孫大鵬，王永亮，王樹樂

(海軍91439部隊(duì)96分隊(duì)，遼寧 大連 116041)

基于實(shí)船抗爆炸沖擊試驗(yàn)的爆源定位方法

孫大鵬，王永亮，王樹樂

(海軍91439部隊(duì)96分隊(duì)，遼寧 大連 116041)

對實(shí)船抗爆炸沖擊試驗(yàn)中魚雷爆炸點(diǎn)的幾種定位方法進(jìn)行了闡述，并結(jié)合實(shí)船抗某型魚雷爆炸沖擊試驗(yàn)的實(shí)際測量情況，對各種定位方法的應(yīng)用效果、適用條件進(jìn)行了綜合比較和分析，提出了實(shí)船抗爆炸沖擊試驗(yàn)爆炸點(diǎn)定位測量的一種有效方法，適用于其他實(shí)船抗爆炸沖擊試驗(yàn)和其他型號魚雷實(shí)航打靶試驗(yàn)，具有通用性和推廣價值。

爆炸試驗(yàn);爆源定位;機(jī)械拉線定位法;沖擊波零時定位法;沖擊波時延定位法

0 引言

隨著造船工業(yè)的發(fā)展，世界各國對艦船在極端情況下的強(qiáng)度要求越來越高，我國也對艦船抗爆炸沖擊的能力提出了更高的要求。在實(shí)船抗爆炸沖擊試驗(yàn)過程中，由于海上試驗(yàn)條件的復(fù)雜性，靶船位置會受到艦船操控、水流、風(fēng)力、涌浪等多方面因素的影響，使戰(zhàn)雷攻擊靶船的相對位置產(chǎn)生極大不確定性。戰(zhàn)雷攻擊靶船的位置對于試驗(yàn)的準(zhǔn)確測量、數(shù)據(jù)結(jié)果分析、魚雷爆炸威力和艦艇毀傷評定將起到至關(guān)重要的作用，也是試驗(yàn)組織單位、設(shè)計(jì)生產(chǎn)單位、作戰(zhàn)使用部隊(duì)都密切關(guān)注的問題。因此，為準(zhǔn)確測定實(shí)船抗爆炸沖擊試驗(yàn)中戰(zhàn)雷爆炸的實(shí)時位置，確保試驗(yàn)實(shí)施效果，必須對戰(zhàn)雷爆炸點(diǎn)的定位方法進(jìn)行深入研究。

1 爆源定位原理

在實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)中測量的一個關(guān)鍵點(diǎn)是確定戰(zhàn)雷的爆炸方位和距靶船的距離，傳統(tǒng)的水下爆炸沖擊波壓力測量中，爆距的確定是通過鋼性固定爆源與測量點(diǎn)的位置來實(shí)現(xiàn)，這種機(jī)械拉線定位方法對實(shí)船抗爆炸沖擊試驗(yàn)并不適用。對于魚雷實(shí)航爆炸時爆源到測點(diǎn)距離的確定，理論上可通過聲測距技術(shù)、零時法測距技術(shù)及時延定位技術(shù)3種技術(shù)途徑來實(shí)現(xiàn)。

1.1 沖擊波零時法測距技術(shù)

這種方法是通過測量沖擊波從爆源傳播到測點(diǎn)的時間來獲取爆距的。測量中的零點(diǎn)信號可利用貼在爆源上的陶瓷片(或利用插入起爆藥內(nèi)的導(dǎo)線)在起爆瞬間給出。計(jì)算公式如下［1］:

式中:R為待測距離;R0為爆源的等效藥包半徑;Co為爆源所在水域的聲速;t為傳播時間;K為修正系數(shù)。修正系數(shù)K不僅與測點(diǎn)的沖擊波峰值壓力Pm有關(guān)，還與爆炸當(dāng)量、海域有關(guān)。修正系數(shù)必須通過試驗(yàn)標(biāo)定來確定。

1.2 沖擊波時延定位技術(shù)

沖擊波時延定位在算法上是對沖擊波零時法的增強(qiáng)。此技術(shù)是在已知各測點(diǎn)坐標(biāo)位置的情況下，利用沖擊波到達(dá)各個測點(diǎn)的時延差，通過反演技術(shù)來實(shí)現(xiàn)爆源動態(tài)瞬時定位，它要求傳播到各測點(diǎn)的沖擊波平均速度相同。這一定位方法的精度主要取決于沖擊波到達(dá)測點(diǎn)時間的測量精度和反演計(jì)算誤差。目前反演算法已經(jīng)很成熟，其計(jì)算誤差可通過程序控制，水下爆炸沖擊波到達(dá)各測點(diǎn)的時間測量精度可達(dá)0.1 ms，其帶來的定位誤差小于0.2 m。因此，這一定位方法的主要誤差是來自沖擊波傳播到各個測點(diǎn)的沖擊波平均速度相等的假定條件，考慮到這一點(diǎn)，沖擊波時延定位技術(shù)中的測點(diǎn)布局必須深入研究，在保障現(xiàn)場試驗(yàn)可操作的情況下，確定測點(diǎn)與靶船的相對距離及各測點(diǎn)間距，并通過現(xiàn)場的小當(dāng)量水中爆炸試驗(yàn)來校準(zhǔn)驗(yàn)證布局設(shè)計(jì)和定位精度［2］。

