CN105157597A - 一种激光测量效应靶变形的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涉及毁伤试验测试领域的激光测量效应靶变形的方法，解决了现有测量方法测量效率低、操作误差大、测量稳定性差的问题。该方法采用激光测量技术结合数据分析手段，可快速、准确的测量效应靶的变形参量，所用测量装置包括：测量系统(3)、数据记录系统(4)、数据自动处理程序(5)。首先由测量系统(3)的激光测距装置(1)和角度测量装置(2)获取效应靶变形部位的几何参数，然后由数据自动处理程序(5)从数据记录系统(4)读取这些几何参数并计算获得效应靶的变形参量——凹坑最大深度H和凹坑体积V，同时生成变形凹坑的三维图形显示。
Description
技术领域
本发明属于毁伤试验测试领域，具体涉及一种激光测量效应靶变形的方法。
背景技术
冲击波是弹药/战斗部的主要毁伤元之一，效应靶是用来反映弹药/战斗部爆炸冲击波在空间某个位置上作用效果的重要手段，其在爆炸冲击波作用下表面会产生具有空间轴对称特性的凹坑，凹坑的最大深度H和体积V是表征冲击波作用强度的重要参数。然而，目前缺少一种能够快速、准确测量效应靶变形凹坑最大深度H和体积V的方法。
当前，研究人员主要使用水平刻度尺和垂直刻度尺来测量凹坑最大深度H(图1所示)。对于变形凹坑体积V，则利用液体或颗粒填充物(如沙子)配合计量器具来测量(图2所示)，首先用液体或颗粒填充物填满凹坑，然后再将填充物放入体积计量器具中以获取凹坑体积V，又或者将填充物放入质量计量器具，再经过换算得到凹坑体积V。
这种传统的测量方法存在以下不足：①操作过程繁琐，用时较长，尤其是凹坑体积V测量过程中的填充物填充和计量较慢，很难实现数据的现场获取，为了控制试验进度，通常在试验完成后，再将效应靶从试验现场运回，然后对其进行测量；②操作误差大，测量稳定性差，一方面在运输过程中，可能造成效应靶二次变形；另一面，所有测量步骤由人工手动完成，测量数据由测试人员读取；此外，对于不同尺寸的效应靶，测量器具的量程和精度也不同，因此，在整个测量过程中人为造成的操作误差大，测量稳定性难以控制；③需要专门对效应靶进行保存，以备在后续研究中查看效应靶凹坑的几何形状。
发明内容
本发明正是针对上述问题而设计提供了一种激光测量效应靶变形的方法，该方法采用激光测距技术，结合数值分析软件的数据处理和分析手段，能够快速和准确地获取效应靶最大变形深度H和凹坑体积V，并能够将效应靶的变形区域以三维计算机图形的形式表现和存储起来。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种激光测量效应靶变形的方法，在该方法中所用测量装置包括：激光测量系统、数据记录系统、数据自动处理程序；
所述测量系统由激光测距装置和角度测量装置组成，激光测距装置用于测量激光光源到效应靶变形凹坑表面的距离，角度测量装置用于测量激光光源转过的角度；
数据记录系统用于获取测量系统测量的数据，并按先后顺序保存各测点的测量数据，所述测量数据包括距离数据和角度数据；
计算机数据自动处理程序用于处理数据记录系统保存的测量数据，通过计算获得效应靶最大变形深度H，对各数据点进行拟合获得凹坑母线，进一步计算获得凹坑体积V，并合成凹坑三维空间图形；
一种激光测量效应靶变形的方法，包括如下步骤：
(1)标定激光光源与效应靶的相对位置
将效应靶水平放置，使效应靶平面处于水平状态，标出效应靶凹坑的最大深度点，即凹坑的几何中心，记为o。调整激光测距装置的位置，使激光测距装置位于效应靶变形凹坑的正上方垂直于凹坑最大深度点o，即激光光源发射的光线垂直于效应靶平面且过最大深度点o，然后将其固定。
所述测距装置位置固定后，可以在垂直平面0～360°范围内转动任意角度。
