（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

隨著科技發(fā)展而誕生的在外太空使用的新概念煙火藥，考察其在接近真空條件下爆炸時的紅外輻射特性時，無法在傳統(tǒng)實驗室或大氣環(huán)境下進(jìn)行。本文介紹一種使用真空艙模擬高空近真空環(huán)境的測試方法，使火炸藥在真空艙內(nèi)部爆炸，通過真空艙的紅外窗口實時測量爆炸所產(chǎn)生輻射場的紅外輻射強度。

1 真空環(huán)境爆炸物紅外輻射強度測量原理

本文使用紅外輻射強度測試儀對爆炸物產(chǎn)生輻射場的紅外輻射強度進(jìn)行測量。測量之前，必須對紅外輻射強度測試儀進(jìn)行標(biāo)定。利用紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射源對紅外輻射強度測試儀的輻照度參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其量值準(zhǔn)確，經(jīng)過校準(zhǔn)后的紅外輻射強度測試儀，對被測紅外輻射目標(biāo)的輻射強度、輻射照度進(jìn)行現(xiàn)場測量[1]。

紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射源由大口徑面源黑體、測溫儀、冷背景輻射屏、冷卻液控溫及輸送裝置、光學(xué)平臺、移動導(dǎo)軌、調(diào)制器等組成[2]，圖1為紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射源組成框圖。

圖1 紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射源組成框圖Fig.1 Block diagram of infrared standard radiation source

面源黑體向前方半球空間發(fā)出的紅外輻射，經(jīng)過兩級冷背景輻射屏、調(diào)制器后形成脈沖輻射光，進(jìn)入紅外輻射強度測試儀的探測系統(tǒng)。調(diào)制器將連續(xù)輻射的紅外光調(diào)制成頻率為10 Hz～1000 Hz的脈沖信號。導(dǎo)軌置于面源黑體正前方的平臺上，調(diào)制器和傳遞標(biāo)準(zhǔn)可在導(dǎo)軌上做一維移動，導(dǎo)軌上攜帶刻度尺，可方便測量出傳遞標(biāo)準(zhǔn)和黑體輻射面之間的距離。平臺總體呈T 字形布局，分別為黑體、調(diào)制器、導(dǎo)軌等提供支承和定位作用。

對紅外輻射強度測試儀等進(jìn)行校準(zhǔn)時，將其放置在距離黑體輻射面距離為r的位置N 處，分析計算該位置處的輻照度，圖2為輻射場輻射照度計算示意圖。

圖2 面型輻射源輻射照度計算示意圖Fig.2 Schematic diagram of radiant illuminance calculation of surface type radiant source

根據(jù)普朗克公式，面源黑體產(chǎn)生的輻射出射度M(λ,T)為[3,4]

式中：λ為波長；C1為第一輻射常數(shù)；C2為第二輻射常數(shù)；T為目標(biāo)溫度。紅外輻射測試儀所在位置處的輻照度為[4-5]

式中：λ1，λ2為紅外光譜上下限；As為黑體輻射源的有效輻射面積；l為目標(biāo)距離；τatm為大氣透過率；ε為目標(biāo)黑體發(fā)射率；M(λ,T)為黑體光譜輻射出射度。

調(diào)制器將面源黑體輻射的連續(xù)光變?yōu)槊}沖光，紅外探測和信號處理電路，對脈沖響應(yīng)輸出信號中的峰值進(jìn)行識別和記錄，作為校準(zhǔn)系統(tǒng)的計算依據(jù)。

被校紅外輻射強度測量儀、傳遞標(biāo)準(zhǔn)的輻照度響應(yīng)度RE由下式表示為[4,6]

式中：V為傳遞標(biāo)準(zhǔn)、測試儀等的輸出電壓信號；Vbackground為背景噪聲電壓；AEP為測試儀入瞳面積；τ為傳遞標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)組件透過率；α為紅外濾光組件透過率。

在實際現(xiàn)場測量紅外輻射強度時，必須考慮大氣的紅外透過率，輻射強度根據(jù)修正公式I=E·l2/τ進(jìn)行計算，其中 τ為大氣的紅外透過率。

以輻射面尺寸為2a×2b的高溫面源黑體，全波段輻射探測時為例，計算圖2所示位置N 處的輻照度。

面源黑體在位置N 處產(chǎn)生的輻射照度為[7-9]