通過上述基本分析，實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)中的爆源定位測量擬采用沖擊波時延定位方法。

2 沖擊波時延定位方法理論分析

沖擊波時延定位技術(shù)的前提是假定傳播到各測點(diǎn)的沖擊波傳播速度相等。根據(jù)目前的科技狀況，應(yīng)用計(jì)算機(jī)的定位算法及程序已得到廣泛的應(yīng)用，隨著數(shù)學(xué)方法的發(fā)展，建立了爆源參數(shù)的最優(yōu)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。定位計(jì)算一般分初定和修定2步進(jìn)行。初定爆源位置時，僅須根據(jù)測點(diǎn)提供的沖擊波時延，將時延方程線性化，從而解出爆源的位置，即x，y，z和0時 T。

在實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)中，由于定位陣測點(diǎn)的坐標(biāo)會因海流的作用而隨機(jī)變化，不能用絕對坐標(biāo)位置來描述魚雷爆炸點(diǎn)的定位問題。因此，在定位陣上建立動態(tài)坐標(biāo)系，通過定位來確定相對動態(tài)坐標(biāo)系的瞬時爆炸位置、沖擊波傳播速度V和起爆時刻T。

2.1 實(shí)船抗爆炸沖擊試驗(yàn)戰(zhàn)雷爆炸點(diǎn)的初定

坐標(biāo)系中魚雷的爆炸深度z以設(shè)定值為標(biāo)準(zhǔn)。在初定爆炸點(diǎn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，用廣義逆優(yōu)化方法對參數(shù)進(jìn)行修定。

設(shè)某次爆炸試驗(yàn)接收到的測點(diǎn)有n個(n≥5)。其中任一測點(diǎn)的坐標(biāo)為(xi，yi)，相應(yīng)的爆炸沖擊波時延為Ti。待求的爆源位置為x，y，爆炸深度為z，起爆時刻為T。按照爆炸點(diǎn)到各測點(diǎn)的沖擊波傳播速度相等的假設(shè)，可列出下列方程［3－4］:

式中:V為由爆炸點(diǎn)傳播到測點(diǎn)的沖擊波速度。

式(4)為非線性方程，為便于求解，首先應(yīng)將其線性化，變?yōu)榫€性方程。為此展開式(4)得到:

對于第1個測點(diǎn)(i=1)可得:

將式(5)中 i分別代以 2，3，…，n，與式(6)相減得到:

式(7)構(gòu)成了初定方程，將初定方程用矩陣的形式表達(dá)，即

展開，可得

2.2 戰(zhàn)雷爆炸點(diǎn)參數(shù)的修定

為了取得更精確的定位值，必須對初定結(jié)果進(jìn)行修定。我們采用Powell方法，該方法是一種直接尋找目標(biāo)函數(shù)極小值的有效方法。

設(shè)第i個測點(diǎn)沖擊波時延的觀測值為Toi，由給定的初定爆源參數(shù)求出其理論時延為τi(X)，由此定義的目標(biāo)函數(shù)為二次型函數(shù):

解決二次型的極值問題，共扼梯度法是一個有效的方法。作為對共扼梯度法改進(jìn)的Powell方法，求式(10)目標(biāo)函數(shù)的極小值是很有用的［5－6］。

在一維尋找時，其步長STEP的選取與具體問題中的自變量有關(guān)。對于水中爆炸，其單位為米。結(jié)束收斂的準(zhǔn)則可以采用迭代前后2次的目標(biāo)函數(shù)的差值達(dá)到預(yù)定的限差

3 魚雷爆源定位分析與計(jì)算

3.1 試驗(yàn)概況

實(shí)船抗某型魚雷爆炸沖擊試驗(yàn)的測量布陣如圖1所示，共布設(shè)3個測量陣，每個測量陣相互獨(dú)立，其中包括6個測點(diǎn)組成的定位陣和10個測點(diǎn)組成的自由場沖擊波超壓測量陣。定位陣中心點(diǎn)離爆炸目標(biāo)區(qū)中心點(diǎn)的垂直距離不小于20 m，初定為30 m，定位陣的長度為12 m，沖擊波超壓測量陣的最近測點(diǎn)離爆炸目標(biāo)區(qū)中心點(diǎn)的距離不小于10 m，初定為10 m，測量陣的長度為20 m。

圖1 艦船抗某型魚雷爆炸沖擊試驗(yàn)的測量布陣Fig.1 Ship resistance measurements lineup of a torpedo impulse test explosion

