崔元博，商 飛，孔德仁，王良全

爆炸場(chǎng)電磁輻射特性測(cè)試技術(shù)研究

崔元博，商 飛，孔德仁，王良全

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京，210094）

為了研究高能含能材料爆炸時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射特性，設(shè)計(jì)了一套由寬頻天線、信號(hào)放大器、高速采集卡組成的電磁輻射測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)某型彈云爆過程的電磁輻射進(jìn)行測(cè)量及分析研究。研究結(jié)果表明：在某型彈起爆后出現(xiàn)較短時(shí)間的強(qiáng)信號(hào)，間隔一段時(shí)間后再次出現(xiàn)較長時(shí)間的強(qiáng)電磁信號(hào)，第2時(shí)間段內(nèi)的電磁脈沖持續(xù)性明顯強(qiáng)于第1時(shí)間段，不同測(cè)試點(diǎn)采集得到的電磁信號(hào)呈現(xiàn)不同的傳遞特性；云爆過程中產(chǎn)生的電磁輻射頻率主要分布于21MHz以內(nèi)，在11~17MHz頻段分布尤為明顯，爆炸產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度超過300V/m。

含能材料；電磁輻射；短波天線；頻譜分析

20世紀(jì)70年代國外有試驗(yàn)證明化學(xué)爆炸時(shí)確實(shí)伴有較強(qiáng)的電磁輻射。此后，國外的試驗(yàn)記錄表明，用0.1~0.4g疊氮化鉛作為工質(zhì)進(jìn)行靜爆，在起爆后的80~160μs可測(cè)得一系列小于90MHz的電磁輻射信號(hào)[3]；利用10kg的硝酸銨作為工質(zhì)，試驗(yàn)測(cè)得電磁輻射頻率范圍為7.8~11.2GHz[4]。VAJ.Van Lintz用低頻寬帶、高頻和超高頻窄帶3種天線，測(cè)量了0.01~345kg高能炸藥爆炸產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)，發(fā)現(xiàn)高能炸藥爆炸產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)持續(xù)時(shí)間與含能材料的當(dāng)量呈線性關(guān)系，電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度與距離的1/3次方呈線性關(guān)系[5-6]。國外有研究者根據(jù)該理論計(jì)算三硝基甲苯發(fā)生爆炸反應(yīng)時(shí)，每摩爾三硝基甲苯完全反應(yīng)形成的等離子體團(tuán)能產(chǎn)生約370V/m的電磁輻射[7-8]。A.L.Kuhl對(duì)TNT炸藥產(chǎn)生電磁脈沖輻射的機(jī)理進(jìn)行了研究，通過對(duì)TNT炸藥爆炸產(chǎn)生電磁脈沖輻射信號(hào)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算，得出研究結(jié)果：含能材料在爆炸過程中伴隨著強(qiáng)烈的電磁輻射效應(yīng)產(chǎn)生，電磁輻射的強(qiáng)度大于熱輻射的強(qiáng)度，并且爆炸產(chǎn)生電磁輻射與靜爆產(chǎn)物中的帶電粒子的運(yùn)動(dòng)有關(guān)[9]。

國內(nèi)對(duì)含能材料爆炸產(chǎn)生電磁輻射現(xiàn)象的研究起步較晚。西北核工業(yè)研究所的王長利等人[10]采用寬帶天線加采集系統(tǒng)的方式，對(duì)爆炸場(chǎng)電磁輻射進(jìn)行測(cè)量，研究表明對(duì)于同一種含能材料，電磁輻射強(qiáng)度與當(dāng)量的1/3次方基本呈線性關(guān)系，與爆心距離成反比。北京航空航天大學(xué)的曹景陽等人[11]采用無源拉桿天線對(duì)航天火工品爆炸引起的電磁輻射進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果顯示在起爆后的數(shù)十毫秒內(nèi)仍有明顯的電磁脈沖產(chǎn)生，電磁脈沖頻率集中在兆赫茲量級(jí)，最高場(chǎng)強(qiáng)至4V/m。南京理工大學(xué)陳鴻等人[12-14]采用寬帶桿式銅柱天線對(duì)金屬添加含能材料爆炸電磁輻射進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果顯示，爆炸產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度范圍為0.05~2.1V，電磁輻射頻率主要集中在6MHz以內(nèi)，在24MHz有一些較低的幅值分量，在小藥量炸藥試驗(yàn)的前提下，添加金屬鋁會(huì)使電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度增加。

