真空環(huán)境火炸藥輻射強(qiáng)度測(cè)試方法

（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(shí)的紅外輻射特性時(shí)，無(wú)法在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(cè)試方法，使火炸藥在真空艙內(nèi)部爆炸，通過(guò)真空艙的紅外窗口實(shí)時(shí)測(cè)量爆炸所產(chǎn)生輻射場(chǎng)的紅外輻射強(qiáng)度。

1 真空環(huán)境爆炸物紅外輻射強(qiáng)度測(cè)量原理

本文使用紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試儀對(duì)爆炸物產(chǎn)生輻射場(chǎng)的紅外輻射強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量之前，必須對(duì)紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試儀進(jìn)行標(biāo)定。利用紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射源對(duì)紅外輻射強(qiáng)度測(cè)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(guò)校準(zhǔn)后的紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試儀，對(duì)被測(cè)紅外輻射目標(biāo)的輻射強(qiáng)度、輻射照度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量[1]。

紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射源由大口徑面源黑體、測(cè)溫儀、冷背景輻射屏、冷卻液控溫及輸送裝置、光學(xué)平臺(tái)、移動(dòng)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(guò)兩級(jí)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(qiáng)度測(cè)試儀的探測(cè)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(hào)。導(dǎo)軌置于面源黑體正前方的平臺(tái)上，調(diào)制器和傳遞標(biāo)準(zhǔn)可在導(dǎo)軌上做一維移動(dòng)，導(dǎo)軌上攜帶刻度尺，可方便測(cè)量出傳遞標(biāo)準(zhǔn)和黑體輻射面之間的距離。平臺(tái)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(duì)紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試儀等進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，將其放置在距離黑體輻射面距離為r的位置N 處，分析計(jì)算該位置處的輻照度，圖2為輻射場(chǎng)輻射照度計(jì)算示意圖。

圖2 面型輻射源輻射照度計(jì)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(zhǎng)；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(cè)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(guò)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(cè)和信號(hào)處理電路，對(duì)脈沖響應(yīng)輸出信號(hào)中的峰值進(jìn)行識(shí)別和記錄，作為校準(zhǔn)系統(tǒng)的計(jì)算依據(jù)。

被校紅外輻射強(qiáng)度測(cè)量?jī)x、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(cè)試儀等的輸出電壓信號(hào)；Vbackground為背景噪聲電壓；AEP為測(cè)試儀入瞳面積；τ為傳遞標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)組件透過(guò)率；α為紅外濾光組件透過(guò)率。

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量紅外輻射強(qiáng)度時(shí)，必須考慮大氣的紅外透過(guò)率，輻射強(qiáng)度根據(jù)修正公式I=E·l2/τ進(jìn)行計(jì)算，其中 τ為大氣的紅外透過(guò)率。

以輻射面尺寸為2a×2b的高溫面源黑體，全波段輻射探測(cè)時(shí)為例，計(jì)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(chǎng)確定位置處所產(chǎn)生的輻射照度，利用下式計(jì)算出輻射紅外輻射源的輻射強(qiáng)度：

2 真空下爆炸物紅外輻射強(qiáng)度測(cè)量裝置

本文涉及的裝置主要有真空艙和紅外輻射強(qiáng)度測(cè)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(qiáng)度測(cè)試儀通過(guò)真空艙的紅外窗口實(shí)時(shí)測(cè)量爆炸所產(chǎn)生輻射場(chǎng)的紅外輻射強(qiáng)度。

2.1 真空艙

真空艙在使用中要保證安全性，結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)、支撐穩(wěn)固。一般而言，真空艙由艙體、真空抽運(yùn)系統(tǒng)、真空度監(jiān)視系統(tǒng)、測(cè)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(shí)物圖。