3.2 模擬計(jì)算的定位結(jié)果

應(yīng)用前述定位算法，設(shè)計(jì)計(jì)算程序。首先對定位方法和定位程序進(jìn)行了檢驗(yàn)，假定動態(tài)坐標(biāo)系建立在定位陣上，給定定位陣各測點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(0，0，－4)，(0，3，－4)，(0，6，－4)，(0，8，－4)(0，10，－4)，(0，12，－4)。爆源位置初定為(30，5，－4)，沖擊波傳播速度為c=1 500 m/s，起爆時刻為0.0 s。用理論計(jì)算得到的各測點(diǎn)沖擊波時延作為觀測時延，對爆源位置進(jìn)行反演，定位結(jié)果如圖2所示。表明此定位算法合理，計(jì)算程序可行。

圖2 沖擊波時延定位計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation results of shock delay positioning

其次對定位誤差進(jìn)行分析，對沖擊波時延引入誤差，對各測點(diǎn)測得的沖擊波到時疊加時延的千分之一，得到圖3的定位結(jié)果，其定位誤差小于2%。數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明定位精度受時延誤差的影響較大。

圖3 沖擊波時延定位疊加隨機(jī)誤差后的定位結(jié)果Fig.3 Shock delay positioning result of composition random errors

從模擬計(jì)算的結(jié)果可知，本文給出的定位算法是合理可行的，但是對于其定位的真正精度必須通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。

4 對魚雷爆炸點(diǎn)的定位測量

以前，國內(nèi)也曾組織過魚雷實(shí)航打靶試驗(yàn)，但試驗(yàn)中沒有進(jìn)行爆源定位、壓力等各種參數(shù)的測量工作，只是宏觀上考察了魚雷爆炸效果。因此，沒有可供參考的經(jīng)驗(yàn)。而近年進(jìn)行的某型艦船抗爆炸沖擊試驗(yàn)中針對爆源的定位測量是1次重要的嘗試，科學(xué)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對于實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)中的戰(zhàn)雷爆源定位方法研究有重要的借鑒作用。

該項(xiàng)試驗(yàn)各次試驗(yàn)的定位結(jié)果見表1。本文利用前面討論的沖擊波時延定位算法，對爆距重新進(jìn)行了計(jì)算，一并列入表1。

?

機(jī)械拉線法用于試驗(yàn)時對爆源的布放，爆源與被試艦舷側(cè)的水平距離通過拉線粗略地估算后進(jìn)行布放，就基本上滿足要求，但爆源與舷側(cè)中心點(diǎn)的橫向偏差較難把握，每次布放時不是偏向艦首就是偏向艦尾，如圖4所示。

由于實(shí)船抗爆炸沖擊試驗(yàn)參試設(shè)備多，試驗(yàn)環(huán)節(jié)多，實(shí)施復(fù)雜，從爆源布放到起爆時間間隔較長。在此期間，被試艦受海水流速流向影響，其位置可能發(fā)生很大變化，導(dǎo)致爆距產(chǎn)生較大漂移。因此，機(jī)械拉線法僅用于爆源布放，并采取有效措施盡量使被試艦艦位穩(wěn)定，才能提高定位精度。該方法更適于湖上靜水試驗(yàn)條件，并不適用于海上實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)。

沖擊波零時法對爆源位置的準(zhǔn)確定位，適用于艦船(靜態(tài))抗沖擊試驗(yàn)的近距離測量。該方法誤差源為爆距測量誤差、陣元坐標(biāo)測量誤差和解算誤差等，其中以爆距測量誤差的影響最大，并隨著爆距的增加而增大。例如第1次試驗(yàn)時，沖擊波零時法得到的爆距與布放距離相差較大(布放要求100 m，計(jì)算結(jié)果為143 m)，其原因是試驗(yàn)時海浪較大，布放時海流又大，被試艦發(fā)生脫錨，因此船位漂移了40多m。該方法只適用于艦船處于拋錨狀態(tài)，即相對靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)艦船處于航行狀態(tài)時，無法拖帶電纜航行，自由場壓力傳感器也不能布放。

沖擊波時延定位法在零時法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，利用Powell方法來求解目標(biāo)函數(shù)極小值，定位精度有所提高。對于魚雷實(shí)航打靶試驗(yàn)，也同樣可以應(yīng)用，這一點(diǎn)從表1的計(jì)算結(jié)果得到驗(yàn)證。

5 結(jié)語

通過對幾種定位方法的比較分析，我們認(rèn)為對于實(shí)船抗爆炸沖擊試驗(yàn)中魚雷爆炸時刻的位置測量，可以采用沖擊波零時法和沖擊波時延定位法。

在對沖擊波時延定位法的理論計(jì)算和實(shí)際測量結(jié)果的對比中，我們認(rèn)為該方法在實(shí)船抗爆炸沖擊試驗(yàn)中應(yīng)用是切實(shí)可行的，定位精度滿足工程要求。同時利用實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了作者的研究是科學(xué)合理的，對于其他實(shí)船抗爆炸沖擊試驗(yàn)和其他型號魚雷實(shí)航打靶試驗(yàn)具有通用性和推廣價值。

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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

孫大鵬(1962－)，男，高級工程師，從事水中兵器試驗(yàn)測量工作。