目前國內(nèi)已經(jīng)公開的含能材料爆炸過程電磁輻射測(cè)試試驗(yàn)中的測(cè)試當(dāng)量大多在1 000g以下，電磁輻射信號(hào)采集時(shí)長多為數(shù)毫秒，采樣時(shí)間較短，試驗(yàn)場(chǎng)地多在城市空曠地帶，電磁干擾較多。本文研究了某型云爆彈產(chǎn)生電磁輻射的測(cè)試技術(shù)，試驗(yàn)背景為電磁干擾極少的空闊地區(qū)，實(shí)際采樣時(shí)間達(dá)870ms，采樣率高達(dá)1.25Gs/s，可以詳細(xì)分析爆炸后一段時(shí)間段內(nèi)電磁輻射的變化情況。

1 測(cè)試方法

含能材料爆炸時(shí)產(chǎn)生電磁波呈現(xiàn)出以爆心為原點(diǎn)，向四周發(fā)散的作用分布規(guī)律，因此測(cè)試獲得的爆炸場(chǎng)單點(diǎn)電磁輻射量值并不具有代表性，有必要研究爆炸場(chǎng)環(huán)境下電磁輻射傳播規(guī)律以及多點(diǎn)電磁輻射同步測(cè)試方法。本次試驗(yàn)對(duì)電磁輻射的頻率測(cè)量從低頻段開始，最低至1.5MHz，最高至500MHz，由于覆蓋頻段范圍較大，單測(cè)試點(diǎn)采樣高低頻雙天線協(xié)同測(cè)試[15-16]。試驗(yàn)裝置和布局如圖1所示。

圖1 電磁輻射測(cè)試系統(tǒng)圖

單測(cè)試點(diǎn)由短波無源全向天線、超寬帶無源全向天線、信號(hào)調(diào)理器（包括信號(hào)放大器和限幅器）組成，放大器放大系數(shù)30dBm，限幅器限制功率大于10W，傳輸線纜采用SYV50-5-1同軸線纜，長度150m。測(cè)試天線如圖2所示。短波無源全向天線采樣頻率1.5~ 30MHz，垂直極化方式，駐波比≤2.5，天線增益≥-35dBi（大于5MHz），最大承受功率50W，輸出阻抗50Ω，高度2 000mm；超寬帶全向天線為雙錐加載結(jié)構(gòu)，垂直極化方式，采樣頻率20~512MHz，在30~100MHz頻段，天線增益≥-15dBi，在100×10-3~ 3GHz頻段，天線增益≥0dBi，輸出阻抗50Ω，高度450mm。天線采集到電磁波信號(hào)后經(jīng)同軸線纜傳輸至高速采集卡，高速采集卡設(shè)置最高采樣率1.25GS/s，采樣帶寬500MHz，采樣時(shí)長設(shè)置1s，實(shí)際采樣時(shí)長870ms，高速采集卡至各測(cè)試點(diǎn)（1~4）距離分別為110m、100m、90m、80m。電磁測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示，本試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)共設(shè)置4個(gè)采集點(diǎn)，分別距離爆心60m、70m、80m、90m且呈直線分布，各測(cè)試點(diǎn)中的天線由釬桿固定，直接安裝于地面，超寬帶全向天線加裝底座，底座高度460mm。試驗(yàn)爆炸源為某型彈，火球半徑約40m。

圖2 測(cè)試天線實(shí)物圖

圖3 電磁測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果有效性分析

在實(shí)驗(yàn)開始前，首先采集試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境背景電磁噪聲信號(hào)，如圖4所示，進(jìn)行信號(hào)分析可得采集最大電壓62.5mV，有效電壓12.531mV，進(jìn)行FFT分析得主要電磁信號(hào)集中于1.5~18MHz和21.5~22MHz頻段；在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得環(huán)境電磁信號(hào)峰值170mV，有效電壓33.6mV，F(xiàn)FT頻譜集中于1.5~50MHz和80~110MHz頻段，兩者相比，試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境電磁噪聲極低，干擾極弱，更有利于含能材料爆炸時(shí)電磁信號(hào)的采集和分析。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)電磁背景噪聲信號(hào)

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性判定，結(jié)果顯示，測(cè)試點(diǎn)3測(cè)得電磁信號(hào)峰值為7.813mV，有效電壓輸出1.608mV，爆炸過程中該測(cè)試點(diǎn)無明顯電磁信號(hào)波動(dòng)，說明測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)對(duì)電磁信號(hào)采集結(jié)果無影響，其他測(cè)試點(diǎn)采集的電磁信號(hào)有效。由于試驗(yàn)條件限制，測(cè)試點(diǎn)2電磁波出現(xiàn)較強(qiáng)的信號(hào)干擾，電磁波傳遞規(guī)律與測(cè)試點(diǎn)1和測(cè)試點(diǎn)4明顯不符，判定為無效數(shù)據(jù)，進(jìn)行剔除。

