CN113624647B - 一种室内土壤爆炸扬尘测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种室内土壤爆炸扬尘测试系统，属于爆炸测试技术领域。系统包括爆炸洞、爆炸子系统、闪光X射线子系统、高速摄像子系统、激光传输特性测试子系统和触发装置。爆炸洞为内外双层结构；爆炸子系统设置在爆炸洞的内层，用于产生土壤爆炸扬尘；闪光X射线子系统可捕捉爆炸早期特定时刻的土壤爆炸扬尘图像；高速摄像子系统可摄录土壤爆炸扬尘扩散过程；激光传输特性测试子系统可采集和存储激光在土壤爆炸扬尘环境中的回波数据；触发装置可实现各子系统的同时触发。本发明既能摄录土壤爆炸扬尘的扩散过程，又能获得激光在土壤爆炸扬尘环境中的回波数据，试验环境条件可控，试验安全、成本低。
Description
技术领域
本发明属于爆炸测试技术领域，尤其是涉及一种室内土壤爆炸扬尘测试系统。
背景技术
近程激光探测系统具有定距精度高、方向性好、保密性强、抗电磁干扰性好、灵敏度高、安全可靠等优点，已应用于多种武器系统中。在对地作战过程中，土壤爆炸引起的扬尘对激光具有较强的散射和吸收作用，会严重影响近程激光探测系统的识别能力，大幅度降低其探测的准确性。因此，研究土壤爆炸扬尘的扩散规律和激光在土壤爆炸扬尘中的传输特性对实现目标的精准识别和高效毁伤具有重要意义。
近年来，国内外研究人员针对土壤爆炸进行了大量研究，但针对土壤爆炸扬尘的研究较少,仍存在一些不足之处。一是，现有土壤爆炸试验主要关注土壤爆炸成腔、爆炸冲击波、爆炸对地面上人和建筑物的毁伤作用，很少关注土壤爆炸扬尘在空气中的具体扩散情况，更少有人实测激光在土壤爆炸扬尘环境中的传输特性。二是，针对激光在扬尘环境中的传输特性研究较少，研究主要聚焦在车辆行驶扬尘方面，针对土壤爆炸扬尘方面的研究几乎空白，且针对激光在扬尘环境中的传输特性研究多为建模仿真研究，缺乏试验验证。三是，外场土壤爆炸扬尘试验具有环境条件不可控、可重复性差、危险性高、费用高、测试困难等缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种室内土壤爆炸扬尘测试系统，该系统既能摄录土壤爆炸扬尘的扩散过程，又能获得激光在土壤爆炸扬尘环境中的回波数据，试验环境条件可控，试验安全、成本低。
一种室内土壤爆炸扬尘测试系统，该系统包括爆炸洞、爆炸子系统、闪光X射线子系统、高速摄像子系统、激光传输特性测试子系统和触发装置；
所述爆炸洞为内外双层结构；
所述爆炸子系统用于产生特定土壤类型、特定埋深和特定药量条件下的土壤爆炸扬尘，爆炸子系统放置于爆炸洞的内层；
所述闪光X射线子系统能够穿透火光和烟雾，清晰地捕捉爆炸早期特定时刻的土壤爆炸扬尘图像；
所述高速摄像子系统用于摄录爆炸子系统的土壤爆炸扬尘的扩散过程，并可标定土壤爆炸扬尘的轮廓尺寸；
所述激光传输特性测试子系统用于采集和存储激光在土壤爆炸扬尘环境中的回波数据，并能够设置采集和存储回波数据的开始时间和延时关闭时间，激光传输特性测试子系统放置于爆炸洞的内层；
所述触发装置用于实现爆炸子系统、闪光X射线子系统、高速摄像子系统和激光传输特性测试子系统的同时触发。
进一步地，所述室内土壤爆炸扬尘测试系统还包括温湿度计，所述温湿度计用于监测爆炸洞内层的温度和湿度。
