Page 149 - 《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

其应用于浮力流纹影图像的运动估计任务中。Suter 等 [34] 简化一族矢量样条函数构建新平滑约束，以适
配流体运动的散度与旋转特性，提升模型对这类复杂运动的处理能力。Corpetti 等 [35] 进一步将其提出的
二阶散度-旋度平滑约束与光流核心的亮度连续性方程结合，构建改进型光流算法，以增强对非刚体流场
运动的估计精度。尽管如此，爆炸 BOS 成像的光学方程通常涉及折射率的二阶导数，且爆炸环境中折射
率与流场具有强时空非平稳性，使得运动估计模型的优化更具挑战；针对爆炸 BOS 图像的专用光流算法
与系统化研究仍较为不足。
外场环境下，基于 BOS 的爆炸冲击波提取面临多重挑战：爆炸产物与强光干扰致图像质量下降及
特征提取难、波阵面强度微弱且快速衰减而辨识难、冲击波高速大位移引发帧间像素显著偏移。面对此
类挑战，Farnebäck [36] 、Zach 等 [37] 、Brox 等 [38] 采用常规光流算法的局限性凸显，难以满足实际需求。一方
面，这些方法难以适应爆炸场景的剧烈动态特性，无法稳定捕捉高速模糊的冲击波细窄结构；另一方面，
由于缺乏对冲击波物理传播特性的有效约束，误差易累积并导致估计偏移 [28-29] 。此外，现有研究多聚焦
冲击波可视化分析 [35-37] ，在 BOS 光学测量数据与冲击波物理模型结合、利用其传播规律优化测量结果上
存在明显不足，从而进一步表明通用光流算法难以直接解决该领域问题。
为解决上述问题，本文提出结构感知加权变分光流方法（structure-aware weighted variational optical
flow, SAW-VF）。该方法以变分能量优化为主线，将对线状结构敏感的高阶约束与自适应置信加权融入
数据项，并配合边界保持的各向异性正则与多尺度金字塔求解策略，以获得鲁棒的高速瞬态位移场。基
于估计结果，进一步构建物理模型驱动的波阵面拟合方法以实现稳健拟合，并结合几何标定、时间序列
信息及兰金-雨贡纽（Rankine-Hugoniot）关系，实现冲击波半径、传播速度与超压的非接触式定量反演。

1 外场冲击波图像的采集

1.1 BOS 光学测量
BOS 是一种非侵入式光学测量方法，其基本原理是光线在非均匀介质中受折射率梯度影响发生偏折，
从而在成像平面上表现为背景纹理的局部形变；通过对这种形变进行分析，可间接表征流场的折射率梯
度及相应的密度梯度变化 [39] 。在爆炸冲击波研究中，冲击波前缘伴随剧烈的密度梯度，使光线传播路径
显著改变。BOS 技术能够有效捕捉由此产生的背景畸变，实现对冲击波动态过程的可视化与定量表征。
实际应用中通常布设高对比度背景图案，获取冲击波作用前后的参考图像与变形图像，并借助数字
图像处理方法（如光流估计、图像差分、互相关等）计算像素位移场，进而反演得到折射率梯度或密度梯
度等流场信息 [40] 。若需进一步将测得的位移与密度信息与压力等流场参数建立联系，可参考相关流体
动力学理论基础与控制方程 [41] 。相较于传统纹影和阴影系统，BOS 对光学元件要求更低、试验布置更灵
活，可在较低环境约束下实现大视场二维全场测量，因而适用于外场爆炸冲击波参数的测量。
1.2 系统组成

外场爆炸冲击波背景纹影成像系统由背景
图 案 板 、 高 速 相 机 和 触 发 控 制 系 统 三 部 分 组
成。首先，为获得具有足够纹理对比度的背景以
提升 BOS 畸变可视化与位移解析精度，系统选
Explosion center
用条纹间距为 5 cm 的斜条纹背景板作为成像背
景；该参数经预实验确定，可增强光线折射引起
Pressure sensors
的波阵面畸变可视化效果（图 1）。Ippen 等 [42] 对
棋盘格、三角形、横条纹和竖条纹等多种背景图
案的冲击波成像效果进行了对比，验证了斜条纹
背景在成像表现上的优势。其次，高速成像部分 图 1 斜条纹背景板
采用 Phantom V2021 高速相机，用于捕捉冲击波 Fig. 1 Diagonal-striped background target

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