2.2 電磁信號(hào)時(shí)域分析

測(cè)試點(diǎn)1和測(cè)試點(diǎn)4的電磁信號(hào)時(shí)域波形如圖5所示，由于云爆彈二次起爆的特性，在測(cè)試過程中出現(xiàn)了2次明顯的電磁信號(hào)波動(dòng)時(shí)域區(qū)間。

（7）獲取最終目標(biāo)框：每個(gè)網(wǎng)格預(yù)測(cè)兩個(gè)目標(biāo)框，但是在具體計(jì)算時(shí)，每次只選取了置信度最大或者是跟真實(shí)框距離最小的框計(jì)算位置損失與求梯度。當(dāng)在一個(gè)網(wǎng)格中遇到兩個(gè)重疊框，采取對(duì)同一個(gè)網(wǎng)格回歸后保留max（p（c））的目標(biāo)框，概率計(jì)算如式（9）所示。

圖5 電磁信號(hào)時(shí)域波形圖

測(cè)試點(diǎn)1（60m）的電磁信號(hào)在時(shí)域區(qū)間I（13.67~34.71ms）和時(shí)域區(qū)間II（279.11~844.67ms）出現(xiàn)明顯波動(dòng)，其中時(shí)域區(qū)間I的信號(hào)持續(xù)時(shí)間為21.04ms，時(shí)域區(qū)間II的信號(hào)持續(xù)時(shí)間為565.56ms，時(shí)域區(qū)間II的信號(hào)持續(xù)時(shí)間明顯較長。測(cè)試點(diǎn)4（90m）的電磁信號(hào)在時(shí)域區(qū)間I（13.68 ~29.12ms）和區(qū)間II（280.12~843.23ms）出現(xiàn)明顯波動(dòng)，其中時(shí)域區(qū)間I的信號(hào)持續(xù)時(shí)間為15.44ms，時(shí)域區(qū)間II的信號(hào)持續(xù)時(shí)間為563.11ms，時(shí)域區(qū)間II的信號(hào)持續(xù)時(shí)間明顯較長。

從時(shí)域波形圖來看，某型彈云爆時(shí)產(chǎn)生的電磁脈沖信號(hào)非常明顯，爆炸后850ms內(nèi)均能測(cè)得明顯電磁脈沖信號(hào)，但這些電磁脈沖并不連續(xù)，且單個(gè)電磁脈沖的持續(xù)時(shí)間較短，約0.002ms。在起爆后14ms時(shí)刻開始出現(xiàn)持續(xù)時(shí)長約20ms的電磁波，隨后經(jīng)過一段約260ms的無信號(hào)期，再次出現(xiàn)持續(xù)時(shí)長約560ms的劇烈電磁波。這些分析說明云爆過程中電磁輻射持續(xù)時(shí)間比爆轟持續(xù)時(shí)間長很多，由電磁輻射產(chǎn)生機(jī)理推斷，一定當(dāng)量的含能材料爆炸會(huì)產(chǎn)生大量帶電等離子體和帶電爆轟產(chǎn)物，這些爆轟產(chǎn)物在環(huán)境磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生電磁輻射；距離爆心較遠(yuǎn)的測(cè)試點(diǎn)能捕捉到更加持續(xù)密集的電磁脈沖，時(shí)域波形圖中電磁脈沖呈現(xiàn)間斷分布，是由于地面反射所致，由此可見，不同的地形條件對(duì)電磁波的傳播規(guī)律有明顯影響。

2.3 電磁信號(hào)頻域分析

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換得到電磁信號(hào)頻譜，如圖6所示。

圖6 電磁信號(hào)頻譜圖

由圖6可知，測(cè)試點(diǎn)1和測(cè)試點(diǎn)4的電磁信號(hào)頻譜分布一致性較強(qiáng)，爆炸產(chǎn)生的電磁信號(hào)頻率主要分布在21MHz以內(nèi)，11MHz以下有少量電磁信號(hào)分布，在11~17MHz頻率范圍內(nèi)集中較強(qiáng)電磁輻射信號(hào)，說明爆炸對(duì)該頻段的電磁干擾較為強(qiáng)烈。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，得到電磁信號(hào)強(qiáng)度分布，如圖7所示，由于本試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)采用放大系數(shù)為30dB的放大器，以及長達(dá)150m的同軸線纜，線纜損耗較大，因此需要對(duì)直接測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。測(cè)試天線輸出值為電壓(V)，通過FFT可直接轉(zhuǎn)換為信號(hào)功率(dBm)，由天線標(biāo)定可查得天線增益和天線系數(shù)，空間電場(chǎng)強(qiáng)度為(V/m)。