进一步地，所述爆炸洞的内层为圆柱形侧壁加半球形顶盖，顶盖上装有通风系统，通风系统开关位于爆炸洞外层，圆柱形侧壁顶部径向处有一横梁，圆柱形侧壁在距离地面相同高度处有三处安有钢制防护装置的孔洞，其中孔洞A和孔洞B中心的法向量的夹角为锐角，另一处孔洞C中心的法向量垂直于该锐角的角平分线，圆柱形侧壁底部开有线缆口，圆柱形侧壁一侧装有钢质防爆门，炸药起爆时所有人员撤离到爆炸洞外层并关闭钢制防爆门。
进一步地，所述爆炸子系统包括钢桶、土壤、炸药和电雷管；所述钢桶为圆柱形，底部焊有钢板，在其外表面焊有两个呈对称分布的把手，钢桶放置于爆炸洞内层地面中心处，土壤装于钢桶内；炸药和电雷管使用压敏胶带相连后以一定埋深埋入土壤内，且二者的轴心线均与钢桶轴心线重合，电雷管的线缆经爆炸洞内层的圆柱形侧壁底部线缆口与放置于爆炸洞外层的触发装置相连。
进一步地，所述闪光X射线子系统包括X光机控制柜、两个高压脉冲发生器、两个X射线管和两个装有成像板的底片盒；X光机控制柜、高压脉冲发生器和X射线管放置于爆炸洞外层，底片盒放置于爆炸洞内层；X光机控制柜与高压脉冲发生器相连，高压脉冲发生器与X射线管采用高压电缆相连；两个X射线管分别放置于爆炸洞内层圆柱形侧壁上的孔洞A和孔洞B处，两个X射线管位于同一高度，其轴心均与爆炸洞内层的圆柱形侧壁的轴心线垂直且相交；两个底片盒分别垂直于两个X射线管的轴线，且到X射线管的距离相等；X射线管和底片盒分别放置于爆炸子系统的两侧。
进一步地，所述高速摄像子系统包括计算机、水平高速摄像机、白色背景布、补光灯、垂直高速摄像机和白色PVC背景板；白色背景布为方形，在其四条边缘处分别标记有水平或竖直的刻度线；白色PVC背景板为圆形，在其两条相互垂直的直径上标记有刻度线，在其圆周边缘处标记有角度刻度线；计算机和水平高速摄像机放置于爆炸洞外层，垂直高速摄像机、补光灯、白色背景布和白色PVC背景板放置于爆炸洞内层；计算机分别与水平高速摄像机和垂直高速摄像机相连；水平高速摄像机位于爆炸洞内层圆柱形侧壁上的孔洞C处；白色背景布平铺于与水平高速摄像机镜头正对的爆炸洞内层圆柱形侧壁上，其底边平行于爆炸洞内层的地面；两个补光灯对称放置于孔洞C的两侧，使光线均匀辐照到白色背景布上；垂直高速摄像机固定在爆炸洞内层的横梁上，其镜头正对爆炸子系统，且镜头轴心线与钢桶轴心线重合；白色PVC背景板平铺于钢桶下方的水平地面上，其中心与爆炸洞内层圆柱形侧壁轴心重合。
进一步地，所述激光传输特性测试子系统包括激光发射模块、激光接收模块、回波采集存储模块和智能开关模块；所述激光发射模块根据回波采集存储模块发出的触发脉冲发射特定重频和脉宽的脉冲激光；所述激光接收模块将接收到的经扬尘衰减后的激光转换为电信号并放大；所述回波采集存储模块向激光发射模块发射触发脉冲以控制激光发射模块发射特定重频和脉宽的脉冲激光，采集存储激光接收模块接收到的激光在扬尘环境中的回波数据；所述智能开关模块用于设置回波采集存储模块的触发方式、延时触发时间和延时关闭时间；所述激光传输特性测试子系统放置于爆炸洞内层圆柱形侧壁墙根处，位于孔洞A和孔洞B的中间；激光发射模块和激光接收模块正对爆炸子系统的轴心线，智能开关模块与回波采集存储模块相连，回波采集存储模块与激光发射模块相连，激光接收模块与回波采集存储模块相连。
进一步地，所述触发装置放置于爆炸洞外层，触发装置同时与爆炸子系统的电雷管、闪光X射线子系统的X光机控制柜、高速摄像子系统的计算机和激光传输特性测试子系统的智能开关模块相连，能同时触发爆炸子系统、闪光X射线子系统、高速摄像子系统和激光传输特性测试子系统工作。
有益效果：
