远程光谱识别法爆炸火光特征分析

苏海鑫,王长利,刘 吉,张 鑫,武锦辉,于丽霞

(1.中北大学 信息与通信工程学院, 太原 030051; 2.西北核技术研究所, 西安 710024)

0 引言

在武器毁伤过程中瞬态强光无处不在,包括炸药爆炸,弹体撞击目标,导弹拦截[1]等。研究爆炸火光以及撞击闪光光谱,在战场感知中有重要作用,可通过光谱快速判断是否击中或者穿透目标[2]。同时,研究瞬态光谱对于瞬态光谱测温,火光滤除以及高速撞击产生电磁辐射的机理等方面具有重要的理论意义,在探空探测和评估武器系统毁伤具有重大应用前景。

目前,国内外对于瞬态光谱的研究主要集中在超高速撞击闪光光谱的特性分析。Eichorn[3]通过Van De Graaff 粉尘加速器加速小铁弹丸垂直碰撞金属金和钨靶的实验,获得了撞击辐射的辐射强度与弹丸的速度和质量之间的关系。Sugita等[4]通过石英弹丸以4.7～5.6 km/s的速度撞击白云石的实验,得到了150～900 nm波段内的闪光光谱。Dugger等[5]通过铝弹丸碰撞铝合金靶板的实验,得到了200～600 nm波段内的光谱并鉴定了镁和铜的谱线。Einhart等[6]通过二级轻气炮加载铝弹丸分别撞击铝靶板,铈靶板和B炸药靶板的实验,测得了碰撞过程中的可见光光谱和近红外光光谱。文献[7]获取了TNT炸药和硝基甲烷等炸药的瞬态光谱特性。Lawrence等[8-9]运用多种装置(二级轻气炮、三级轻气炮和Z装置)加载弹丸碰撞铝靶,测量在真空条件下的碰撞发光光谱。石安华等[10]研制超高速碰撞光谱辐射强度检测系统,获得在370～425 nm可见光范围内LY12铝弹丸撞击LY12半无限靶的光谱。唐恩凌[11-13]通过二级轻气炮加载弹丸碰撞2A12铝板的实验,拟合得到了闪光辐射强度、辐射温度与撞击参数之间的关系。张凯等[14]对二级轻气炮加载LY12铝弹丸撞击LY12铝合金厚靶产生的闪光光谱进行了研究。赵北京等[15]设计出一种利用二级轻气炮加载条件下的高分辨瞬态激光拉曼测试技术的测量系统,为研究透明及半透明物质在动态加载实验中物质微观结构的变化提供了一种有效手段。郭文灿[16]等人利用激光蚀手段,对含铝炸药的发射光谱进行测量,探测距离近,强度低。司宇[17]对野外环境下的侵彻钢板实验中闪光光谱进行了测量。杨港等[18]提出了一种用于微型光谱探测的超构表面设计方法,但不适用于瞬态测量。王佳[19]利用深度学习方法,开发了钙钛矿光电探测光谱测量方法,用于火焰温度的光谱测量,光谱分辨率过低(1 nm),不适用于爆炸场光谱特征分析。

综上所述,当前的研究大多是在轻气炮的金属真空靶室中进行的,实验过程中靶室与外界环境完全隔离,通过观察窗口来实现近距离光谱采集,具有良好的探测环境并且可探测的强度小。而在实际的外场高速撞击或静爆试验中,实验环境恶劣,并且由于发光强、散布大、常伴随强冲击与毁伤破片,无法实现近距离的光谱采集。本文中设计远程瞬态强光光谱测试系统,通过同轴切换式光纤望远镜头实现远距离光谱采集,光纤衰减器实现对光强的等比例衰减,完成了在大气环境下TNT爆炸火光光谱的远距离捕捉。

1 理论

1.1 距离平方反比定律

通常情况下,光在大气中的模型可以描述为一些简单的模型,如平面波、球面波、高斯光束波。其中,高斯光束波是最低阶横向电磁波,由于其可以被描述为点光源模型而被广泛应用。点光源在传输方向上某点的辐照度和该点到点光源的距离平方成反比。平方反比定律来自均匀点光源向空间发射球面波的特性。

