Page 147 - 《爆炸与冲击》2026年第6期

第 46 卷 第 6 期 爆 炸 与 冲 击 Vol. 46, No. 6
2026 年 6 月 EXPLOSION AND SHOCK WAVES Jun., 2026

DOI：10.11883/bzycj-2025-0269

基于结构感知变分光流法的 BOS 冲击波

超压非接触式测量 *

周志刚 ，王长利 ，吴郑浩 ，肖昌炎 ，柯 明 ，张 鑫 ，钱秉文 2
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（1. 湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082；
2. 西北核技术研究所，陕西 西安 710024）
摘要： 背景纹影（background-oriented schlieren，BOS）技术因其非接触与高时空分辨率的优势，已成为爆炸力学外
场试验的重要测量手段，但受强光干扰、产物散射及冲击波信号微弱且形态复杂等因素影响，BOS 图像中波阵面的自
动精确提取十分困难。为此，提出了一种结构感知加权变分光流方法（structure-aware weighted variational optical flow，
SAW-VF），用于对冲击波的高速瞬态位移场进行鲁棒量化，其核心是最小化一个针对性构建的能量泛函：首先，在数据
保真项中融合一阶光度与二阶 Hessian 矩阵不变性约束，从而显著增强对冲击波线状局部几何特征的敏感性；其次，引
入由归一化互相关（normalized cross-correlation，NCC）驱动的空间自适应加权机制，能够动态抑制严重畸变区域对估计
结果的负面影响；然后，采用受佩罗娜-马利克（Perona-Malik）扩散启发的各向异性正则项，以有效保护冲击波锋锐的运
动边界。为了以应对大位移运动，整个优化过程嵌入由粗至精的高斯金字塔框架中。在此基础上，进一步构建了物理
模型驱动的波阵面拟合方法，通过最大内点集优化与冲击波动力学约束精确提取波阵面。最终，通过基于几何标定与
时间序列估计冲击波半径及传播速度，结合兰金-雨贡纽（Rankine-Hugoniot）理论实现非接触式超压定量测量。在 TNT
爆炸试验中，该方法测量结果与压力传感器数据的相对误差为 0.93%～9.85%，验证了其在冲击波非侵入式超压测量中
的有效性与准确性。
关键词： 背景纹影；冲击波；变分光流；超压测量；波阵面提取；非接触式测量
中图分类号： O348.1 国标学科代码： 13015 文献标志码： A

Non-contact measurement of BOS shock wave overpressure
based on structure-aware variational optical flow method

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ZHOU Zhigang , WANG Changli , WU Zhenghao , XIAO Changyan , KE Ming ,
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ZHANG Xin , QIAN Bingwen 2
（1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan, China;
2. Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, Shaanxi, China）
Abstract: Background-oriented schlieren (BOS) imaging, owing to its non-contact nature and high spatiotemporal resolution,
has become an important measurement technique in field experiments of explosion mechanics. However, due to strong
illumination interference, scattering from detonation products, and the inherently weak and morphologically complex
shockwave signature, automatic and accurate extraction of the shock front from BOS images remains highly challenging. To
address this issue, we propose a structure-aware weighted variational optical flow method (SAW-VF) for robust quantification
of the high-speed transient displacement field of shockwaves. The proposed approach minimizes a purpose-designed energy
functional. Specifically, the data fidelity term combines a first-order photometric constraint with a second-order Hessian-
invariance constraint, substantially enhancing sensitivity to the local line-like geometric features of shock fronts. In addition, a

* 收稿日期： 2025-08-18；修回日期： 2025-10-23
第一作者： 周志刚（2000－ ），男，博士研究生，zhigangzhou@hnu.edu.cn
通信作者： 王长利（1980－ ），男，博士研究生，研究员，wangchangli@nint.ac.cn

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