1、本发明提供了一种室内土壤爆炸扬尘测试系统，其闪光X射线子系统可采集爆炸早期特定时刻的土壤爆炸扬尘图像，高速摄像子系统可摄录土壤爆炸扬尘的扩散过程，激光传输特性测试子系统可通过采集和存储的激光在土壤爆炸扬尘中的回波数据来分析激光的传输特性，整个土壤爆炸扬尘试验在爆炸洞内进行，试验条件可控，试验可重复性强，安全性高，测试容易。
2、本发明的爆炸洞可使土壤爆炸扬尘试验全程在室内进行，试验不受外界环境和气候的干扰，可进行小当量炸药的土壤爆炸扬尘试验，成本低；爆炸洞分内外两层，使部分试验设备与爆炸环境隔离，在一定程度上保证试验设备和试验人员安全；爆炸洞内层的通风系统可快速净化试验后爆炸洞内层中的空气；内层圆柱形侧壁上的三个孔洞为放置于爆炸洞外层的X射线管和水平高速摄像机提供视窗，且其位置关系可避免X射线管和水平高速摄像机之间视场的相互干扰，以尽可能地采集到完整的土壤爆炸扬尘扩散图像。
3、本发明的爆炸子系统用于产生土壤爆炸扬尘，其圆柱形钢桶可使钢桶对土壤的作用力在径向上保持一致，钢桶外表面的把手可使其方便移动，将炸药和电雷管放置于钢桶轴心线处可使产生的土壤爆炸扬尘尽可能的呈对称分布。
4、本发明的闪光X射线子系统的X光机控制柜、高压脉冲发生器和X射线管放置于爆炸洞外层，可避免爆炸洞内层的炸药爆炸对其造成的设备损伤。
5、本发明的高速摄像子系统采用了白色背景布和白色PVC背景板，平铺于爆炸洞内层圆柱形侧壁上的白色背景布和平铺于钢桶下方的水平地面上的白色PVC背景板可以提供单一图像背景，便于后续对土壤爆炸扬尘图像进行处理，白色背景布和白色PVC背景板上面的刻度线可用于标定土壤爆炸扬尘的轮廓尺寸。
6、本发明的激光传输特性测试子系统放置于爆炸洞内层圆柱形侧壁墙根处，位于孔洞A和孔洞B的中间，可尽可能的避免其与X射线管、水平高速摄像机和垂直高速摄像机之间视场的相互干扰，以尽可能地采集到完整的土壤爆炸扬尘图像；激光发射模块用于发射特定重频和脉宽的脉冲激光；激光接收模块用于将接收到的经扬尘衰减后的激光转换为电信号并放大；回波采集存储模块用于向激光发射模块发射触发脉冲和采集存储激光在扬尘环境中的回波数据；智能开关模块用于设置回波采集存储模块的触发方式、延时触发时间和延时关闭时间，以尽可能地采集所需时段的回波数据，有效缩短读取回波数据的时间。
7、本发明的触发装置可同时触发爆炸子系统、闪光X射线子系统、高速摄像子系统和激光传输特性测试子系统，使它们的时间序列保持一致；温湿度计可监测试验时的温度和湿度，以用于分析温度和湿度对激光传输特性的影响。
附图说明
图1是本发明的室内土壤爆炸扬尘测试系统结构示意图。
图2是本发明的爆炸子系统结构示意图。
图3是本发明的室内土壤爆炸扬尘测试系统的工作原理框图。
其中：1.爆炸洞、2.爆炸洞内层、3.白色背景布、4.高压脉冲发生器、5.X射线管、6.孔洞A、7.激光传输特性测试子系统、8.孔洞B、9.X光机控制柜、10.触发装置、11.通风系统开关、12.计算机、13.水平高速摄像机、14.孔洞C、15.补光灯、16.钢质防爆门、17.底片盒、18.垂直高速摄像机、19.爆炸子系统、20.白色PVC背景板、21.温湿度计、22.土壤、23.电雷管、24.炸药、25.钢桶、26.闪光X射线子系统、27.高速摄像子系统、28.智能开关模块、29.回波采集存储模块、30.激光发射模块、31.激光接收模块、32.土壤爆炸扬尘。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1和附图2所示，本发明提供了一种室内土壤爆炸扬尘测试系统，该系统由爆炸洞1、爆炸子系统19、闪光X射线子系统26、高速摄像子系统27、激光传输特性测试子系统7、触发装置10和温湿度计21组成。