(2)数据采集
以凹坑的最大深度点o作为起始点，凹坑上缘为终点，转动激光测距装置，沿凹坑母线，间隔一定角度获取激光光源到凹坑表面的直线距离和光源相对于起始点o转过的角度，并按先后顺序保存各测点的测量数据。
从起始点o到凹坑上缘共获取了n+1组数据，将各组数据按先后顺序记为0，1，2，……，n，各测点对应距离和角度分别记为L0，L1，L2，……，Ln和α0，α1，α2，……，αn。
则在测点0时，测量激光光源到最大深度点o的直线距离为L0，此时对应的角度α0＝0°；在测点1位置时，激光光源到凹坑表面的直线距离记为L1，相对起始点o转过的角度记为α1；依次类推，当激光转动到凹坑上缘时，激光光源到凹坑表面的直线距离为Ln，相对于起始点o转过的角度为αn，如下表所示：
| 测点编号 | 0 | 1 | 2 | …… | n |
| 距离 | L0 | L1 | L2 | …… | Ln |
| 转动角度 | α0＝0° | α1 | α2 | …… | αn |
在起始点o，激光测距装置发射的光线从凹坑正上方重直打在凹坑最大深度点o上；为了保证后续计算结果的精度，n≥5。
(3)数据处理
依次读入n+1组数据，建立笛卡尔坐标，以激光光源位置作为坐标原点，进行换算，得到各测点在笛卡尔坐标下的坐标值。
根据测点0和测点n的坐标可以计算获得凹坑最大变形深度H；基于n+1个测点坐标值，采用最小二乘法对测点数据进行多项式拟合，获得凹坑母线方程。
由所述拟合得到的母线方程合成凹坑变形的三维图形并显示；同时，数据自动处理程序根据凹坑变形的三维曲面积分得到凹坑体积V。
如上所述的数据处理过程由编制的计算机数据自动处理程序自动完成。
本发明的优点：①本发明采用激光测量技术，结合计算机数据处理和分析手段，操作过程简单、方便，测量速度快，能够在试验现场快速的测量效应靶变形凹坑的最大深度H和体积V；②人为操作误差小，测量误差可控，首先，在试验现场对效应靶变形量进行测量，避免了运输过程造成的二次变形；其次，激光测量技术可测尺寸范围大，满足不同大小效应靶的测量需求，且测量过程和数据的读取，以及测量数据处理均由仪器完成，引入的人为误差少，保证了测量的稳定性；③能够将效应靶的变形区域以三维计算机图形的形式表现和存储起来，可在需要时快速地调出以往的效应靶变形情况，并以曲线方程和计算机图形的形式展现给研究人员，方便后续研究，省去了以往需要在实验后保存效应靶的环节。
附图说明
图1为效应靶变形凹坑最大深度的传统测量方法示意图；
图2为效应靶变形凹坑体积的传统测量方法示意图；
图3为本专利所述测量装置系统构成示意图；
图4为本专利所述效应靶变形凹坑测量方法示意图；
图5为效应靶变形凹坑母线；
图6为效应靶变形凹坑的三维图形显示。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步阐述。
如图3所示，该方法所用测量装置包括：激光测量系统3、数据记录系统4、数据自动处理程序5。其中，测量系统由激光测距装置1和角度测量装置2组成，分别用于测量激光光源到效应靶变形凹坑表面的距离和激光光源转过的角度，其中激光测距装置1的测量范围为0.05m～50m；
数据记录系统4用于获取测量系统测量的数据，并按先后顺序保存各测点的测量数据，所述测量数据包括距离数据和角度数据；
计算机数据自动处理程序5用于处理数据记录系统保存的测量数据，通过计算获得效应靶最大变形深度H，对各数据点进行拟合获得凹坑母线，进一步计算获得凹坑体积V，并合成凹坑三维空间图形；
一种激光测量效应靶变形的方法，包括如下步骤：
(a)标定激光光源与效应靶的相对位置
如图4所示，将效应靶水平放置，使效应靶平面处于水平状态，标出效应靶凹坑的最大深度点，即凹坑的几何中心，记为o。调整激光测距装置的位置，使激光测距装置位于效应靶变形凹坑的正上方垂直于凹坑最大深度点o，即激光光源发射的光线垂直于效应靶平面且过最大深度点o，然后将其固定。
