劉 吉， 于麗霞， 張 斌， 趙冬娥， 劉小彥， 王恒飛

1. 中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051

2. 中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院， 山西 太原 030051

基于爆炸火光光譜分析的大當(dāng)量爆炸場(chǎng)破片速度測(cè)試方法研究

劉 吉1, 2， 于麗霞2， 張 斌2， 趙冬娥1， 劉小彥1， 王恒飛1

1. 中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051

2. 中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院， 山西 太原 030051

為了解決戰(zhàn)斗部爆炸過(guò)程中， 因爆炸物當(dāng)量較大造成爆燃火球持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)， 覆蓋面積大， 近場(chǎng)位置破片速度參數(shù)難于獲取的問(wèn)題， 提出一種以激光光幕為有效傳感區(qū)域的光電收發(fā)一體的測(cè)試方法。 通過(guò)分析三種不同類型戰(zhàn)斗部爆炸火光特征光譜分布可知， 在0.3～1.0 μm波段內(nèi)火光相對(duì)光強(qiáng)度較低。 以此為依據(jù)， 采用定距測(cè)時(shí)原理和原向反射技術(shù)， 由固體激光器、 菲涅爾透鏡、 窄帶濾光器、 高速光電傳感器等關(guān)鍵光學(xué)元件構(gòu)建破片速度參數(shù)獲取的光學(xué)系統(tǒng)。 系統(tǒng)光路收發(fā)一體， 結(jié)構(gòu)緊湊， 窄帶濾光片與激光光源配合使用避開(kāi)火光光譜， 有效抑制背景光的干擾。 采用該系統(tǒng)進(jìn)行了不同型號(hào)、 當(dāng)量的戰(zhàn)斗部靜爆破片速度參數(shù)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)， 通過(guò)美國(guó)NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪和識(shí)別， 成功獲取了較高信噪比的波形信號(hào)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 本方案可完成爆心10～15 m附近破片速度的準(zhǔn)確測(cè)試， 最小可測(cè)破片尺寸為4 mm， 獲取破片速度可達(dá)1 200 m·s-1， 與靶板測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知捕獲率優(yōu)于95%。 由于采用菲涅爾透鏡形成矩形光幕， 光幕上下的光強(qiáng)分布一致， 水平方向光強(qiáng)均勻度達(dá)到80%以上， 因此系統(tǒng)還可初步區(qū)分預(yù)制破片速度與尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

爆炸； 戰(zhàn)斗部； 破片速度； 激光光幕

引 言

破片的速度是衡量戰(zhàn)斗部殺傷效能的重要指標(biāo)之一。 目前文獻(xiàn)報(bào)道的測(cè)試手段如網(wǎng)靶、 梳狀靶等方法存在測(cè)試過(guò)程繁瑣、 測(cè)試精度不高、 重復(fù)性差等諸多不足[1-3]。 采用激光光幕為核心傳感區(qū)的破片速度測(cè)試系統(tǒng)具有精度高、 重復(fù)性好、 全天候等優(yōu)點(diǎn)， 成為戰(zhàn)斗部爆炸場(chǎng)破片速度測(cè)試的主要方法之一[4-5]。 在大當(dāng)量爆炸爆轟過(guò)程中常常伴隨高溫、 高壓、 強(qiáng)火光干擾因素， 尤其是爆炸中心半徑周圍， 分散的破片包裹于爆炸火球內(nèi)部。 此時(shí)， 采用一般光電檢測(cè)的手段捕捉火球內(nèi)部高速運(yùn)動(dòng)的破片具有更高的技術(shù)難度。 目前， 相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道了通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真的方法， 模擬不同結(jié)構(gòu)和不同當(dāng)量戰(zhàn)斗部破片在各個(gè)時(shí)刻的速度[6-7]。 或者根據(jù)測(cè)試場(chǎng)地的氣象條件以及破片的形狀、 材料和遠(yuǎn)場(chǎng)處的存速， 反演出破片在炸心近處的速度[8-9]。 仿真和反演的方法都不能從真正意義上評(píng)價(jià)待測(cè)對(duì)象的真實(shí)性能， 因此， 必須尋求一種更好的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法。