圖3 真空艙實(shí)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(jí)。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(guò)壓狀態(tài)時(shí)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(yùn)系統(tǒng)由二級(jí)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(lái)模擬被測(cè)對(duì)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(guò)率、光譜特性等等，都會(huì)對(duì)測(cè)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(shí)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(yùn)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(cè)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(huì)導(dǎo)致艙內(nèi)大氣透過(guò)率的變化，影響測(cè)試結(jié)果；真空艙上開(kāi)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(cè)，紅外窗口的透過(guò)率應(yīng)當(dāng)均勻，光譜特性應(yīng)當(dāng)在探測(cè)光譜范圍內(nèi)盡量平緩，以保證測(cè)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(qiáng)度測(cè)試儀

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

圖4 紅外輻射強(qiáng)度測(cè)量裝置組成圖Fig.4 Composition diagram of infrared radiation intensity measurement device

圖5 紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試儀探測(cè)組件實(shí)物圖Fig.5 Picture of detection components of infrared radiation intensity tester

為了保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，目標(biāo)輻射面全部聚焦在探測(cè)面內(nèi)，紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試儀結(jié)合中長(zhǎng)波紅外探測(cè)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(guò)率不同等相關(guān)因素，測(cè)試裝置的擺放角度會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，因此在測(cè)試之前，需要使用反復(fù)調(diào)整紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試儀的位置，對(duì)真空艙內(nèi)紅外輻射源進(jìn)行探測(cè)，尋找最大探測(cè)值對(duì)應(yīng)的位置，并將紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試儀固定在該位置上進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。

紅外探測(cè)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(jiǎn)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(cè)器組件，在8 μm～12 μm 長(zhǎng)波段選用PCI-3TE-10.6、PCI-3TE-12 探測(cè)器。

可見(jiàn)光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)適用于外場(chǎng)實(shí)際測(cè)試時(shí)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(jì)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(hào)處理電路、峰值檢測(cè)電路組成。調(diào)制后的光輻射經(jīng)過(guò)探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換后，通過(guò)前置放大器，輸出至一級(jí)放大電路、帯通濾波器、再經(jīng)過(guò)第二級(jí)放大，輸出給高速采樣電路，利用峰值檢測(cè)電路提取出信號(hào)的電壓峰值，此峰值與輻射源的輻射亮度、輻射強(qiáng)度等特征量具有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 真空下爆炸物紅外輻射強(qiáng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前首先用前述方法對(duì)紅外輻射強(qiáng)度測(cè)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(duì)紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試儀進(jìn)行標(biāo)定，確保其量值準(zhǔn)確；使用壓力計(jì)對(duì)真空艙的真空度進(jìn)行考察，確保其提供測(cè)試環(huán)境的穩(wěn)定可靠；使用標(biāo)準(zhǔn)紅外輻射計(jì)對(duì)真空艙光學(xué)窗口進(jìn)行標(biāo)定，得到其透過(guò)率和相關(guān)光譜特性[12]；為了保證測(cè)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(gè)窗口用于測(cè)試紅外輻射強(qiáng)度；另一個(gè)窗口使用紅外熱像儀同時(shí)測(cè)量爆炸物氣團(tuán)的面積/體積，從而保證測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確；將整套測(cè)試裝置進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，使用標(biāo)準(zhǔn)輻射源對(duì)其傳遞函數(shù)進(jìn)行考核，確保該測(cè)試裝置和測(cè)試方案能夠進(jìn)行對(duì)被測(cè)爆炸物的測(cè)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(shí)驗(yàn)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(shí)際使用環(huán)境的真空度保持一致。

將紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試儀放置在真空艙的紅外窗口處，對(duì)準(zhǔn)內(nèi)部爆炸物的位置，如圖6所示，在爆炸時(shí)采集紅外輻射強(qiáng)度。

圖6 真空中爆炸物紅外輻射強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試Fig.6 Field test of infrared radiation intensity of explosives in vacuum

3.1 測(cè)試試驗(yàn)

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

圖7 炸藥在真空中爆炸的輻射強(qiáng)度測(cè)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(shí)間為約30 ms，最大輻射強(qiáng)度為1.28×106W/Sr，有效輻射強(qiáng)度為1.6×105W/Sr。曲線平滑，峰值陡峭，說(shuō)明此爆炸物燃燒及爆炸過(guò)程較為充分和迅猛，具有較好的工作性能。

