水下爆炸高速摄像照明光源设计

张姝红，刘 静，金 辉，张永坤

(1.中国人民解放军91439部队， 辽宁 大连 116041； 2.大连市公安局视频中心， 辽宁 大连 116011)

采用高速摄像机在水中拍摄爆炸图像是开展爆炸毁伤特性研究的一种重要测量手段，可用于装药水中爆炸现象及目标结构毁伤效果的图像拍摄[1-6]。在水中实施爆炸图像拍摄时，由于拍摄速率高，曝光时间短，因此摄像机对光照强度要求也相应的提高；同时水对光有很强的吸收作用，实验表明光在水中传输时的能量随距离的增加按指数规律迅速地衰减。因此，水中爆炸图像拍摄时随着拍摄距离和布放深度的增加会光照度不足，影响图像拍摄效果。因此，在拍摄水中爆炸图像光照不足时需要提供辅助的照明光源，以满足拍摄需求。设计了一种抗水中爆炸冲击的照明光源，利用ABAQUS软件对近场水中爆炸作用下的光源防护结构强度和减振效果进行了数值仿真计算[7-8]，采用码头实爆试验检验光源的整体抗冲击性能，通过水中照明性能测试验证了水中照明能力。

1 光源的总体设计

目前，水中爆炸试验中使用的照明光源主要包括Led照明光源、氙灯照明光源、卤素灯照明光源、激光照明光源等。设计水中照明光源时需综合考虑光源在水中爆炸冲击条件下使用的环境条件，如光源频闪、发光效率和散热、发光角度、发光稳定性，以及光源防护减振结构的抗冲击性能和抗爆炸流场作用下的稳定性要求等因素。

综合考虑上述因素，对比各种光源性能，通过摄像机水下拍摄光照需求的分析计算，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；采用外部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之内；防护结构内部采用模具弹簧对光源实现减振防护，在光源尾部采用1支规格为70和4支规格为55的模具弹簧、前部采用6支规格为55的模具弹簧作为垂向缓冲器件，上下左右使用12支规格为55的模具弹簧作为垂向缓冲器件，减振输出要求不大于2g；采用流体力学理论设计摄像机防护结构外部线型[9]，防护结构主体为圆柱形，外径220 mm、长308 mm，尾部为截锥体型，长90 mm，具有抗爆炸流场的线型设计；防护结构的材料选择316 L不锈钢，厚度为8 mm，前端为50 mm厚的有机玻璃，由法兰和紧固螺栓连接，并加横向和纵向密封垫圈以保持结构在高动压作用下的水密。防护结构抗水中爆炸冲击波压力为15 MPa。光源防护结构上下有固定吊环，使用时通过支架进行固定。光源设计总体结构如图1所示。

2 仿真计算

仿真计算工况设计为：光源在水下30 m，炸药水平距光源正面9 m，药量30 kg当量TNT，光源前端冲击波压力理论峰值15.75 MPa。表1为计算工况。

爆源当量/kg爆距/m深度/m30930

由Hypermesh软件建立LED光源和防护结构几何模型和有限元模型，然后导入ABAQUS软件进行水中爆炸数值模拟。

防护结构由3 456个S4R壳单元组成，LED灯座由768个S4R壳单元组成。聚光镜由个680个C3D8R三维应力单元和50 248个C3D4三维应力单元组成，前端防护玻璃由1 700个C3D8R三维应力单元组成。散热溶液由672个AC3D8R声学单元组成，外部水域为球形，半径为防护结构长度的3倍(1.194 m)，由78 336个AC3D8R声学单元组成。

防护结构和灯座的面网格平均边长0.01 m。灯头、防护玻璃、散热溶液网格平均边长0.01 m，外部水域网格边长由内部0.01 m渐变到外部0.08 m。图2为光源和防护结构有限元模型，图3为防护结构周围水域有限元模型。

弹簧由ANAQUS给出两结点之间的连接属性模拟。计算总时间为0.5 s。

仿真计算参数包括防护结构的不锈钢材料参数、减振模具弹簧参数和有机玻璃的力学参数[10]。表2为防护结构不锈钢材料属性，表3为减振弹簧参数，表4为防护结构有机玻璃力学参数。

表2 防护结构不锈钢材料属性

表3 弹簧参数

表4 有机玻璃力学参数

仿真计算显示，当光源固定安装时，最大加速度在0.003 s出现在LED灯座尾部中心处，加速度为10.9 m/s2。图4为仿真计算的LED灯加速度云图。

计算显示固定安装的光源防护结构后端应力大于前端，后部截椎体固定位置应力最大，前端防护玻璃与主体结构过度处应力较大，后部截锥体结构与主体连接处有一定的应力集中；防护结构应力最大位置在防护结构尾部截锥体安装吊环位置，在0.001 s出现最大应力，为242 MPa。图5为仿真计算的防护结构应力云图。

仿真计算结果表明：光源防护结构所选的材料参数基本满足光源防护要求；尾锥吊环处产生了较大的应力集中，但对内部光源安全不会产生明显影响；在防护结构实物加工时，尾锥不锈钢厚度增加了1 mm，加工完实物后开展了水中实爆验证试验。

3 抗水中爆炸冲击验证试验

试验在码头开阔海域实施，爆源为1 kg黑索金，光源和爆源通过支架固定，光源前端防护玻璃距爆源3.54 m，试验过程中光源处于发光工作状态；爆炸时刻采用水中爆炸测量设备测量光源前端防护玻璃位置处的水中爆炸冲击波压力。

试验结束后回收光源，LED光源仍工作正常，防护结构未出现塑性变形并保持水密，防护玻璃未破损。实测的光源防护玻璃位置的冲击波压力峰值为15.15 MPa，图6为实测的冲击波压力时程曲线。

4 照明效果检验

光源照明效果验证在实验室水池无其他照明光源的晚上实施，验证时将摄像机和1盏光源同向放置，摄像机距目标9 m，光源距目标7 m，目标为直径50 mm的钢管，检验摄像机在不同拍摄频率下光源的照明效果。图7是摄像机拍摄频率为100 fps时显示的光源照明效果图，图7中目标钢管清晰可见。当拍摄频率增加到2 000 fps时，拍摄的图像较清晰，拍摄频率为4 000 fps时，从计算机显示的图像中仍然能识别出目标。

5 结论

1) 在15 MPa水中爆炸冲击波峰值压力作用下光源防护结构不产生明显塑性变形且保持水密，减振输出小于2g，结构强度和减振达到设计要求。

2) 在水中爆炸作用下，固定安装的光源防护结构后端应力大于前端，后部截椎体固定位置应力最大，前端防护玻璃与主体结构过度处应力较大，后部截锥体结构与主体连接处有一定的应力集中，选择的材料满足抗冲击防护要求。

3) 在无光照条件下，设计的LED光源能为摄像机提供拍摄速率不超过4 000 fps时低光条件下的照明。