基于实船抗爆炸冲击试验的爆源定位方法

孙大鹏，王永亮，王树乐

(海军91439部队96分队，辽宁 大连 116041)

基于实船抗爆炸冲击试验的爆源定位方法

孙大鹏，王永亮，王树乐

(海军91439部队96分队，辽宁 大连 116041)

对实船抗爆炸冲击试验中鱼雷爆炸点的几种定位方法进行了阐述，并结合实船抗某型鱼雷爆炸冲击试验的实际测量情况，对各种定位方法的应用效果、适用条件进行了综合比较和分析，提出了实船抗爆炸冲击试验爆炸点定位测量的一种有效方法，适用于其他实船抗爆炸冲击试验和其他型号鱼雷实航打靶试验，具有通用性和推广价值。

爆炸试验;爆源定位;机械拉线定位法;冲击波零时定位法;冲击波时延定位法

0 引言

随着造船工业的发展，世界各国对舰船在极端情况下的强度要求越来越高，我国也对舰船抗爆炸冲击的能力提出了更高的要求。在实船抗爆炸冲击试验过程中，由于海上试验条件的复杂性，靶船位置会受到舰船操控、水流、风力、涌浪等多方面因素的影响，使战雷攻击靶船的相对位置产生极大不确定性。战雷攻击靶船的位置对于试验的准确测量、数据结果分析、鱼雷爆炸威力和舰艇毁伤评定将起到至关重要的作用，也是试验组织单位、设计生产单位、作战使用部队都密切关注的问题。因此，为准确测定实船抗爆炸冲击试验中战雷爆炸的实时位置，确保试验实施效果，必须对战雷爆炸点的定位方法进行深入研究。

1 爆源定位原理

在实船抗冲击试验中测量的一个关键点是确定战雷的爆炸方位和距靶船的距离，传统的水下爆炸冲击波压力测量中，爆距的确定是通过钢性固定爆源与测量点的位置来实现，这种机械拉线定位方法对实船抗爆炸冲击试验并不适用。对于鱼雷实航爆炸时爆源到测点距离的确定，理论上可通过声测距技术、零时法测距技术及时延定位技术3种技术途径来实现。

1.1 冲击波零时法测距技术

这种方法是通过测量冲击波从爆源传播到测点的时间来获取爆距的。测量中的零点信号可利用贴在爆源上的陶瓷片(或利用插入起爆药内的导线)在起爆瞬间给出。计算公式如下［1］:

式中:R为待测距离;R0为爆源的等效药包半径;Co为爆源所在水域的声速;t为传播时间;K为修正系数。修正系数K不仅与测点的冲击波峰值压力Pm有关，还与爆炸当量、海域有关。修正系数必须通过试验标定来确定。

1.2 冲击波时延定位技术

冲击波时延定位在算法上是对冲击波零时法的增强。此技术是在已知各测点坐标位置的情况下，利用冲击波到达各个测点的时延差，通过反演技术来实现爆源动态瞬时定位，它要求传播到各测点的冲击波平均速度相同。这一定位方法的精度主要取决于冲击波到达测点时间的测量精度和反演计算误差。目前反演算法已经很成熟，其计算误差可通过程序控制，水下爆炸冲击波到达各测点的时间测量精度可达0.1 ms，其带来的定位误差小于0.2 m。因此，这一定位方法的主要误差是来自冲击波传播到各个测点的冲击波平均速度相等的假定条件，考虑到这一点，冲击波时延定位技术中的测点布局必须深入研究，在保障现场试验可操作的情况下，确定测点与靶船的相对距离及各测点间距，并通过现场的小当量水中爆炸试验来校准验证布局设计和定位精度［2］。

通过上述基本分析，实船抗冲击试验中的爆源定位测量拟采用冲击波时延定位方法。

2 冲击波时延定位方法理论分析

冲击波时延定位技术的前提是假定传播到各测点的冲击波传播速度相等。根据目前的科技状况，应用计算机的定位算法及程序已得到广泛的应用，随着数学方法的发展，建立了爆源参数的最优化修定方法，其中主要包括Geiger法、最小二乘法、阻尼最小二乘法及Powell法。定位计算一般分初定和修定2步进行。初定爆源位置时，仅须根据测点提供的冲击波时延，将时延方程线性化，从而解出爆源的位置，即x，y，z和0时 T。

