Page 148 - 《爆炸与冲击》2026年第6期

第 46 卷 周志刚，等： 基于结构感知变分光流法的BOS冲击波超压非接触式测量 第 6 期

spatially adaptive weighting mechanism driven by normalized cross-correlation (NCC) is introduced to dynamically suppress
the adverse influence of severely distorted regions on the estimation. Moreover, an anisotropic regularization term inspired by
Perona-Malik diffusion is employed to effectively preserve the sharp motion boundaries of the shock front. To cope with large
displacements, the optimization is embedded in a coarse-to-fine Gaussian pyramid framework. Building upon the estimated
displacement field, we further develop a physics model–driven shock-front fitting method, in which the shock front is
accurately extracted via maximum-inlier-set optimization coupled with shockwave dynamical constraints. Finally, the shock
radius and propagation velocity are estimated using geometric calibration and temporal information, and the overpressure is
quantitatively determined in a non-contact manner based on the Rankine-Hugoniot theory. In TNT explosion experiments, the
proposed method achieves a relative error of 0.93%−9.85% with respect to pressure sensor measurements, demonstrating its
effectiveness and accuracy for non-intrusive overpressure measurement of shockwaves.
Keywords: background-oriented schlieren; shock wave; variational optical flow; overpressure measurement; wavefront
extraction; non-contact measurement

爆炸冲击波超压测量是爆炸力学与实验流体力学领域的关键科学问题，其测量结果的准确可靠性
对于武器毁伤效能评估 [1-2] 、战斗部优化设计 [3-4] 以及防护工程建设 [5] 至关重要。传统接触式测量方法主
要依赖压力传感器阵列获取单点压力数据 [6-7] ，虽然能够实现局部高精度测量，但在实际爆炸环境中存在
显著局限性。首先，爆炸瞬间产生的高温、高压和强电磁干扰环境极易造成传感器损坏，从而导致数据
丢失；其次，离散布点方式难以完整捕捉冲击波阵面的全场动态演化特征；此外，复杂的预埋式布设方案
[8]
在多变爆炸场景中适应性较差 。这些技术瓶颈促使研究者不断探索更高效、更可靠的非接触式全场测
量方法。
光学测量技术凭借其非侵入性、高时空分辨率和全场可视化等优势，在冲击波研究中展现出巨大优
势 [9-10] 。近年来，基于高速相机的光学测量技术取得重要进展。Jaka 等 [11] 完成了等离子体冲击波参数的
定量测量；Li 等 [12] 实现了水下冲击波半径的精确估计；Bolton 等 [13] 深入分析了冲击波与湍流边界层的相
互作用机理；Zhang 等 [14] 和 Slangen 等 [15] 分别对管道内爆炸冲击波超压分布规律进行了系统研究；
Higham 等 [16] 和 Rigby 等 [17] 成功捕捉到爆轰产物火球的动态膨胀过程；Gomez 等 [18] 实现了冲击波波前超
压的直接测量。然而，现有研究集中于近场或封闭空间等特定小视场场景；对于开放空间的地面爆炸测
量，视场更大、背景干扰更复杂，冲击波成像与检测仍面临挑战。
背景纹影法 (background oriented schlieren, BOS) 作为光学测量技术的重要部分，通过定量分析背景
图像的畸变特征来可视化冲击波位置 [19-22] 。BOS 技术扩展了爆炸测试中可获得的定量信息。爆炸测试
[23]
中最常见的测量之一是跟踪冲击波位置随时间的变化，这可用于计算爆炸超压 。许多研究人员应用 BOS
技术来测量超压，并将其与爆炸相关性或标准值进行比较 [19,24-25] 。Hargather 等 [20] 通过大规模爆炸试验，
验证了基于 BOS 可视化冲击波传播计算的爆炸超压结果与压力计测量数据具有良好一致性；Venkatakrishnan
等 [26] 利用 BOS 技术对爆震管产生的小规模冲击波进行成像，展示了其在测量冲击波密度场方面的应用
[9]
前景；Winter 等 采用多相机 BOS 系统，实现了从爆炸中重建三维冲击波位置随时间的变化。Strebe 等 [27]
利用高分辨率相机获得整个爆炸压力场分布，与直接压力测量结果形成有效对比；然而，外场爆炸环境
中普遍存在的强光辐射、烟尘干扰及复杂湍流结构不可避免地会影响 BOS 成像质量，进而显著增加冲
击波波阵面提取难度，使冲击波测量面临较大挑战 [28-30] 。
一个有吸引力的解决方案是光流估计算法，通过分析连续图像序列中像素的运动矢量，捕捉流场的
动态变化特征。Horn 等 [31] 提出了基于两个约束的经典 HS（Horn-Schunck）光流模型，用以估计亮度模式
的表观速度。Martínez-Gonzalez 等 [32] 将 HS 光流方法用于平板加热条件下对流流场的 BOS 图像分析。
然而，湍流运动过程远比刚体运动复杂。HS 模型的亮度守恒忽略了光学设置和流体特性，平滑性约束
旨在保持刚体运动。因此，传统 HS 方法中的约束不适用于复杂 BOS 的流体运动。为了解决这一问题，

Fu 等 [33] 以速度方向平滑约束形式替代了原有的速度大小约束，并在此基础上构建了改进算法，最终将

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