中的时间信息和压 力峰值数据实现爆源定位计算。由于该方法不需在 爆源上增加测量装置，因此可用于运动中的爆源攻 击水面目标舰艇时的爆源爆炸瞬时定位，如鱼雷实 航爆炸毁伤试验时鱼雷相对于目标舰艇的定位计 算，易于海上实施。验证试验表明，通过在三维空间 合理布设压力测点，有效测点不小于4 个时，可以实 现爆源定位计算；三维空间有效测点越多，爆源计算 精度越高；为提高爆源定位计算精度，对于试验测量 中偏差较大的爆炸载荷数据应剔除；传感器测点位 置布设的紊乱度越大对爆源定位计算越有利。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] 李兵，宁永成，董忠臣，等．水面舰艇抗冲击试验定 位方法研究[ J ] ．测绘科学，2 0 1 0 ，4 3 5 1 1 7 1 1 9 ． [ 6 ] L IB i n g ，N I N GY o n g - c h e n g ，D O N GZ h o n g c h e n ，e ta 1 ．R e s e a r c ho np o s i t i o n i n gm e t h o do fn a v a ls h i p ss h o c kt e s t [ J ] ．S c i e n c eo fS u r v e y i n ga n dM a p p i n g ，2 0 1 0 ，4 3 5 11 7 - 1 1 9 ． i nC h i n e s e 李兵，朱兴邦，侯宝娥．基于冲击波测量的水下爆源 定位方法研究[ J ] ．测绘科学，2 0 0 9 ，4 3 0 8 9 9 2 ． L IB i n g 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