在实船抗冲击试验中，由于定位阵测点的坐标会因海流的作用而随机变化，不能用绝对坐标位置来描述鱼雷爆炸点的定位问题。因此，在定位阵上建立动态坐标系，通过定位来确定相对动态坐标系的瞬时爆炸位置、冲击波传播速度V和起爆时刻T。

2.1 实船抗爆炸冲击试验战雷爆炸点的初定

坐标系中鱼雷的爆炸深度z以设定值为标准。在初定爆炸点参数的基础上，用广义逆优化方法对参数进行修定。

设某次爆炸试验接收到的测点有n个(n≥5)。其中任一测点的坐标为(xi，yi)，相应的爆炸冲击波时延为Ti。待求的爆源位置为x，y，爆炸深度为z，起爆时刻为T。按照爆炸点到各测点的冲击波传播速度相等的假设，可列出下列方程［3－4］:

式中:V为由爆炸点传播到测点的冲击波速度。

式(4)为非线性方程，为便于求解，首先应将其线性化，变为线性方程。为此展开式(4)得到:

对于第1个测点(i=1)可得:

将式(5)中 i分别代以 2，3，…，n，与式(6)相减得到:

式(7)构成了初定方程，将初定方程用矩阵的形式表达，即

展开，可得

2.2 战雷爆炸点参数的修定

为了取得更精确的定位值，必须对初定结果进行修定。我们采用Powell方法，该方法是一种直接寻找目标函数极小值的有效方法。

设第i个测点冲击波时延的观测值为Toi，由给定的初定爆源参数求出其理论时延为τi(X)，由此定义的目标函数为二次型函数:

解决二次型的极值问题，共扼梯度法是一个有效的方法。作为对共扼梯度法改进的Powell方法，求式(10)目标函数的极小值是很有用的［5－6］。

在一维寻找时，其步长STEP的选取与具体问题中的自变量有关。对于水中爆炸，其单位为米。结束收敛的准则可以采用迭代前后2次的目标函数的差值达到预定的限差

3 鱼雷爆源定位分析与计算

3.1 试验概况

实船抗某型鱼雷爆炸冲击试验的测量布阵如图1所示，共布设3个测量阵，每个测量阵相互独立，其中包括6个测点组成的定位阵和10个测点组成的自由场冲击波超压测量阵。定位阵中心点离爆炸目标区中心点的垂直距离不小于20 m，初定为30 m，定位阵的长度为12 m，冲击波超压测量阵的最近测点离爆炸目标区中心点的距离不小于10 m，初定为10 m，测量阵的长度为20 m。

图1 舰船抗某型鱼雷爆炸冲击试验的测量布阵Fig.1 Ship resistance measurements lineup of a torpedo impulse test explosion

3.2 模拟计算的定位结果

应用前述定位算法，设计计算程序。首先对定位方法和定位程序进行了检验，假定动态坐标系建立在定位阵上，给定定位阵各测点的坐标分别为(0，0，－4)，(0，3，－4)，(0，6，－4)，(0，8，－4)(0，10，－4)，(0，12，－4)。爆源位置初定为(30，5，－4)，冲击波传播速度为c=1 500 m/s，起爆时刻为0.0 s。用理论计算得到的各测点冲击波时延作为观测时延，对爆源位置进行反演，定位结果如图2所示。表明此定位算法合理，计算程序可行。

图2 冲击波时延定位计算结果Fig.2 Calculation results of shock delay positioning

其次对定位误差进行分析，对冲击波时延引入误差，对各测点测得的冲击波到时叠加时延的千分之一，得到图3的定位结果，其定位误差小于2%。数值实验结果表明定位精度受时延误差的影响较大。