由此測(cè)試曲線可以看出，B組分爆炸物爆炸持續(xù)時(shí)間為約50 ms，最大輻射強(qiáng)度為6.7×105W/Sr，有效輻射強(qiáng)度為1.3×105W/Sr。曲線中出現(xiàn)多個(gè)波峰，平滑度較差，說(shuō)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(diǎn)高，爆炸持續(xù)時(shí)間極短，說(shuō)明爆炸足夠迅猛和強(qiáng)烈，因?yàn)閯┝可賹?dǎo)致工作性能不佳。同時(shí)，該炸藥輻射強(qiáng)度測(cè)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(shí)體現(xiàn)，而是爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的電磁輻射與電路系統(tǒng)耦合震蕩、探測(cè)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(cè)試曲線可以看出，C組分爆炸物爆炸持續(xù)時(shí)間為約1.2 ms，最大輻射強(qiáng)度為1.2×106W/Sr，有效輻射強(qiáng)度為8×104W/Sr。曲線中出現(xiàn)多個(gè)波峰，平滑度較差，峰值陡峭，說(shuō)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(shí)間長(zhǎng)，最大爆炸強(qiáng)度僅有A組分炸藥的一半，爆炸不夠迅猛和強(qiáng)烈，工作性能較差。

由此測(cè)試曲線可以看出，D組分爆炸物爆炸持續(xù)時(shí)間約為5 ms，最大輻射強(qiáng)度為2.4×105W/Sr，有效輻射強(qiáng)度為2.4×104W/Sr，最多輻射強(qiáng)度不高，有效輻射強(qiáng)度很低，且輻射持續(xù)時(shí)間很短，曲線迅速上升至波峰后急速下降，平滑度較差，說(shuō)明此爆炸物爆炸持續(xù)時(shí)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(cè)量真空環(huán)境火炸藥的紅外輻射強(qiáng)度，其測(cè)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(guò)率不均勻、爆炸物爆炸云團(tuán)面積測(cè)量誤差、紅外窗口光譜非線性誤差、紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)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(guò)率不均勻性u(píng)2；

3）爆炸物爆炸云團(tuán)面積測(cè)量誤差u3；

4）紅外窗口光譜非線性誤差u4；

5）紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)量不確定度u5

經(jīng)實(shí)際分析和獨(dú)立驗(yàn)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(guò)率不均勻性u(píng)2=1.2%，爆炸物爆炸云團(tuán)面積測(cè)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(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)量不確定度u5=1.8%。

以上各分量獨(dú)立不相關(guān)，則合成測(cè)量不確定度為[14]

計(jì)算結(jié)果表明，本套測(cè)試裝置和測(cè)試方法能夠?qū)崿F(xiàn)比較高的測(cè)量精度，其中紅外窗口光譜非線性和測(cè)試儀器自身測(cè)量誤差對(duì)測(cè)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(cè)試儀器的測(cè)量誤差有多種影響因素，包括校準(zhǔn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)源引入的不確定度、自身電氣系統(tǒng)噪聲、探測(cè)器靈敏度、光學(xué)系統(tǒng)畸變、測(cè)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(gè)系統(tǒng)工程；總之，這兩項(xiàng)主要的測(cè)量不確定度來(lái)源目前均難以有效改善，2.2%的測(cè)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(shí)的紅外輻射強(qiáng)度，測(cè)量結(jié)果可以直接指導(dǎo)火炸藥配方的確定、燃放控制時(shí)序的制定。需要注意的是，在圖7（b）的測(cè)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(cè)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(duì)本方法的測(cè)試影響較小，故而未作過(guò)多研究。尖峰噪聲的產(chǎn)生，可能源于探測(cè)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(shí)際使用環(huán)境中，可能源于敵方釋放的瞬時(shí)強(qiáng)干擾[15]，等等。尖峰噪聲的成因比較復(fù)雜，也會(huì)對(duì)測(cè)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(duì)此加以研究和解決。