所述测距装置位置固定后，可以在垂直平面0～360°范围内转动任意角度。
(b)数据采集
以凹坑的最大深度点o作为起始点，凹坑上缘为终点，转动激光测距探头，沿凹坑母线，间隔一定角度获取激光光源到凹坑表面的直线距离和光源相对于起始点o转过的角度，并按先后顺序保存各测量点测量数据。
从起始点o到凹坑上缘共获取了n+1组数据，将各组数据按先后顺序记为0，1，2，……，n，各测点对应距离和角度分别记为L0，L1，L2，……，Ln和α0，α1，α2，……，αn，如图4所示。
则测量激光光源到最大深度点o的直线距离为L0，此时对应的角度α0＝0°；在测点1位置时，激光光源到凹坑表面的直线距离记为L1，相对起始点o转过的角度记为α1；依次类推，当激光转动到凹坑上缘时，激光光源到凹坑表面的直线距离为Ln，相对于起始点o转过的角度为αn，如下表所示：
| 测点编号 | 0 | 1 | 2 | …… | n |
| 距离 | L0 | L1 | L2 | …… | Ln |
| 转动角度 | α0＝0° | α1 | α2 | …… | αn |
在起始点o，激光光源发射的光线从凹坑正上方重直打在凹坑最大深度点o上。为了保证后续计算结果的精度，n≥5。
(c)数据处理
依次读入n+1组数据，建立笛卡尔坐标，以激光光源位置作为坐标原点，进行换算，得到各测点在笛卡尔坐标下的坐标值。
根据测点0和测点n的坐标可以计算获得凹坑最大变形深度H；基于n+1个测点坐标值，采用最小二乘法对测点数据进行多项式拟合，获得凹坑母线方程。
进一步，由所述拟合得到的母线方程合成凹坑变形的三维图形并显示；同时，数据自动处理程序根据凹坑变形的三维曲面积分得到凹坑体积V。
下面将通过具体实施例进行说明：
实施例1
本实施例中，效应靶为Φ300mm×2mm的圆形薄铝板，采用传统方法测得该效应靶在峰值为0.37MPa冲击波作用后的最大变形深度H和凹坑体积V分别为24.5mm和307ml。现用本发明的方法，对该效应靶的最大变形深度H和凹坑体积V进行测量，具体步骤如下：
(a)标定激光光源与效应靶的相对位置
如图4所示，将效应靶水平放置，使效应靶平面处于水平状态，标出效应靶凹坑的最大深度点，即凹坑的几何中心，记为o。调整激光测距装置的位置，使激光测距装置位于效应靶变形凹坑的正上方垂直于凹坑最大深度点o，即激光光源发射的光线垂直于效应靶平面且过最大深度点o，然后将其固定。
所述测距装置位置固定后，可以在垂直平面0～360°范围内转动任意角度。
(b)数据采集
以凹坑的最大深度点o作为起始点，凹坑上缘为终点，转动激光测距探头，沿凹坑母线，间隔一定角度获取激光光源到凹坑表面的直线距离和光源相对于起始点o转过的角度，并按先后顺序保存各测量点测量数据。
本实施例中，从起始点o到凹坑上缘共获取了9组数据，将各组数据按先后顺序记为0，1，2，……，8，各测点对应距离和角度分别记为L0，L1，L2，……，L8和α0，α1，α2，……，α8。
则测量激光光源到最大深度点o的直线距离为L0，此时对应的角度α0＝0；在测点1位置时，激光光源到凹坑表面的直线距离记为L1，相对起始点o转过的角度记为α1；依次类推，当激光转动到凹坑上缘时，激光光源到凹坑表面的直线距离为L8，相对于起始点o转过的角度为α8，如下表所示：
(c)数据处理
依次读入9组数据，建立笛卡尔坐标，以激光光源位置作为坐标原点，进行换算，得到各测点在笛卡尔坐标下的坐标值。
根据测点0和测点8的坐标可以计算获得凹坑最大变形深度H＝24.35mm；基于9个测点坐标值，采用最小二乘法对测点数据进行多项式拟合，获得凹坑母线方程为y＝-149.874-0.0204x+0.00301x2。