在任一锥立体角内,假设在传输路径上没有光能损失或分束,那么由点光源向空间发出的辐通量是不变的。然而位于球心的均匀点光源所张的立体角所截的表面积却和球半径R的平方成正比,这样在球表面上的辐照度E就和点光源到该表面的距离的平方成反比,即:

(1)

通常使用简化的基于辐射衰减距离公式替代,即:

(2)

式(2)中,R为探测点与光源之间的距离。

1.2 光传输过程中的吸收和散射

(3)

由于本次光谱探测范围为350～1 000 nm,所以只考虑该范围内的辐射照度权值,当探测距离小于0.5 km时,取b为0。

2 实验部分

远程瞬态强光光谱测试系统方案如图1所示。由同轴切换式光纤望远镜头实现远距离采集,光纤衰减器实现对强光光强的等比例衰减,时序控制器触发瞬态光谱仪和高速相机采集光谱与图像信息,最后对光谱数据进行处理分析。

图1 远程瞬态强光光谱测试系统方案

2.1 同轴切换式光纤望远镜头设计

由于距离的增加会大幅度降低光谱信号强度,影响探测灵敏度,并且还会增加瞄准的难度。为实现在复杂背景下远距离的光谱采集,设计同轴切换式光纤望远镜头,探测距离可达到100 m,系统原理图如图2所示。

图2 同轴切换式光纤望远镜头设计原理图

同轴切换式光纤望远镜头是指在由物镜和目镜所组成的基本望远系统的共焦面处,加入具有柔性的大信息量光纤传像束,作为中继传像器件而构成的对远距离目标进行瞄准的系统。采用双高斯镜头的单反相机,在相机焦平面上安装法兰以耦合光纤插芯。系统工作时,先利用取景进行瞄准,将反光镜1调整至虚线位置,通过观察窗口,调整目镜瞄准预计爆炸中心,此时相机焦平面正对预计的爆炸中心。瞄准完成后,稳定相机,将反光镜1调整至水平。在测试过程中,光信号经过双高斯透镜,此时光信号不会被反光镜1反射,而会直接进入相机焦平面安装的光纤,光信号经过多模光纤传输到光谱仪。切换为手动切换,可在几秒内完成瞄准切换,快捷方便。其中双高斯镜头的物镜焦距f=58 mm,镜头透过率为65%,实验设置探测距离F=18 m,采用SMA905多模光纤,探针直径h=0.6 mm。由公式:

(4)

其中,H为可探测直径,得到可探测靶面直径为0.186 m,也可通过改变镜头焦距与探测距离来调整可探测范围。

2.2 可调光衰减器

由于爆炸火光光强过强,会使光超过光谱仪的高敏感度线阵探测器能探测的极限,光谱仪容易出现饱和现象,可采用光纤可变衰减器来衰减光强(见图3)。该装置可精确实现在200～2 500 nm波段(覆盖光谱仪探测范围350～1 000 nm)的光信号等比例衰减(0～100%可调)。入射光通过第一个准直镜将光均匀分散,再通过衰减器内的可调狭缝微调后,摄入第二个准直镜聚焦后输出。

图3 光纤衰减器示意图

2.3 爆炸火光光谱测试方法

测量方案如图4所示。包括瞬态光谱仪、高速相机、光纤衰减器、同轴切换式光纤望远镜头、同步触发器等。由于在室外,受环境因素的影响较大,故在使用光谱仪之前需要对波长和光强进行标定。

图4 测量方案

在实际测量过程中,将系统布置在掩体内,防止破片对设备造成破坏,通过防弹玻璃探测爆炸火光。触发信号源提供与起爆瞬间发光的同步信号,经过信号调理模块后整形为3～5 V上升沿电平触发信号,连接至瞬态光谱仪与高速相机外触发端口。在距离着靶点18 m处布置同轴切换式光纤望远镜头,瞄准预计爆心位置,将光纤连接至瞬态光谱仪光信号输入端口,采用光纤衰减器完成光强调节。由上位机软件记录瞬态光谱信息与爆炸的图像信息,利用专用控制分析软件完成控制和分析。

