水下爆炸高速攝像照明光源設計

張姝紅，劉 靜，金 輝，張永坤

(1.中國人民解放軍91439部隊， 遼寧 大連 116041； 2.大連市公安局視頻中心， 遼寧 大連 116011)

采用高速攝像機在水中拍攝爆炸圖像是開展爆炸毀傷特性研究的一種重要測量手段，可用于裝藥水中爆炸現象及目標結構毀傷效果的圖像拍攝[1-6]。在水中實施爆炸圖像拍攝時，由于拍攝速率高，曝光時間短，因此攝像機對光照強度要求也相應的提高；同時水對光有很強的吸收作用，實驗表明光在水中傳輸時的能量隨距離的增加按指數規律迅速地衰減。因此，水中爆炸圖像拍攝時隨著拍攝距離和布放深度的增加會光照度不足，影響圖像拍攝效果。因此，在拍攝水中爆炸圖像光照不足時需要提供輔助的照明光源，以滿足拍攝需求。設計了一種抗水中爆炸沖擊的照明光源，利用ABAQUS軟件對近場水中爆炸作用下的光源防護結構強度和減振效果進行了數值仿真計算[7-8]，采用碼頭實爆試驗檢驗光源的整體抗沖擊性能，通過水中照明性能測試驗證了水中照明能力。

1 光源的總體設計

目前，水中爆炸試驗中使用的照明光源主要包括Led照明光源、氙燈照明光源、鹵素燈照明光源、激光照明光源等。設計水中照明光源時需綜合考慮光源在水中爆炸沖擊條件下使用的環境條件，如光源頻閃、發光效率和散熱、發光角度、發光穩定性，以及光源防護減振結構的抗沖擊性能和抗爆炸流場作用下的穩定性要求等因素。

綜合考慮上述因素，對比各種光源性能，通過攝像機水下拍攝光照需求的分析計算，選擇50 W正白光LED燈作為高速攝像機水中爆炸圖像拍攝時的輔助照明光源；采用外部直流供電方式實現光源供電，避免光源產生頻閃；采用散熱溶液實現光源散熱，光源可連續工作8 h以上；光源前端采用有機玻璃研磨成半球形聚光鏡，將發光光束控制在設計角度之內；防護結構內部采用模具彈簧對光源實現減振防護，在光源尾部采用1支規格為70和4支規格為55的模具彈簧、前部采用6支規格為55的模具彈簧作為垂向緩沖器件，上下左右使用12支規格為55的模具彈簧作為垂向緩沖器件，減振輸出要求不大于2g；采用流體力學理論設計攝像機防護結構外部線型[9]，防護結構主體為圓柱形，外徑220 mm、長308 mm，尾部為截錐體型，長90 mm，具有抗爆炸流場的線型設計；防護結構的材料選擇316 L不銹鋼，厚度為8 mm，前端為50 mm厚的有機玻璃，由法蘭和緊固螺栓連接，并加橫向和縱向密封墊圈以保持結構在高動壓作用下的水密。防護結構抗水中爆炸沖擊波壓力為15 MPa。光源防護結構上下有固定吊環，使用時通過支架進行固定。光源設計總體結構如圖1所示。

2 仿真計算

仿真計算工況設計為：光源在水下30 m，炸藥水平距光源正面9 m，藥量30 kg當量TNT，光源前端沖擊波壓力理論峰值15.75 MPa。表1為計算工況。

爆源當量/kg爆距/m深度/m30930

由Hypermesh軟件建立LED光源和防護結構幾何模型和有限元模型，然后導入ABAQUS軟件進行水中爆炸數值模擬。

防護結構由3 456個S4R殼單元組成，LED燈座由768個S4R殼單元組成。聚光鏡由個680個C3D8R三維應力單元和50 248個C3D4三維應力單元組成，前端防護玻璃由1 700個C3D8R三維應力單元組成。散熱溶液由672個AC3D8R聲學單元組成，外部水域為球形，半徑為防護結構長度的3倍(1.194 m)，由78 336個AC3D8R聲學單元組成。

防護結構和燈座的面網格平均邊長0.01 m。燈頭、防護玻璃、散熱溶液網格平均邊長0.01 m，外部水域網格邊長由內部0.01 m漸變到外部0.08 m。圖2為光源和防護結構有限元模型，圖3為防護結構周圍水域有限元模型。

彈簧由ANAQUS給出兩結點之間的連接屬性模擬。計算總時間為0.5 s。

仿真計算參數包括防護結構的不銹鋼材料參數、減振模具彈簧參數和有機玻璃的力學參數[10]。表2為防護結構不銹鋼材料屬性，表3為減振彈簧參數，表4為防護結構有機玻璃力學參數。

表2 防護結構不銹鋼材料屬性

表3 彈簧參數

表4 有機玻璃力學參數

仿真計算顯示，當光源固定安裝時，最大加速度在0.003 s出現在LED燈座尾部中心處，加速度為10.9 m/s2。圖4為仿真計算的LED燈加速度云圖。

計算顯示固定安裝的光源防護結構后端應力大于前端，后部截椎體固定位置應力最大，前端防護玻璃與主體結構過度處應力較大，后部截錐體結構與主體連接處有一定的應力集中；防護結構應力最大位置在防護結構尾部截錐體安裝吊環位置，在0.001 s出現最大應力，為242 MPa。圖5為仿真計算的防護結構應力云圖。

仿真計算結果表明：光源防護結構所選的材料參數基本滿足光源防護要求；尾錐吊環處產生了較大的應力集中，但對內部光源安全不會產生明顯影響；在防護結構實物加工時，尾錐不銹鋼厚度增加了1 mm，加工完實物后開展了水中實爆驗證試驗。

3 抗水中爆炸沖擊驗證試驗

試驗在碼頭開闊海域實施，爆源為1 kg黑索金，光源和爆源通過支架固定，光源前端防護玻璃距爆源3.54 m，試驗過程中光源處于發光工作狀態；爆炸時刻采用水中爆炸測量設備測量光源前端防護玻璃位置處的水中爆炸沖擊波壓力。

試驗結束后回收光源，LED光源仍工作正常，防護結構未出現塑性變形并保持水密，防護玻璃未破損。實測的光源防護玻璃位置的沖擊波壓力峰值為15.15 MPa，圖6為實測的沖擊波壓力時程曲線。

4 照明效果檢驗

光源照明效果驗證在實驗室水池無其他照明光源的晚上實施，驗證時將攝像機和1盞光源同向放置，攝像機距目標9 m，光源距目標7 m，目標為直徑50 mm的鋼管，檢驗攝像機在不同拍攝頻率下光源的照明效果。圖7是攝像機拍攝頻率為100 fps時顯示的光源照明效果圖，圖7中目標鋼管清晰可見。當拍攝頻率增加到2 000 fps時，拍攝的圖像較清晰，拍攝頻率為4 000 fps時，從計算機顯示的圖像中仍然能識別出目標。

5 結論

1) 在15 MPa水中爆炸沖擊波峰值壓力作用下光源防護結構不產生明顯塑性變形且保持水密，減振輸出小于2g，結構強度和減振達到設計要求。

2) 在水中爆炸作用下，固定安裝的光源防護結構后端應力大于前端，后部截椎體固定位置應力最大，前端防護玻璃與主體結構過度處應力較大，后部截錐體結構與主體連接處有一定的應力集中，選擇的材料滿足抗沖擊防護要求。

3) 在無光照條件下，設計的LED光源能為攝像機提供拍攝速率不超過4 000 fps時低光條件下的照明。