本研究在分析幾種爆炸物光譜成份的基礎(chǔ)上， 提出一種大當(dāng)量爆炸場(chǎng)內(nèi)破片速度參數(shù)獲取的優(yōu)化方法， 并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí)了該方法的有效性。

1 測(cè)試系統(tǒng)原理

1.1 爆炸火光光譜分析

戰(zhàn)斗部靜爆過(guò)程為含能材料爆燃轉(zhuǎn)爆轟的瞬態(tài)過(guò)程， 當(dāng)爆炸物的爆炸當(dāng)量較大時(shí)， 產(chǎn)生爆燃火球持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)， 覆蓋面積大。 光電探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于對(duì)爆炸火光的光譜成份分析， 圖1是對(duì)三種不同類型戰(zhàn)斗部靜爆實(shí)驗(yàn)中獲取的光譜曲線。 Ⅰ型戰(zhàn)斗部的發(fā)射光譜從1.0 μm開(kāi)始出現(xiàn)， 波峰起伏的最短波長(zhǎng)為1.15 μm， 峰值最大值出現(xiàn)在3.15 μm處， 4.0 μm以后出現(xiàn)明顯下降。 Ⅱ型戰(zhàn)斗部發(fā)射光譜從2.0 μm開(kāi)始增強(qiáng)至4.0 μm處急劇下降。 Ⅲ型戰(zhàn)斗部在測(cè)量的整個(gè)短波波段相對(duì)輻射量都很低， 只有在4.6～7.0 μm具有較強(qiáng)光輻射。 綜合三種戰(zhàn)斗部爆炸火光光譜可知， 在可見(jiàn)光0.3～1.0 μm波段范圍內(nèi)輻射強(qiáng)度較低， 因此， 可以充分利用此特征設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)以避開(kāi)爆炸火光的干擾。

Fig.1 Explosive spectrogram of warheads

1.2 速度測(cè)試基本原理及精度分析

速度測(cè)試系統(tǒng)基本原理為區(qū)截測(cè)速法， 如圖2所示。

Fig.2 Diagram of the speed measuring system

它是破片在通過(guò)精確已知間距為s的兩點(diǎn)時(shí)， 分別產(chǎn)生兩個(gè)電信號(hào)， 再經(jīng)計(jì)時(shí)裝置， 測(cè)出破片通過(guò)該距離所用的時(shí)間t， 根據(jù)速度定義公式

(1)

根據(jù)誤差理論， 對(duì)式(1)取微分， 得到測(cè)速度相對(duì)誤差表達(dá)式為

(2)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的光學(xué)原理

光學(xué)系統(tǒng)如圖3所示， 系統(tǒng)由1激光模組、 2鮑威爾棱鏡、 3柱面菲涅爾透鏡、 4平面折轉(zhuǎn)鏡、 5原向反射片、 6凹面反射鏡、 7干涉濾光片以及8 PIN光電二極管構(gòu)成。

激光光源經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后鮑威爾棱鏡形成光強(qiáng)分布較為均勻的扇形光幕， 再經(jīng)菲涅爾透鏡展成平行光幕， 由平面反射鏡折轉(zhuǎn)投射至原向反射屏構(gòu)成矩形激光光幕。 根據(jù)原向反射屏具有原向反射和剩余發(fā)散角的特性， 在入射光路中設(shè)計(jì)中心開(kāi)口的凹面反射鏡， 保證不切割出射光的同時(shí)， 將返回光經(jīng)過(guò)干涉濾光片匯聚至光電二極管的光敏面。 此光路收發(fā)一體， 結(jié)構(gòu)緊湊， 窄帶濾光片與單縱模激光光源配合使用抑制背景光的干擾， 光源的波長(zhǎng)選擇綜合戰(zhàn)斗部發(fā)射光譜和Si探測(cè)器的靈敏度選擇中心波長(zhǎng)為880 nm。