3 结果与讨论

TNT静爆发光过程包括爆轰发光和爆轰产物燃烧发光。根据高速摄影的拍摄结果(见图5),爆炸火光光强在起爆瞬间达到最大,在起爆至350 μs左右爆轰加热空气以及燃烧物发出的强烈亮度的火光。随后出现黑烟并且爆炸火球开始快速膨胀,可以清晰观察到爆炸波,一直持续火光基本被烟雾完全遮挡。完整的静爆发光时间为20 ms左右,爆炸火球直径约为1.5 m。

图5 TNT爆炸发光过程

实验参数如表1所示。试验过程中使用2台光谱仪(USB4000与USB2000+)根据其灵敏度不同,分别设置不同积分时间,探测距离均在18 m左右。

表1 实验参数

图6是USB4000光谱仪所采集到的2次试验的光谱图,在A、B以及C 3个波段处有非常明显的线状谱,在D处也有较为微弱的线状谱,测试结果与文献[7]非常吻合。2次试验的光谱曲线上各波段的趋势相似,在553、618、642 nm附近均出现明显波峰,只是光谱上波段的强度不同,这是由于光谱仪的积分时间设置为20 ms,而通过高速摄影观察的结果分析,第1次静爆实验,爆炸火光持续到18.03 ms基本被烟雾完全遮挡,而第2次静爆实验,爆炸火光持续到24.93 ms(注:曲线纵轴是光谱仪给出的光强相对量,并非实际的光强)。

图6 TNT爆炸火光光谱图

图7是USB2000+光谱仪探测到的实验结果,由于USB2000+光谱仪的探测灵敏度较高,在第1次静爆实验结果中588～625 nm处数据饱和。在第2次实验时,采用光纤衰减器将光强衰减至原始强度的1/4。2次实验结果的光谱曲线具有高度的一致性,在430、558 nm附近出现明显波峰,在580 nm波段附近出现明显波峰,同样在B和C处出现明显的线状谱。

对比在不同积分时间下的光谱数据如图8,其中USB4000光谱仪的积分时间为20 ms,探测到完整的爆轰发光和爆轰产物燃烧发光的过程,而USB2000+光谱仪的积分时间为3 ms,能够探测到爆轰发光以及部分爆轰产物燃烧发光的过程。通过对比发现,连续谱线具有较好的一致性,并且都在B和C波段处发现明显的特征谱线,而在A以及在D的线状谱由于爆轰过程中爆轰产物与空气层的高温热辐射强度大大超过因电子能级跃迁而导致的原子辐射强度,使特征谱线淹没在连续谱线中。

图7 TNT爆炸火光光谱图

图8 不同积分时间下的爆炸火光光谱图

获得的光谱数据主要由背景阳光、高温热辐射及原子辐射光谱组成。利用软件对光谱数据进行分析,表2为实验数据1#的分析结果。结果表明:TNT爆炸光谱中特征谱线主要来自Na I、K I、Cu II、Ag I等元素的发射谱线。

表2 特征谱线数据分析

4 结论

设计远程瞬态强光光谱测量系统,其中同轴切换式光纤望远镜头完成远距离采集,采用光纤衰减器实现对强光的等比例衰减。在动态调整进光量的前提下,利用该系统完成了对大气环境中TNT爆炸火光光谱的远距离捕捉,利用高速相机对爆炸发光过程记录。结果发现,TNT爆炸瞬间会有350 μs左右的强闪光,爆炸火光持续时间约为20 ms,爆炸火光光谱具有高度的一致性,产生的特征谱线及光强分布趋势相同,均发现了Na I、K I、Cu II、Ag I等元素的特征谱线。验证了在武器毁伤评估中远距离瞬态强光光强、光谱探测的可行性。