其中，爆炸子系统19包括钢桶25、土壤22、炸药24和电雷管23，钢桶25放置于爆炸洞内层2地面中心处，土壤22装于钢桶25内，炸药24和电雷管23使用压敏胶带相连后以一定埋深埋入土壤22内，且二者的轴心线均与钢桶25轴心线重合。
闪光X射线子系统26包括X光机控制柜9、两个高压脉冲发生器4、两个X射线管5和两个装有成像板的底片盒17；X光机控制柜9、高压脉冲发生器4和X射线管5放置于爆炸洞1外层，底片盒17放置于爆炸洞内层2；X光机控制柜9与高压脉冲发生器4相连，高压脉冲发生器4与X射线管5采用高压电缆相连；两个X射线管5分别放置于爆炸洞内层2圆柱形侧壁上的孔洞A 6和孔洞B 8处，两个X射线管5位于同一高度，其轴心均与爆炸洞内层2的圆柱形侧壁的轴心线垂直且相交；两个底片盒17分别垂直于两个X射线管5的轴线，且到X射线管5的距离相等；X射线管5和底片盒17分别放置于爆炸子系统19的两侧。
高速摄像子系统27包括计算机12、水平高速摄像机13、白色背景布3、补光灯15、垂直高速摄像机18和白色PVC背景板20；计算机12和水平高速摄像机13放置于爆炸洞1外层，垂直高速摄像机18、补光灯15、白色背景布3和白色PVC背景板20放置于爆炸洞内层2；计算机12分别与水平高速摄像机13和垂直高速摄像机18相连；水平高速摄像机13位于爆炸洞内层2圆柱形侧壁上的孔洞C14处；白色背景布3平铺于与水平高速摄像机13镜头正对的爆炸洞内层2圆柱形侧壁上，其底边平行于爆炸洞内层2的地面；两个补光灯15对称放置于孔洞C14的两侧，使光线均匀辐照到白色背景布3上；垂直高速摄像机18固定在爆炸洞内层2的横梁上，其镜头正对爆炸子系统19，且镜头轴心线与钢桶25轴心线重合；白色PVC背景板20平铺于钢桶25下方的水平地面上，其中心与爆炸洞内层2圆柱形侧壁轴心重合。
激光传输特性测试子系统7包括激光发射模块30、激光接收模块31、回波采集存储模块29和智能开关模块28，激光传输特性测试子系统7放置于爆炸洞内层2圆柱形侧壁墙根处，位于孔洞A 6和孔洞B 8的中间，激光发射模块30和激光接收模块31正对爆炸子系统19的轴心线，智能开关模块28与回波采集存储模块29相连，回波采集存储模块29与激光发射模块30相连，激光接收模块31与回波采集存储模块29相连。
触发装置10放置于爆炸洞1外层，触发装置10同时与爆炸子系统19的电雷管23、闪光X射线子系统26的X光机控制柜9、高速摄像子系统27的计算机12和激光传输特性测试子系统7的智能开关模块28相连。
温湿度计21放置于爆炸洞内层2。
起爆前的准备工作如下：
首先，打开X光机控制柜9设置每个高压脉冲发生器4的输出电压和高压脉冲发生器4的高压脉冲输出时间(即与触发信号的时间间隔)。
其次，打开计算机12中的高速摄像机配套软件设置水平高速摄像机13和垂直高速摄像机18的拍摄速度，并将两个高速摄像机的摄录触发方式设置为脉冲触发模式；打开两个补光灯15，微调两个高速摄像机的镜头，使两个高速摄像机能摄录到合适的视场和清晰的图像。
然后，将设置好脉冲激光发射重频和脉宽的程序烧录进激光传输特性测试子系统7的回波采集存储模块29，并启动该子系统，设置智能开关模块28的触发方式为脉冲触发，同时设置回波采集存储模块29的延时触发时间和延时关闭时间。
之后，记录温湿度计21的温度和湿度。
