遠程光譜識別法爆炸火光特征分析

蘇海鑫,王長利,劉 吉,張 鑫,武錦輝,于麗霞

(1.中北大學 信息與通信工程學院, 太原 030051; 2.西北核技術研究所, 西安 710024)

0 引言

在武器毀傷過程中瞬態(tài)強光無處不在,包括炸藥爆炸,彈體撞擊目標,導彈攔截[1]等。研究爆炸火光以及撞擊閃光光譜,在戰(zhàn)場感知中有重要作用,可通過光譜快速判斷是否擊中或者穿透目標[2]。同時,研究瞬態(tài)光譜對于瞬態(tài)光譜測溫,火光濾除以及高速撞擊產(chǎn)生電磁輻射的機理等方面具有重要的理論意義,在探空探測和評估武器系統(tǒng)毀傷具有重大應用前景。

目前,國內(nèi)外對于瞬態(tài)光譜的研究主要集中在超高速撞擊閃光光譜的特性分析。Eichorn[3]通過Van De Graaff 粉塵加速器加速小鐵彈丸垂直碰撞金屬金和鎢靶的實驗,獲得了撞擊輻射的輻射強度與彈丸的速度和質(zhì)量之間的關系。Sugita等[4]通過石英彈丸以4.7～5.6 km/s的速度撞擊白云石的實驗,得到了150～900 nm波段內(nèi)的閃光光譜。Dugger等[5]通過鋁彈丸碰撞鋁合金靶板的實驗,得到了200～600 nm波段內(nèi)的光譜并鑒定了鎂和銅的譜線。Einhart等[6]通過二級輕氣炮加載鋁彈丸分別撞擊鋁靶板,鈰靶板和B炸藥靶板的實驗,測得了碰撞過程中的可見光光譜和近紅外光光譜。文獻[7]獲取了TNT炸藥和硝基甲烷等炸藥的瞬態(tài)光譜特性。Lawrence等[8-9]運用多種裝置(二級輕氣炮、三級輕氣炮和Z裝置)加載彈丸碰撞鋁靶,測量在真空條件下的碰撞發(fā)光光譜。石安華等[10]研制超高速碰撞光譜輻射強度檢測系統(tǒng),獲得在370～425 nm可見光范圍內(nèi)LY12鋁彈丸撞擊LY12半無限靶的光譜。唐恩凌[11-13]通過二級輕氣炮加載彈丸碰撞2A12鋁板的實驗,擬合得到了閃光輻射強度、輻射溫度與撞擊參數(shù)之間的關系。張凱等[14]對二級輕氣炮加載LY12鋁彈丸撞擊LY12鋁合金厚靶產(chǎn)生的閃光光譜進行了研究。趙北京等[15]設計出一種利用二級輕氣炮加載條件下的高分辨瞬態(tài)激光拉曼測試技術的測量系統(tǒng),為研究透明及半透明物質(zhì)在動態(tài)加載實驗中物質(zhì)微觀結構的變化提供了一種有效手段。郭文燦[16]等人利用激光蝕手段,對含鋁炸藥的發(fā)射光譜進行測量,探測距離近,強度低。司宇[17]對野外環(huán)境下的侵徹鋼板實驗中閃光光譜進行了測量。楊港等[18]提出了一種用于微型光譜探測的超構表面設計方法,但不適用于瞬態(tài)測量。王佳[19]利用深度學習方法,開發(fā)了鈣鈦礦光電探測光譜測量方法,用于火焰溫度的光譜測量,光譜分辨率過低(1 nm),不適用于爆炸場光譜特征分析。

綜上所述,當前的研究大多是在輕氣炮的金屬真空靶室中進行的,實驗過程中靶室與外界環(huán)境完全隔離,通過觀察窗口來實現(xiàn)近距離光譜采集,具有良好的探測環(huán)境并且可探測的強度小。而在實際的外場高速撞擊或靜爆試驗中,實驗環(huán)境惡劣,并且由于發(fā)光強、散布大、常伴隨強沖擊與毀傷破片,無法實現(xiàn)近距離的光譜采集。本文中設計遠程瞬態(tài)強光光譜測試系統(tǒng),通過同軸切換式光纖望遠鏡頭實現(xiàn)遠距離光譜采集,光纖衰減器實現(xiàn)對光強的等比例衰減,完成了在大氣環(huán)境下TNT爆炸火光光譜的遠距離捕捉。

1 理論

1.1 距離平方反比定律

通常情況下,光在大氣中的模型可以描述為一些簡單的模型,如平面波、球面波、高斯光束波。其中,高斯光束波是最低階橫向電磁波,由于其可以被描述為點光源模型而被廣泛應用。點光源在傳輸方向上某點的輻照度和該點到點光源的距離平方成反比。平方反比定律來自均勻點光源向空間發(fā)射球面波的特性。