天線有效面積：

空間能量密度：

天線輸出功率：

==2/20（3）

式（3）中：0為系統(tǒng)阻抗50Ω

理想空間狀態(tài)下：

=（4）

則有：

由上述公式及表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，電磁輻射最大強(qiáng)度可以達(dá)到336.51V/m，該數(shù)據(jù)是基于理想自由空間條件計(jì)算得到的，由于地面反射等因素，電磁輻射實(shí)際值比以上計(jì)算數(shù)據(jù)值更大。依據(jù)GJB 8678-2015 引信電磁輻射危害試驗(yàn)方法相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求引信在貯存和運(yùn)輸期間在各頻率上都能經(jīng)受最低200V/m有效值的場(chǎng)強(qiáng)，陸軍用彈藥的裝卸、裝填和發(fā)射電磁輻射環(huán)境如表2所示，由表2可知，該輻射場(chǎng)強(qiáng)超出標(biāo)準(zhǔn)GJB 8678- 2015中規(guī)定的限值，因此在相應(yīng)當(dāng)量的武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要強(qiáng)化引信或其它軍械裝置的抗電磁干擾設(shè)計(jì)[17]。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.1 Experimental result

*線纜損耗為SYV50-5-1型同軸線纜150m長度損耗值。

表2 陸軍用彈藥的裝卸、裝填和發(fā)射電磁輻射環(huán)境

Tab.2 Electromagnetic radiation environment of Army's ammunition handling, loading and launching

3 結(jié)論

（1）某型彈云爆產(chǎn)生的電磁輻射峰值頻率主要集中在21MHz以內(nèi)，在11~17MHz頻段內(nèi)分布較強(qiáng)電磁信號(hào)，證明爆炸過程對(duì)該頻段的電磁干擾較為強(qiáng)烈。

（2）爆炸場(chǎng)產(chǎn)生的電磁信脈沖可持續(xù)至850ms，單個(gè)電磁脈沖持續(xù)的時(shí)間較短，在測(cè)試時(shí)間內(nèi)共測(cè)試到2個(gè)時(shí)間段的電磁信號(hào)，第2個(gè)時(shí)間段持續(xù)時(shí)長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過第1個(gè)時(shí)間段，2個(gè)時(shí)間段之間間隔約260ms的無信號(hào)期，說明云爆過程中電磁輻射持續(xù)時(shí)間比爆轟持續(xù)時(shí)間長很多，爆炸場(chǎng)電磁輻射特性可以作為爆轟威力的評(píng)判指標(biāo)以及爆炸類型的判斷依據(jù)。

（3）根據(jù)不同測(cè)試點(diǎn)的電磁輻射時(shí)域波形圖進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)試點(diǎn)4采集得到的電磁脈沖明顯比測(cè)試點(diǎn)1采集的電磁脈沖更加密集，說明距離爆心不同半徑測(cè)得電磁輻射具有不同特性，電磁波在爆炸場(chǎng)范圍內(nèi)的傳播特性是今后需要研究的方向。

（4）經(jīng)過數(shù)據(jù)計(jì)算，本次試驗(yàn)產(chǎn)生的瞬時(shí)電磁輻射最大場(chǎng)強(qiáng)超過300V/m，該場(chǎng)強(qiáng)值超出軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 8678-2015引信電磁輻射危害試驗(yàn)方法中規(guī)定的最大限值，因此有必要對(duì)武器系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的抗電磁場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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Research on Testing Technology of Electromagnetic Radiation Characteristics in Explosive Field

CUI Yuan-bo , SHANG Fei, KONG De-ren, WANG Liang-quan

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science &Technology，Nanjing，210094)

In order to study the characteristics of electromagnetic radiation generated from high-energy material explosion, a set of electromagnetic radiation test system was designed, which consists of broadband antenna, signal amplifier and high-speed acquisition card, to measure and analyze the electromagnetic radiation of a certain type of bomb cloud explosion process. The results show that a strong signal appeared in a short time after bomb detonation, and a stronger electromagnetic signal appeared again for a long time after a period of time, the intensity of the electromagnetic radiation generated by the second detonation was significantly higher than that from the first detonation, the electromagnetic signals collected by different test points exhibited different transfer characteristics. The electromagnetic radiation frequency in the cloud explosion process is mainly distributed within 21MHz, especially within 11~17MHz, and the intensity of electromagnetic field generated by the explosion exceeds 300V/m.

Energetic material; Electromagnetic radiation; Short-wave antenna; Spectrum analysis

TQ560.72

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.05.001

1003-1480（2019）05-0001-05

2019-07-17

崔元博（1991-），男，博士研究生，主要從事含能材料電磁輻射測(cè)試技術(shù)及特性研究。

國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目資助（995-14021006010401）。