最后，将电雷管23的线缆经爆炸洞内层2的圆柱形侧壁底部线缆口与爆炸洞1外层的触发装置10相连，所有人员撤离爆炸洞内层2，关闭爆炸洞内层2的钢质防爆门16。
如附图3所示，起爆时，土壤爆炸扬尘测试系统的工作原理如下：
当启动触发装置10时，触发装置10发出脉冲触发信号，并将脉冲触发信号同时传递给爆炸子系统19的电雷管23、闪光X射线子系统26的X光机控制柜9、高速摄像子系统27的计算机12和激光传输特性测试子系统7的智能开关模块28。
脉冲触发信号传递给电雷管23后，电雷管23起爆，炸药24爆炸使土壤22喷射出钢桶25外形成土壤爆炸扬尘32。
脉冲触发信号传递给X光机控制柜9后，经过设定延迟时间，高压脉冲发生器4产生一个极短的高压脉冲，该高压脉冲经高压电缆传输加载到X射线管5上，X射线管5辐射出曝光时间极短、能量很强的X射线，X射线通过土壤爆炸扬尘32等目标后照射到底片盒17上，在底片盒17的成像板上形成土壤爆炸扬尘32的图像，试验结束后可使用扫描仪将成像板上的图像扫描进计算机12保存。
脉冲触发信号传递给计算机12后，自动触发水平高速摄像机13和垂直高速摄像机18开始摄录工作，土壤爆炸扬尘32扩散结束后，关闭摄录并保存摄录图像或视频到计算机12。
脉冲触发信号传递给智能开关模块28后，经过设定延时触发时间，回波采集存储模块29发射脉冲激光触发脉冲，激光发射模块30接收到脉冲激光触发脉冲后以设定的重频和脉宽发射脉冲激光，脉冲激光经土壤爆炸扬尘32衰减后被激光接收模块31接收，并将回波数据传递给回波采集存储模块29进行数据处理和存储。
土壤爆炸扬尘32扩散结束后，按下爆炸洞1外层墙壁上通风系统开关11以打开爆炸洞内层2的通风系统，净化爆炸洞内层2的空气，等空气净化结束后，关闭所有设备。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种室内土壤爆炸扬尘测试系统，其特征在于，系统包括爆炸洞、爆炸子系统、闪光X射线子系统、高速摄像子系统、激光传输特性测试子系统和触发装置；
所述爆炸洞为内外双层结构；
所述爆炸子系统用于产生特定土壤类型、特定埋深和特定药量条件下的土壤爆炸扬尘，爆炸子系统放置于爆炸洞的内层；
所述闪光X射线子系统能够穿透火光和烟雾，清晰地捕捉爆炸早期特定时刻的土壤爆炸扬尘图像；
所述高速摄像子系统用于摄录爆炸子系统的土壤爆炸扬尘的扩散过程，并标定土壤爆炸扬尘的轮廓尺寸；
所述激光传输特性测试子系统采集和存储激光在土壤爆炸扬尘环境中的回波数据，并能够设置采集和存储回波数据的开始时间和延时关闭时间；
所述触发装置用于实现爆炸子系统、闪光X射线子系统、高速摄像子系统和激光传输特性测试子系统的同时触发；
所述闪光X射线子系统包括X光机控制柜、两个高压脉冲发生器、两个X射线管和两个装有成像板的底片盒；X光机控制柜、高压脉冲发生器和X射线管放置于爆炸洞外层，底片盒放置于爆炸洞内层；
所述高速摄像子系统包括计算机、水平高速摄像机、白色背景布、补光灯、垂直高速摄像机和白色PVC背景板；所述计算机和水平高速摄像机放置于爆炸洞外层，垂直高速摄像机、补光灯、白色背景布和白色PVC背景板放置于爆炸洞内层；
所述激光传输特性测试子系统放置于爆炸洞内层圆柱形侧壁墙根处；
所述触发装置放置于爆炸洞外层。
2.如权利要求1所述的室内土壤爆炸扬尘测试系统，其特征在于，所述室内土壤爆炸扬尘测试系统还包括温湿度计，所述温湿度计用于监测爆炸洞内层的温度和湿度。