式中：a、b分別為輻射源半輻射尺寸；τ為透射系數(shù)；L為面源黑體的輻射亮度。

根據(jù)輻射源在輻射場確定位置處所產(chǎn)生的輻射照度，利用下式計算出輻射紅外輻射源的輻射強度：

2 真空下爆炸物紅外輻射強度測量裝置

本文涉及的裝置主要有真空艙和紅外輻射強度測試儀。

使用真空艙模擬外太空近真空環(huán)境，使火炸藥在真空艙內(nèi)部爆炸，紅外輻射強度測試儀通過真空艙的紅外窗口實時測量爆炸所產(chǎn)生輻射場的紅外輻射強度。

2.1 真空艙

真空艙在使用中要保證安全性，結(jié)構(gòu)堅實、支撐穩(wěn)固。一般而言，真空艙由艙體、真空抽運系統(tǒng)、真空度監(jiān)視系統(tǒng)、測溫組件、電氣接口、支撐系統(tǒng)、安全閥等組成，圖3為真空艙實物圖。

圖3 真空艙實物圖Fig.3 Picture of vacuum chamber

艙體內(nèi)部形成低溫輻射背景，艙內(nèi)的氣壓控制在（10?3～10?4）mbar 量級。艙內(nèi)層為液氮低溫背景通道，為多段柱狀中空結(jié)構(gòu)，配有安全閥用于在過壓狀態(tài)時泄出氣體以保證艙體安全；艙內(nèi)嵌入溫度傳感組件；艙體靠近外殼為隔熱保溫層；艙內(nèi)配有光學(xué)系統(tǒng)支承機(jī)構(gòu)、艙壁配置黑體、電氣接口組件。真空抽運系統(tǒng)由二級真空泵組成，在真空艙外壁配置相應(yīng)的電氣接口組件。

真空艙是本文中用來模擬被測對象所處高空或大氣層外部環(huán)境的關(guān)鍵組件，真空艙的內(nèi)部空間大小，真空艙真空度控制，艙壁紅外窗口的透過率、光譜特性等等，都會對測試結(jié)果產(chǎn)生直接影響。真空艙的內(nèi)部空間大小應(yīng)該能夠容納爆炸物的爆炸氣團(tuán)（爆炸氣團(tuán)本文特指爆炸物在第一輪氧化反應(yīng)時所產(chǎn)生的氣體形成的最大氣團(tuán)），在此基礎(chǔ)上，空間應(yīng)盡可能小，以保證真空度抽運能夠滿足模擬爆炸環(huán)境的需求；真空艙的真空度根據(jù)測試需求，要能夠達(dá)到高空/外太空的真空度并保持穩(wěn)定，真空度不穩(wěn)定會導(dǎo)致艙內(nèi)大氣透過率的變化，影響測試結(jié)果；真空艙上開設(shè)的紅外窗口用于保證真空艙的封閉，并允許在艙外進(jìn)行觀察和探測，紅外窗口的透過率應(yīng)當(dāng)均勻，光譜特性應(yīng)當(dāng)在探測光譜范圍內(nèi)盡量平緩，以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

真空艙的主要技術(shù)指標(biāo)為：外形尺寸2 000mm×Φ800mm；真空度（1×10?4～1×10?3）mbar；艙內(nèi)低背景通道溫度范圍77 K～110 K。

2.2 紅外輻射強度測試儀

利用紅外輻射強度測試儀測量爆炸物紅外輻射強度。紅外輻射強度測試儀由紅外光學(xué)系統(tǒng)、衰減片、濾光片、紅外探測組件、信號采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、可見光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、圖像采集和顯示系統(tǒng)、計算機(jī)操控系統(tǒng)組成[2]。圖4為紅外輻射強度測試儀組成框圖，圖5為紅外輻射強度測試儀探測組件實物圖。

圖4 紅外輻射強度測量裝置組成圖Fig.4 Composition diagram of infrared radiation intensity measurement device

圖5 紅外輻射強度測試儀探測組件實物圖Fig.5 Picture of detection components of infrared radiation intensity tester

為了保證現(xiàn)場測試時，目標(biāo)輻射面全部聚焦在探測面內(nèi)，紅外輻射強度測試儀結(jié)合中長波紅外探測的具體要求配置了雙波段紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)。

由于窗口外表面的反射和不同角度的透過率不同等相關(guān)因素，測試裝置的擺放角度會對測量結(jié)果造成影響，因此在測試之前，需要使用反復(fù)調(diào)整紅外輻射強度測試儀的位置，對真空艙內(nèi)紅外輻射源進(jìn)行探測，尋找最大探測值對應(yīng)的位置，并將紅外輻射強度測試儀固定在該位置上進(jìn)行后續(xù)測試。