Fig.3 Optical system schematic of receiver and emitter integration

2.2 原向反射屏及其剩余發(fā)散角

系統(tǒng)中的收發(fā)一體光學(xué)系統(tǒng)， 其關(guān)鍵技術(shù)依賴于原向反射及其剩余發(fā)散角。 原向反射屏以玻璃微珠為核心， 根據(jù)單球面折射率成像公式

(3)

式中：n′為玻璃微珠折射率，n為物方折射率，r為微珠曲率半徑。 此時(shí)， 物方為空氣， 則n=1， 若n′=2時(shí)， 由式(3)可得到像方焦距f′=2r， 當(dāng)入射角大于臨界角IC時(shí)發(fā)生全反射， 如圖4所示。 平行光束在入射到微珠的后表面以后被原向返回。

Fig.4 Schematic of beads glass refraction

玻璃微珠的制作過(guò)程中難以保證折射率精確為2， 其折射率和曲率的差異， 導(dǎo)致實(shí)際反射光并非嚴(yán)格原向返回。 當(dāng)入射光束為高斯光束時(shí)， 位于該處的等相面為平面， 則距光束中心為r處的輻射強(qiáng)度I(r)可用式(4)表示

(4)

式中：w為輻射強(qiáng)度跌落至峰值1/e2的光束半徑，P為輻射功率。

此時(shí)， 為大量玻璃微珠的統(tǒng)計(jì)結(jié)果， 反射后發(fā)散角仍近似服從高斯分布， 將其反射光束的1/e2輻射強(qiáng)度面的漸近圓錐面的錐頂角定義為剩余發(fā)散角2θ。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)前述光學(xué)系統(tǒng)原理， 采用單縱模880 nm固體激光器， 譜線寬度±1 nm， 功率穩(wěn)定性<1%， 光學(xué)噪聲<0.5%， 45°角鮑威爾棱鏡， 焦距為650 mm， 孔徑為400 mm的柱面菲涅爾透鏡構(gòu)成矩形激光光幕， 窄帶濾光片中心波長(zhǎng)880 nm， FWHM=(3±1) nm， 透過(guò)率為70%。 響應(yīng)速度快的PIN型光敏二極管有效尺寸為4.5 mm×22.3 mm等構(gòu)成光接收系統(tǒng)， 采用多檔可調(diào)的光電信號(hào)調(diào)理電路以適應(yīng)不同尺寸的測(cè)試對(duì)象。 通過(guò)模塊化的矩形光幕破片測(cè)速儀無(wú)縫拼接構(gòu)成有效靶區(qū)為800 mm×2 500 mm的大面積測(cè)速區(qū)域， 靶距350 mm。 有效靶區(qū)后布置傳統(tǒng)靶板， 距爆心不同距離布置本測(cè)試系統(tǒng)， 布置方式如圖5所示。

Fig.5 The location of the system and the explosion center diagram

采用了爆炸當(dāng)量5～105 kg， 炸藥類型涵蓋三硝基甲苯(TNT) 、 黑索金(RDX)及特種炸藥。 為驗(yàn)證系統(tǒng)抗火光干擾能力， 以距離爆炸中心L1=10 m和L2=15 m處， TNT當(dāng)量為102 kg的數(shù)據(jù)為研究對(duì)象， NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為記錄數(shù)據(jù)。 典型波形如圖6所示， 典型數(shù)據(jù)如表1所示。 圖6中， 顯示獲取的5個(gè)破片過(guò)靶波形， 數(shù)據(jù)采樣率5 M·s-1。 啟動(dòng)、 停止兩通道中5個(gè)破片波形呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 調(diào)理電路整形后， 為物體通過(guò)光通量減小時(shí)產(chǎn)生正向信號(hào)， 火光或其他因素導(dǎo)致照度增強(qiáng)時(shí)波形為負(fù)向信號(hào)。 從波形數(shù)據(jù)中可以

Fig.6 Typical waveform

清晰看出， 存在微弱火光干擾， 其幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正向信號(hào)變化。 處理波形數(shù)據(jù)提取破片通過(guò)時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻， 進(jìn)而測(cè)得其速度值。