进一步，由所述拟合母线方程合成凹坑变形的三维图形并显示，同时，根据凹坑变形的三维曲面积分得到凹坑体积V＝339544.97mm3，即339.545ml。图5(a)、图6(a)分别为效应靶(尺寸为Φ300mm×2mm)在0.37MPa冲击波作用后变形凹坑的母线和三维图形显示。
实施例2
本实施例中，效应靶为Φ150mm×2mm的圆形薄铝板，采用传统方法测得该效应靶在反射压峰值为9MPa(内爆炸)冲击波作用后的最大变形深度H和凹坑体积V分别为20.6mm和105ml。现用本发明的方法，对该效应靶的最大变形深度H和凹坑体积V进行测量，具体步骤如下：
(a)标定激光光源与效应靶的相对位置
如图4所示，将效应靶水平放置，使效应靶平面处于水平状态，标出效应靶凹坑的最大深度点，即凹坑的几何中心，记为o。调整激光测距装置的位置，使激光测距装置位于效应靶变形凹坑的正上方垂直于凹坑最大深度点o，即激光光源发射的光线垂直于效应靶平面且过最大深度点o，然后将其固定。
所述测距装置位置固定后，可以在垂直平面0～360°范围内转动任意角度。
(b)数据采集
以凹坑的最大深度点o作为起始点，凹坑上缘为终点，转动激光测距探头，沿凹坑母线，间隔一定角度获取激光光源到凹坑表面的直线距离和光源相对于起始点o转过的角度，并按先后顺序保存各测量点测量数据。
本实施例中，从起始点o到凹坑上缘共获取了7组数据，将各组数据按先后顺序记为0，1，2，……，6，各测点对应距离和角度分别记为L0，L1，L2，……，L6和α0，α1，α2，……，α6。
则测量激光光源到最大深度点o的直线距离为L0，此时对应的角度α0＝0；在测点1位置时，激光光源到凹坑表面的直线距离记为L1，相对起始点o转过的角度记为α1；依次类推，当激光转动到凹坑上缘时，激光光源到凹坑表面的直线距离为L6，相对于起始点o转过的角度为α6，如下表所示：
(c)数据处理
依次读入7组数据，建立笛卡尔坐标，以激光光源位置作为坐标原点，进行换算，得到各测点在笛卡尔坐标下的坐标值。
根据测点0和测点6的坐标可以计算获得凹坑最大变形深度H＝20.76mm；基于7个测点坐标值，采用最小二乘法对测点数据进行多项式拟合，获得凹坑母线方程为y＝-122.013+0.0212x+0.00146x2。
进一步，由所述拟合母线方程合成凹坑变形的三维图形并显示；同时，根据凹坑变形的三维曲面积分得到凹坑体积V＝113079.77mm3，即113.08ml。图5(b)、图6(b)分别为效应靶(尺寸为Φ150mm×2mm)在9MPa冲击波作用后变形凹坑的母线和三维图形显示。
实施例3
本实施例中，效应靶为Φ800mm×2mm的圆形薄铝板，采用传统方法测得该效应靶在峰值为0.13MPa冲击波作用后的最大变形深度H和凹坑体积V分别为14.5mm和583ml。现用本发明的方法，对该效应靶的最大变形深度H和凹坑体积V进行测量，具体步骤如下：
(a)标定激光光源与效应靶的相对位置
如图4所示，将效应靶水平放置，使效应靶平面处于水平状态，标出效应靶凹坑的最大深度点，即凹坑的几何中心，记为o。调整激光测距装置的位置，使激光测距装置位于效应靶变形凹坑的正上方垂直于凹坑最大深度点o，即激光光源发射的光线垂直于效应靶平面且过最大深度点o，然后将其固定。
所述测距装置位置固定后，可以在垂直平面0～360°范围内转动任意角度。
(b)数据采集
以凹坑的最大深度点o作为起始点，凹坑上缘为终点，转动激光测距探头，沿凹坑母线，间隔一定角度获取激光光源到凹坑表面的直线距离和光源相对于起始点o转过的角度，并按先后顺序保存各测量点测量数据。
本实施例中，从起始点o到凹坑上缘共获取了14组数据，将各组数据按先后顺序记为0，1，2，……，13，各测点对应距离和角度分别记为L0，L1，L2，……，L13和α0，α1，α2，……，α13。