在任一錐立體角內(nèi),假設在傳輸路徑上沒有光能損失或分束,那么由點光源向空間發(fā)出的輻通量是不變的。然而位于球心的均勻點光源所張的立體角所截的表面積卻和球半徑R的平方成正比,這樣在球表面上的輻照度E就和點光源到該表面的距離的平方成反比,即:

(1)

通常使用簡化的基于輻射衰減距離公式替代,即:

(2)

式(2)中,R為探測點與光源之間的距離。

1.2 光傳輸過程中的吸收和散射

(3)

由于本次光譜探測范圍為350～1 000 nm,所以只考慮該范圍內(nèi)的輻射照度權值,當探測距離小于0.5 km時,取b為0。

2 實驗部分

遠程瞬態(tài)強光光譜測試系統(tǒng)方案如圖1所示。由同軸切換式光纖望遠鏡頭實現(xiàn)遠距離采集,光纖衰減器實現(xiàn)對強光光強的等比例衰減,時序控制器觸發(fā)瞬態(tài)光譜儀和高速相機采集光譜與圖像信息,最后對光譜數(shù)據(jù)進行處理分析。

圖1 遠程瞬態(tài)強光光譜測試系統(tǒng)方案

2.1 同軸切換式光纖望遠鏡頭設計

由于距離的增加會大幅度降低光譜信號強度,影響探測靈敏度,并且還會增加瞄準的難度。為實現(xiàn)在復雜背景下遠距離的光譜采集,設計同軸切換式光纖望遠鏡頭,探測距離可達到100 m,系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 同軸切換式光纖望遠鏡頭設計原理圖

同軸切換式光纖望遠鏡頭是指在由物鏡和目鏡所組成的基本望遠系統(tǒng)的共焦面處,加入具有柔性的大信息量光纖傳像束,作為中繼傳像器件而構成的對遠距離目標進行瞄準的系統(tǒng)。采用雙高斯鏡頭的單反相機,在相機焦平面上安裝法蘭以耦合光纖插芯。系統(tǒng)工作時,先利用取景進行瞄準,將反光鏡1調(diào)整至虛線位置,通過觀察窗口,調(diào)整目鏡瞄準預計爆炸中心,此時相機焦平面正對預計的爆炸中心。瞄準完成后,穩(wěn)定相機,將反光鏡1調(diào)整至水平。在測試過程中,光信號經(jīng)過雙高斯透鏡,此時光信號不會被反光鏡1反射,而會直接進入相機焦平面安裝的光纖,光信號經(jīng)過多模光纖傳輸?shù)焦庾V儀。切換為手動切換,可在幾秒內(nèi)完成瞄準切換,快捷方便。其中雙高斯鏡頭的物鏡焦距f=58 mm,鏡頭透過率為65%,實驗設置探測距離F=18 m,采用SMA905多模光纖,探針直徑h=0.6 mm。由公式:

(4)

其中,H為可探測直徑,得到可探測靶面直徑為0.186 m,也可通過改變鏡頭焦距與探測距離來調(diào)整可探測范圍。

2.2 可調(diào)光衰減器

由于爆炸火光光強過強,會使光超過光譜儀的高敏感度線陣探測器能探測的極限,光譜儀容易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,可采用光纖可變衰減器來衰減光強(見圖3)。該裝置可精確實現(xiàn)在200～2 500 nm波段(覆蓋光譜儀探測范圍350～1 000 nm)的光信號等比例衰減(0～100%可調(diào))。入射光通過第一個準直鏡將光均勻分散,再通過衰減器內(nèi)的可調(diào)狹縫微調(diào)后,攝入第二個準直鏡聚焦后輸出。

圖3 光纖衰減器示意圖

2.3 爆炸火光光譜測試方法

測量方案如圖4所示。包括瞬態(tài)光譜儀、高速相機、光纖衰減器、同軸切換式光纖望遠鏡頭、同步觸發(fā)器等。由于在室外,受環(huán)境因素的影響較大,故在使用光譜儀之前需要對波長和光強進行標定。

圖4 測量方案

在實際測量過程中,將系統(tǒng)布置在掩體內(nèi),防止破片對設備造成破壞,通過防彈玻璃探測爆炸火光。觸發(fā)信號源提供與起爆瞬間發(fā)光的同步信號,經(jīng)過信號調(diào)理模塊后整形為3～5 V上升沿電平觸發(fā)信號,連接至瞬態(tài)光譜儀與高速相機外觸發(fā)端口。在距離著靶點18 m處布置同軸切換式光纖望遠鏡頭,瞄準預計爆心位置,將光纖連接至瞬態(tài)光譜儀光信號輸入端口,采用光纖衰減器完成光強調(diào)節(jié)。由上位機軟件記錄瞬態(tài)光譜信息與爆炸的圖像信息,利用專用控制分析軟件完成控制和分析。