图3 冲击波时延定位叠加随机误差后的定位结果Fig.3 Shock delay positioning result of composition random errors

从模拟计算的结果可知，本文给出的定位算法是合理可行的，但是对于其定位的真正精度必须通过试验数据来验证。

4 对鱼雷爆炸点的定位测量

以前，国内也曾组织过鱼雷实航打靶试验，但试验中没有进行爆源定位、压力等各种参数的测量工作，只是宏观上考察了鱼雷爆炸效果。因此，没有可供参考的经验。而近年进行的某型舰船抗爆炸冲击试验中针对爆源的定位测量是1次重要的尝试，科学分析试验数据，对于实船抗冲击试验中的战雷爆源定位方法研究有重要的借鉴作用。

该项试验各次试验的定位结果见表1。本文利用前面讨论的冲击波时延定位算法，对爆距重新进行了计算，一并列入表1。

?

机械拉线法用于试验时对爆源的布放，爆源与被试舰舷侧的水平距离通过拉线粗略地估算后进行布放，就基本上满足要求，但爆源与舷侧中心点的横向偏差较难把握，每次布放时不是偏向舰首就是偏向舰尾，如图4所示。

由于实船抗爆炸冲击试验参试设备多，试验环节多，实施复杂，从爆源布放到起爆时间间隔较长。在此期间，被试舰受海水流速流向影响，其位置可能发生很大变化，导致爆距产生较大漂移。因此，机械拉线法仅用于爆源布放，并采取有效措施尽量使被试舰舰位稳定，才能提高定位精度。该方法更适于湖上静水试验条件，并不适用于海上实船抗冲击试验。

冲击波零时法对爆源位置的准确定位，适用于舰船(静态)抗冲击试验的近距离测量。该方法误差源为爆距测量误差、阵元坐标测量误差和解算误差等，其中以爆距测量误差的影响最大，并随着爆距的增加而增大。例如第1次试验时，冲击波零时法得到的爆距与布放距离相差较大(布放要求100 m，计算结果为143 m)，其原因是试验时海浪较大，布放时海流又大，被试舰发生脱锚，因此船位漂移了40多m。该方法只适用于舰船处于抛锚状态，即相对静止状态。当舰船处于航行状态时，无法拖带电缆航行，自由场压力传感器也不能布放。

冲击波时延定位法在零时法的基础上加以改进，利用Powell方法来求解目标函数极小值，定位精度有所提高。对于鱼雷实航打靶试验，也同样可以应用，这一点从表1的计算结果得到验证。

5 结语

通过对几种定位方法的比较分析，我们认为对于实船抗爆炸冲击试验中鱼雷爆炸时刻的位置测量，可以采用冲击波零时法和冲击波时延定位法。

在对冲击波时延定位法的理论计算和实际测量结果的对比中，我们认为该方法在实船抗爆炸冲击试验中应用是切实可行的，定位精度满足工程要求。同时利用实船抗冲击试验中的试验数据证明了作者的研究是科学合理的，对于其他实船抗爆炸冲击试验和其他型号鱼雷实航打靶试验具有通用性和推广价值。

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The positioning method of explosion source based on ship resistance impulse test

SUN Da-peng，WANG Yong-liang，WANG Shu-le
(No 91439 Unit of PLA，Dalian 116041，China)

Several positioning methods of torpedo stopping point in impulse test of ship resistance of underwater explosion are briefly described in this paper，and combined with some type of ship resistance to impulse test of a torpedo explosion of practical measurement situation，application effect of various positioning method，and that the applicable conditions comprehensive are compared and analyzed，then we put forward the ship impulse test and defused positioning measurement anti-explosion the general method.It is suitable for other ship impulse test and other models anti-explosion real navigation targeting test，which has versatile and popularize value.

explosion test;explosion source positioning;mechanical cable positioning method;shockwave flinging positioning method;shockwave delay positioning method

O382+.1

A

1672－7649(2012)04－0036－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.04.008

2011－06－14;

2011－07－18

孙大鹏(1962－)，男，高级工程师，从事水中兵器试验测量工作。