则测量激光光源到最大深度点o的直线距离为L0，此时对应的角度α0＝0；在测点1位置时，激光光源到凹坑表面的直线距离记为L1，相对起始点o转过的角度记为α1；依次类推，当激光转动到凹坑上缘时，激光光源到凹坑表面的直线距离为L13，相对于起始点o转过的角度为α13，如下表所示：
(c)数据处理
依次读入14组数据，建立笛卡尔坐标，以激光光源位置作为坐标原点，进行换算，得到各测点在笛卡尔坐标下的坐标值。
根据测点0和测点13的坐标可以计算获得凹坑最大变形深度H＝14.82mm；基于14个测点坐标值，采用最小二乘法对测点数据进行多项式拟合，获得凹坑母线方程为y＝-150.003+0.0144x+0.00042x2。
进一步，由所述拟合母线方程合成凹坑变形的三维图形并显示；同时，根据凹坑变形的三维曲面积分得到凹坑体积V＝647534.72mm3，即647.535ml。图5(c)、图6(c)分别为效应靶(尺寸为Φ800mm×2mm)在0.13MPa冲击波作用后变形凹坑的母线和三维图形显示。
Claims (3)
1.一种激光测量效应靶变形的方法，所述方法中所用测量装置包括：测量系统(3)、数据记录系统(4)、数据自动处理程序(5)，所述测量系统(3)由激光测距装置(1)和角度测量装置(2)组成；
所述的一种激光测量效应靶变形的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)标定激光光源与效应靶的相对位置
将效应靶水平放置，使效应靶平面处于水平状态，标出效应靶凹坑的最大深度点，即凹坑的几何中心，记为o；调整激光测距装置的位置，使激光测距装置位于效应靶变形凹坑的正上方垂直于凹坑最大深度点o，即激光光源发射的光线重直于效应靶平面且过最大深度点o，然后将其固定；
所述激光测距装置位置固定后，可以在垂直平面0～360°范围内转动任意角度。
(b)数据采集
以凹坑的最大深度点o作为起始点，凹坑上缘为终点，转动激光测距探头，沿凹坑母线，间隔一定角度获取激光光源到凹坑表面的直线距离和光源相对于起始点o转过的角度，并按先后顺序保存各测点测量数据；
从起始点o到凹坑上缘共获取了n+1组数据，将各组数据按先后顺序记为0，1，2，……，n，各测点对应距离和角度分别记为L0，L1，L2，……，Ln和α0，α1，α2，……，αn；
则测量激光光源到最大深度点o的直线距离为L0，此时对应的角度α0＝0；在测点1位置时，激光光源到凹坑表面的直线距离记为L1，相对起始点o转过的角度记为α1；依次类推，当激光转动到凹坑上缘时，激光光源到凹坑表面的直线距离为Ln，相对于起始点o转过的角度为αn，如下表所示：
在起始点o，激光光源发射的光线从凹坑正上方重直打在凹坑最大深度点o上，为了保证后续计算结果的精度，n≥5。
(c)数据处理
依次读入组数据，建立笛卡尔坐标，以激光光源位置作为坐标原点，进行换算，得到各测点在笛卡尔坐标下的坐标值；
根据测点0和测点n的坐标可以计算获得凹坑最大变形深度H；基于n+1个测点坐标值，采用最小二乘法对测点数据进行多项式拟合，获得凹坑母线方程；
所述拟合的母线方程合成凹坑变形的三维曲面图形并显示；同时，数据自动处理程序(5)根据凹坑变形的三维曲面积分得到凹坑体积V。
2.如权利要求1所述的一种激光测量效应靶变形的方法，其特征在于，所述测量系统(3)的激光测距装置(1)用于测量激光光源到效应靶变形凹坑表面的距离，其测量距离范围为0.05m～50m；测量系统(3)的角度测量装置(2)用于测量激光光源转过的角度。
3.如权利要求1所述的一种激光测量效应靶变形的方法，其特征在于，所述数据处理步骤由编制的数据自动处理程序(5)完成。
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