Page 154 - 《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

最后，冲击波速度由相邻帧（或间隔若干帧）中冲击波半径变化量与时间间隔计算得到。定义冲击
波速度为：
n
1 ∑ r i,t+∆t −r i,t
v sf = (17)
n ∆t
i=1
n 为以爆心为原点沿 t 帧
式中： v sf 为冲击波传播速度； 360°方向选取的冲击波波阵面共有点数量； r i,t 为第
∆t 为相邻帧（或间隔若干帧）的时
图像中第 i 个共有点对应的冲击波半径； r i,t+∆t 为第 t +∆t 帧中对应半径；
∆t = 1/ f ）。
间间隔，由高速相机帧率换算得到（
3.2.2 超压值计算
采用 Rankine-Hugoniot 关系 [47] 计算冲击波超压。由该关系可得：
Å 2 ã
7p 0 v sf
p s = −1 (18)
6 c 2
v sf 的单位为 c = 340 m/s p s 为冲击波超
式中： m/s； c 为介质声速，试验在标准大气压条件下进行，本文取 ；
压峰值，单位为 kPa； p 0 为初始环境压强，单位为 kPa。

4 试验与评估

通过外场 TNT 爆炸试验，对本文提出方法的有效性与准确性展开测试和评估。试验在标准大气环
境下开展，环境温度为 26.5～29.0 ℃（平均值 27.7 ℃），大气压强为 101.2～101.5 kPa（平均值 101.3 kPa）。
4.1 冲击波提取算法性能评估
4.1.1 检测算法对比评估
试验的量化评估结果如表 1 所示。总体而言，本文提出的 SAW-VF 方法表现最好。与互相关法
（cross-correlation method，CCM）相比，其平均绝对误差（mean absolute error，MAE）降低约 40%（从
4.989 9 pixels 降至 1.553 6 pixels），均方误差（mean squared error，MSE）降低约 58%（由 26.243 0 pixels 降至
4.706 6 pixels）。与经典 Horn-Schunck 光流（Horn-Schunck optical flow，HS-OF）相比，SAW-VF 的 MAE 由
12.697 0 pixels 显著降至 1.553 6 pixels，MSE 由 184.196 1 pixels 降至 4.706 6 pixels。图 5 给出了不同方法
拟合曲线的像素误差分布，可以看出 SAW-VF 的误差曲线在全程均低于对比方法，说明其在整个波阵面
上的误差更均匀且整体水平更低。

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表 1 不同方法与 SAW-VF 的评价指标对比 FB-OF
14 FDM
Table 1 Comparison of evaluation metrics CCM
12
for different methods HS-OF
Error/pixels 8
方法 平均绝对误差/pixels 均方误差/pixels 10 SWA VF
FDM 5.827 1 35.147 5
CCM 4.989 9 26.243 0 6
4
FB-OF 9.355 6 104.790 0
2
HS-OF 12.697 0 184.196 1
0
SWA-VF 1.553 6 4.706 6 25 50 75 100 125 150 175 200 225
The positions of the wavefront/pixels
图 5 不同方法拟合曲线的像素误差曲线
Fig. 5 Pixel error curves of fitted wavefronts
using different methods

从各方法处理结果的可视化对比（图 6～8）可见，在背景复杂或图像质量不佳的条件下，其余方法均
不同程度暴露出缺陷。帧差法（frame difference method，FDM）和 CCM 得到的波阵面掩膜出现不连续，影

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