3 結果與討論

TNT靜爆發(fā)光過程包括爆轟發(fā)光和爆轟產(chǎn)物燃燒發(fā)光。根據(jù)高速攝影的拍攝結果(見圖5),爆炸火光光強在起爆瞬間達到最大,在起爆至350 μs左右爆轟加熱空氣以及燃燒物發(fā)出的強烈亮度的火光。隨后出現(xiàn)黑煙并且爆炸火球開始快速膨脹,可以清晰觀察到爆炸波,一直持續(xù)火光基本被煙霧完全遮擋。完整的靜爆發(fā)光時間為20 ms左右,爆炸火球直徑約為1.5 m。

圖5 TNT爆炸發(fā)光過程

實驗參數(shù)如表1所示。試驗過程中使用2臺光譜儀(USB4000與USB2000+)根據(jù)其靈敏度不同,分別設置不同積分時間,探測距離均在18 m左右。

表1 實驗參數(shù)

圖6是USB4000光譜儀所采集到的2次試驗的光譜圖,在A、B以及C 3個波段處有非常明顯的線狀譜,在D處也有較為微弱的線狀譜,測試結果與文獻[7]非常吻合。2次試驗的光譜曲線上各波段的趨勢相似,在553、618、642 nm附近均出現(xiàn)明顯波峰,只是光譜上波段的強度不同,這是由于光譜儀的積分時間設置為20 ms,而通過高速攝影觀察的結果分析,第1次靜爆實驗,爆炸火光持續(xù)到18.03 ms基本被煙霧完全遮擋,而第2次靜爆實驗,爆炸火光持續(xù)到24.93 ms(注:曲線縱軸是光譜儀給出的光強相對量,并非實際的光強)。

圖6 TNT爆炸火光光譜圖

圖7是USB2000+光譜儀探測到的實驗結果,由于USB2000+光譜儀的探測靈敏度較高,在第1次靜爆實驗結果中588～625 nm處數(shù)據(jù)飽和。在第2次實驗時,采用光纖衰減器將光強衰減至原始強度的1/4。2次實驗結果的光譜曲線具有高度的一致性,在430、558 nm附近出現(xiàn)明顯波峰,在580 nm波段附近出現(xiàn)明顯波峰,同樣在B和C處出現(xiàn)明顯的線狀譜。

對比在不同積分時間下的光譜數(shù)據(jù)如圖8,其中USB4000光譜儀的積分時間為20 ms,探測到完整的爆轟發(fā)光和爆轟產(chǎn)物燃燒發(fā)光的過程,而USB2000+光譜儀的積分時間為3 ms,能夠探測到爆轟發(fā)光以及部分爆轟產(chǎn)物燃燒發(fā)光的過程。通過對比發(fā)現(xiàn),連續(xù)譜線具有較好的一致性,并且都在B和C波段處發(fā)現(xiàn)明顯的特征譜線,而在A以及在D的線狀譜由于爆轟過程中爆轟產(chǎn)物與空氣層的高溫熱輻射強度大大超過因電子能級躍遷而導致的原子輻射強度,使特征譜線淹沒在連續(xù)譜線中。

圖7 TNT爆炸火光光譜圖

圖8 不同積分時間下的爆炸火光光譜圖

獲得的光譜數(shù)據(jù)主要由背景陽光、高溫熱輻射及原子輻射光譜組成。利用軟件對光譜數(shù)據(jù)進行分析,表2為實驗數(shù)據(jù)1#的分析結果。結果表明:TNT爆炸光譜中特征譜線主要來自Na I、K I、Cu II、Ag I等元素的發(fā)射譜線。

表2 特征譜線數(shù)據(jù)分析

4 結論

設計遠程瞬態(tài)強光光譜測量系統(tǒng),其中同軸切換式光纖望遠鏡頭完成遠距離采集,采用光纖衰減器實現(xiàn)對強光的等比例衰減。在動態(tài)調(diào)整進光量的前提下,利用該系統(tǒng)完成了對大氣環(huán)境中TNT爆炸火光光譜的遠距離捕捉,利用高速相機對爆炸發(fā)光過程記錄。結果發(fā)現(xiàn),TNT爆炸瞬間會有350 μs左右的強閃光,爆炸火光持續(xù)時間約為20 ms,爆炸火光光譜具有高度的一致性,產(chǎn)生的特征譜線及光強分布趨勢相同,均發(fā)現(xiàn)了Na I、K I、Cu II、Ag I等元素的特征譜線。驗證了在武器毀傷評估中遠距離瞬態(tài)強光光強、光譜探測的可行性。