紅外探測器是傳遞標(biāo)準(zhǔn)中的核心器件，結(jié)合快速響應(yīng)性，使用簡單、制冷組件集成化以及高可靠性等要求，在3 μm～5 μm 中波段采用PCI-2TE-5探測器組件，在8 μm～12 μm 長波段選用PCI-3TE-10.6、PCI-3TE-12 探測器。

可見光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)適用于外場實際測試時瞄準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域，該系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、計算機(jī)組成，也可以在瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中增加帶分劃板的目視鏡。

數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)AC 放大電路、帯通濾波器、高速采樣電路、信號處理電路、峰值檢測電路組成。調(diào)制后的光輻射經(jīng)過探測器光電轉(zhuǎn)換后，通過前置放大器，輸出至一級放大電路、帯通濾波器、再經(jīng)過第二級放大，輸出給高速采樣電路，利用峰值檢測電路提取出信號的電壓峰值，此峰值與輻射源的輻射亮度、輻射強度等特征量具有確定的對應(yīng)關(guān)系。

3 真空下爆炸物紅外輻射強度測量實驗

實驗前首先用前述方法對紅外輻射強度測試儀進(jìn)行標(biāo)定[10-11]，確保其量值準(zhǔn)確。使用標(biāo)準(zhǔn)黑體或標(biāo)準(zhǔn)輻射源對紅外輻射強度測試儀進(jìn)行標(biāo)定，確保其量值準(zhǔn)確；使用壓力計對真空艙的真空度進(jìn)行考察，確保其提供測試環(huán)境的穩(wěn)定可靠；使用標(biāo)準(zhǔn)紅外輻射計對真空艙光學(xué)窗口進(jìn)行標(biāo)定，得到其透過率和相關(guān)光譜特性[12]；為了保證測量工作的準(zhǔn)確性，將真空艙的紅外窗口改為雙窗口，其中一個窗口用于測試紅外輻射強度；另一個窗口使用紅外熱像儀同時測量爆炸物氣團(tuán)的面積/體積，從而保證測量結(jié)果更加準(zhǔn)確；將整套測試裝置進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，使用標(biāo)準(zhǔn)輻射源對其傳遞函數(shù)進(jìn)行考核，確保該測試裝置和測試方案能夠進(jìn)行對被測爆炸物的測試。

將爆炸物固定在真空艙內(nèi)部的支架上（支架為一次性使用，每次爆炸實驗后重新更換），真空艙關(guān)閉后進(jìn)行抽真空，真空度與火炸藥實際使用環(huán)境的真空度保持一致。

將紅外輻射強度測試儀放置在真空艙的紅外窗口處，對準(zhǔn)內(nèi)部爆炸物的位置，如圖6所示，在爆炸時采集紅外輻射強度。

圖6 真空中爆炸物紅外輻射強度現(xiàn)場測試Fig.6 Field test of infrared radiation intensity of explosives in vacuum

3.1 測試試驗

用紅外輻射強度測試儀對4種不同類型的火炸藥進(jìn)行測試，得到其輻射強度測試結(jié)果，如圖7所示。

圖7 炸藥在真空中爆炸的輻射強度測試結(jié)果Fig.7 Results of radiation intensity test of explosive explosion in vacuum

由此曲線可以看出，A組分爆炸物爆炸持續(xù)時間為約30 ms，最大輻射強度為1.28×106W/Sr，有效輻射強度為1.6×105W/Sr。曲線平滑，峰值陡峭，說明此爆炸物燃燒及爆炸過程較為充分和迅猛，具有較好的工作性能。

由此測試曲線可以看出，B組分爆炸物爆炸持續(xù)時間為約50 ms，最大輻射強度為6.7×105W/Sr，有效輻射強度為1.3×105W/Sr。曲線中出現(xiàn)多個波峰，平滑度較差，說明此爆炸物爆炸期間經(jīng)多次爆炸疊加才最終達(dá)到峰值，燃燒不順利；峰值點高，爆炸持續(xù)時間極短，說明爆炸足夠迅猛和強烈，因為劑量少導(dǎo)致工作性能不佳。同時，該炸藥輻射強度測試曲線后半段出現(xiàn)連續(xù)震蕩的尖峰脈沖。經(jīng)分析，這類噪聲不是爆炸的真實體現(xiàn)，而是爆炸過程中產(chǎn)生的電磁輻射與電路系統(tǒng)耦合震蕩、探測器異常閃爍、放大電路濾波閾值設(shè)置不當(dāng)?shù)鹊仍虔B加導(dǎo)致，需進(jìn)一步加以分析并去除。