3.如权利要求1所述的室内土壤爆炸扬尘测试系统，其特征在于，所述爆炸洞的内层为圆柱形侧壁加半球形顶盖，顶盖上装有通风系统，通风系统开关位于爆炸洞外层，圆柱形侧壁顶部径向处有一横梁，圆柱形侧壁在距离地面相同高度处有三处安有钢制防护装置的孔洞，其中孔洞A和孔洞B中心的法向量的夹角为锐角，另一处孔洞C中心的法向量垂直于该锐角的角平分线，圆柱形侧壁底部开有线缆口，圆柱形侧壁一侧装有钢质防爆门，炸药起爆时所有人员撤离到爆炸洞外层并关闭钢制防爆门。
4.如权利要求3所述的室内土壤爆炸扬尘测试系统，其特征在于，所述爆炸子系统包括钢桶、土壤、炸药和电雷管；所述钢桶为圆柱形，底部焊有钢板，在其外表面焊有两个呈对称分布的把手，钢桶放置于爆炸洞内层地面中心处，土壤装于钢桶内；炸药和电雷管使用压敏胶带相连后以一定埋深埋入土壤内，且二者的轴心线均与钢桶轴心线重合，电雷管的线缆经爆炸洞内层的圆柱形侧壁底部线缆口与放置于爆炸洞外层的触发装置相连。
5.如权利要求4所述的室内土壤爆炸扬尘测试系统，其特征在于，所述X光机控制柜与高压脉冲发生器相连，高压脉冲发生器与X射线管采用高压电缆相连；两个X射线管分别放置于爆炸洞内层圆柱形侧壁上的孔洞A和孔洞B处，两个X射线管位于同一高度，其轴心均与爆炸洞内层的圆柱形侧壁的轴心线垂直且相交；两个底片盒分别垂直于两个X射线管的轴线，且到X射线管的距离相等；X射线管和底片盒分别放置于爆炸子系统的两侧。
6.如权利要求5所述的室内土壤爆炸扬尘测试系统，其特征在于，所述白色背景布为方形，在其四条边缘处分别标记有水平或竖直的刻度线；白色PVC背景板为圆形，在其两条相互垂直的直径上标记有刻度线，在其圆周边缘处标记有角度刻度线；计算机分别与水平高速摄像机和垂直高速摄像机相连；水平高速摄像机位于爆炸洞内层圆柱形侧壁上的孔洞C处；白色背景布平铺于与水平高速摄像机镜头正对的爆炸洞内层圆柱形侧壁上，其底边平行于爆炸洞内层的地面；两个补光灯对称放置于孔洞C的两侧，使光线均匀辐照到白色背景布上；垂直高速摄像机固定在爆炸洞内层的横梁上，其镜头正对爆炸子系统，且镜头轴心线与钢桶轴心线重合；白色PVC背景板平铺于钢桶下方的水平地面上，其中心与爆炸洞内层圆柱形侧壁轴心重合。
7.如权利要求6所述的室内土壤爆炸扬尘测试系统，其特征在于，所述激光传输特性测试子系统包括激光发射模块、激光接收模块、回波采集存储模块和智能开关模块；
所述激光发射模块根据回波采集存储模块发出的触发脉冲发射特定重频和脉宽的脉冲激光；
所述激光接收模块将接收到的经扬尘衰减后的激光转换为电信号并放大；
所述回波采集存储模块向激光发射模块发射触发脉冲以控制激光发射模块发射特定重频和脉宽的脉冲激光，采集存储激光接收模块接收到的激光在扬尘环境中的回波数据；
所述智能开关模块用于设置回波采集存储模块的触发方式、延时触发时间和延时关闭时间；
所述激光传输特性测试子系统位于孔洞A和孔洞B的中间；激光发射模块和激光接收模块正对爆炸子系统的轴心线，智能开关模块与回波采集存储模块相连，回波采集存储模块与激光发射模块相连，激光接收模块与回波采集存储模块相连。
8.如权利要求7所述的室内土壤爆炸扬尘测试系统，其特征在于，所述触发装置同时与爆炸子系统的电雷管、闪光X射线子系统的X光机控制柜、高速摄像子系统的计算机和激光传输特性测试子系统的智能开关模块相连，能同时触发爆炸子系统、闪光X射线子系统、高速摄像子系统和激光传输特性测试子系统工作。
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