與靶板比對(duì)可確定系統(tǒng)的捕獲率優(yōu)于95%。 由于采用均勻矩形光幕， 其光強(qiáng)分布均勻度可以達(dá)到80%以上， 對(duì)于圓形預(yù)制破片而言， 信號(hào)的幅值與其體積近似成正比關(guān)系， 所以可以區(qū)分出兩種預(yù)制破片速度、 尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

Table 1 Experimental data

4 結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部爆炸過(guò)程近場(chǎng)處破片速度參數(shù)的測(cè)試， 根據(jù)原向反射原理， 采用單縱模激光器、 菲涅爾透鏡、 窄帶濾光器、 高速光電傳感器等關(guān)鍵光學(xué)元件構(gòu)建收發(fā)一體的速度參數(shù)獲取的光學(xué)系統(tǒng)。 進(jìn)行的不同型號(hào)戰(zhàn)斗部靜爆中破片速度參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)中獲取了較高信噪比的過(guò)靶波形。 同時(shí)， 由于設(shè)計(jì)矩形光幕的光強(qiáng)分布均勻度可以達(dá)到80%以上， 可初步區(qū)分兩種預(yù)制破片的種類。 由此可知， 本系統(tǒng)可完成不同成份炸藥火球內(nèi)完成破片速度的準(zhǔn)確測(cè)試， 最小可測(cè)破片尺寸為4 mm， 獲取的破片速度可達(dá)1 200 m·s-1以上， 捕獲率優(yōu)于95%。 本方法為研究炸藥爆炸場(chǎng)內(nèi)其他參數(shù)的獲取提供了新的方法與手段。

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A Method to Measure the Velocity of Fragments of Large Equivalence Explosion Field Based on Explosion Flame Spectral Analysis

LIU Ji1, 2, YU Li-xia2, ZHANG Bin2, ZHAO Dong-e1, LIU Xiao-yan1, WANG Heng-fei1

1. Laboratory of Science and Technology on Electronic Test and Measurement， North University of China, Taiyuan 030051, China

2. School of Information and Communications Engineering， North University of China, Taiyuan 030051, China

The deflagration fire lasting for a long time and covering a large area in the process of large equivalent explosion makes it difficult to obtain velocity parameters of fragments in the near-field. In order to solve the problem, it is proposed in this paper a photoelectric transceiver integrated method which utilize laser screen as the sensing area. The analysis of three different types of warhead explosion flame spectral distribution of radiation shows that 0.3 to 1.0 μm within the band is at relatively low intensity. On the basis of this, the optical system applies the principle of determining the fixed distance by measuring the time and the reflector technology, which consists of single longitudinal mode laser, cylindrical Fresnel lens, narrow-band filters andhigh-speed optical sensors, etc. The system has its advantage, such as transceiver, compact structure and combination of narrowband filter and single longitudinal mode laser, which can stop the spectrum of fire from suppressing the interference of background light effectively. Large amounts of experiments in different models and equivalent have been conducted to measure the velocity of difference kinds of warheads, obtaining higher signal-to-noise ratio of the waveform signal after a series of signal de-noising and recognition through NI company data acquisition and recording system. The experimental results show that this method can complete the accurately test velocity of fragments around center of the explosion. Specifically, the minimum size of fragments can be measured is 4 mm while the speed can be obtained is up to 1 200 m·s-1and the capture rate is better than 95% comparing with test results of target plate. At the same time, the system adopts Fresnel lenses-transparent to form a rectangular screen, which makes the distribution of rectangular light uniform in vertical direction, and the light intensity uniformity in horizontal direction is more than 80%. Consequently, the system can distinguish preliminarily the correspondence between the velocity and the sizes of prefabricated fragments.

Explosive； Warhead； Velocity of fragments； Laser screen

Feb. 3, 2015; accepted Jun. 22, 2015)

2015-02-03，

2015-06-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1304289)， 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(9140C12040515X)資助

劉 吉， 1980年生， 中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院副教授 e-mail: 275952794@qq.com

O439

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)03-0631-04