由此測試曲線可以看出，C組分爆炸物爆炸持續(xù)時間為約1.2 ms，最大輻射強度為1.2×106W/Sr，有效輻射強度為8×104W/Sr。曲線中出現(xiàn)多個波峰，平滑度較差，峰值陡峭，說明此爆炸物燃燒不順利，爆炸期間經(jīng)多次爆炸疊加才最終達(dá)到峰值，爆炸持續(xù)時間長，最大爆炸強度僅有A組分炸藥的一半，爆炸不夠迅猛和強烈，工作性能較差。

由此測試曲線可以看出，D組分爆炸物爆炸持續(xù)時間約為5 ms，最大輻射強度為2.4×105W/Sr，有效輻射強度為2.4×104W/Sr，最多輻射強度不高，有效輻射強度很低，且輻射持續(xù)時間很短，曲線迅速上升至波峰后急速下降，平滑度較差，說明此爆炸物爆炸持續(xù)時間極短，爆炸烈度低，工作性能差，應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)。

3.2 精度及不確定度分析

使用本文介紹的方法測量真空環(huán)境火炸藥的紅外輻射強度，其測量準(zhǔn)確性受多種因素影響，包括真空艙真空度漂移、紅外窗口透過率不均勻、爆炸物爆炸云團(tuán)面積測量誤差、紅外窗口光譜非線性誤差、紅外輻射強度測試儀測量不確定度引入的誤差等等，各影響因素引入的不確定度分析如下[13]：

1）真空艙真空度漂移引入的不確定度u1；

2）紅外窗口透過率不均勻性u2；

3）爆炸物爆炸云團(tuán)面積測量誤差u3；

4）紅外窗口光譜非線性誤差u4；

5）紅外輻射強度測試儀測量不確定度u5

經(jīng)實際分析和獨立驗證，真空艙真空度漂移引入的不確定度u1=0.003%，紅外窗口透過率不均勻性u2=1.2%，爆炸物爆炸云團(tuán)面積測量誤差u3=0.6%，紅外窗口光譜非線性誤差u4=0.1%，紅外輻射強度測試儀測量不確定度u5=1.8%。

以上各分量獨立不相關(guān)，則合成測量不確定度為[14]

計算結(jié)果表明，本套測試裝置和測試方法能夠?qū)崿F(xiàn)比較高的測量精度，其中紅外窗口光譜非線性和測試儀器自身測量誤差對測量結(jié)果精度影響最大，紅外窗口受限于目前使用的材料，其光譜非線性是其自身固有特征，測試儀器的測量誤差有多種影響因素，包括校準(zhǔn)時標(biāo)準(zhǔn)源引入的不確定度、自身電氣系統(tǒng)噪聲、探測器靈敏度、光學(xué)系統(tǒng)畸變、測試（爆炸）瞬間環(huán)境電磁干擾等等，因此其不確定度的提高是個系統(tǒng)工程；總之，這兩項主要的測量不確定度來源目前均難以有效改善，2.2%的測量精度也是當(dāng)前方法接近極限的指標(biāo)。

4 結(jié)論

根據(jù)本文所述方法可以得到火炸藥在真空中爆炸時的紅外輻射強度，測量結(jié)果可以直接指導(dǎo)火炸藥配方的確定、燃放控制時序的制定。需要注意的是，在圖7（b）的測試結(jié)果中，曲線后段出現(xiàn)了一系列的尖峰噪聲。由于本方法比較關(guān)心測試曲線的峰值，而尖峰噪聲多出現(xiàn)在曲線的下降階段或尾部，對本方法的測試影響較小，故而未作過多研究。尖峰噪聲的產(chǎn)生，可能源于探測器的缺陷，可能源于周圍環(huán)境或自身電路系統(tǒng)的電磁干擾，可能源于前續(xù)數(shù)據(jù)處理中由于未知的算法缺陷導(dǎo)致的異常值，在實際使用環(huán)境中，可能源于敵方釋放的瞬時強干擾[15]，等等。尖峰噪聲的成因比較復(fù)雜，也會對測試結(jié)果的分析處理產(chǎn)生一定影響，我們將在以后的工作中對此加以研究和解決。