基于紅外熱像儀的溫壓彈爆炸溫度場測試

田培培，張 猛，王 高，李仰軍，武京治

?

基于紅外熱像儀的溫壓彈爆炸溫度場測試

田培培，張 猛，王 高，李仰軍，武京治

（中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051）

復雜的野外環(huán)境大大影響了紅外熱像儀對爆炸溫度場的測量精度。從理論角度分析了影響測溫精度的因素，提出相關的改進措施。溫壓彈爆炸測試現(xiàn)場使用野外標準黑體對紅外熱像儀進行實地定標，準確采集到溫壓彈的爆炸過程，并提取到相關數(shù)據(jù)。利用MATLAB軟件平臺對實驗所得數(shù)據(jù)進行處理，進而得到爆炸火球表面的溫度場分布信息：爆炸火球的最高溫度2881℃；1000℃及其以上溫度場持續(xù)時間為1300ms；1000℃及其以上溫度場最大散布范圍為12.61m。測試現(xiàn)場同時設置了CCD高速相機進行可見光波段的測試，測試結(jié)果表明，測試數(shù)據(jù)具有很高的精確性和可靠性。

紅外熱像儀；測溫精度；溫壓彈；溫度場分布

0 引言

溫壓彈，即采用溫壓炸藥制成的彈藥，是在新型固體燃料的研究基礎上發(fā)展起來的一種新型武器，是對常規(guī)武器的一項重大革新。最早由美國提出，目前各國都在開展溫壓武器的研究工作。在世界軍事體系中，溫壓武器舉足輕重。因此對溫壓彈的毀傷效應研究對于軍事領域未來的新型彈藥的研究意義重大，同時也關系著我國的國防安全及國防武器系統(tǒng)的完善[1]。

溫壓炸藥是一種由金屬粉和高能氧化劑等組成的混合炸藥，主要通過爆炸產(chǎn)生的高溫高壓毀傷目標，其爆炸形成的火球溫度具有更高的熱輻射效應。因此，測量爆炸火球的參數(shù)是溫壓藥劑熱效應的研究基礎。紅外熱像儀測溫系統(tǒng)是一種全輻射測溫法，具有非接觸性、瞬時性和全場測量的性質(zhì)，能對特殊情況下的物體表面進行全場溫度的測量[2-3]。由于溫壓藥劑爆炸后形成的火球主要是由非金屬及金屬高度氧化物顆粒組成，可近似看作灰體，爆炸形成的溫度較高，變化具有瞬時性，且火球內(nèi)部產(chǎn)生的高溫引起超高壓的沖擊波[4]，綜合因素考慮，紅外熱像儀測溫系統(tǒng)對于溫壓彈爆炸溫度場的測量非常適用。

通過紅外熱像儀測溫系統(tǒng)，對溫壓彈爆炸過程進行測量，對野外復雜環(huán)境下的影響因素進行了分析，采取相應的改進措施得到了溫壓彈爆炸火球的主要特征參數(shù)，對溫壓炸藥的熱輻射效應評估具有重要意義。

1 紅外熱像儀測溫原理及精度分析

1.1 測溫原理

紅外熱像儀根據(jù)紅外輻射基本定律的原理對溫度進行測量。爆炸產(chǎn)生的火球向四周發(fā)射的紅外輻射攜帶溫度信息，與其自身的溫度存在著精確的定量關系，可通過紅外輻射基本定律推導。通過測量火球發(fā)射的紅外輻射能量，能夠準確計算出火球的實際溫度及其溫度場分布，從而進一步分析其熱毀傷效應。

目標物與所處環(huán)境之間的溫度不同，且發(fā)射率各異，紅外熱像儀利用此特性將其所產(chǎn)生的熱對比度以相對熱輻射強度分布的形式通過可視圖像顯示出來，如圖1所示。

圖1 紅外熱像儀拍攝的溫壓彈爆炸熱對比度圖像

圖2所示是紅外熱像儀的測溫原理圖，由爆炸火球發(fā)出的紅外輻射到達紅外探測器成為溫度表征信號，主要需經(jīng)歷3個階段：

1）火球輻射過程。根據(jù)溫壓藥爆炸過程的特點，用于測量溫度的火球輻射信號主要來源于高溫非金屬和金屬氧化物微粒的熱輻射，這些微粒的輻射特征可用灰體來描述，根據(jù)普朗克輻射定律，爆炸時，火球在[1,2]波段產(chǎn)生的輻射出射度()可由下式表示：

式中：1＝3.7415×104W×cm－2×μm4，2＝1.43879μm×K分別為第一、第二輻射常數(shù)，為發(fā)射率，由輻射源的材料及表面性質(zhì)決定，本試驗中輻射源主要由高溫非金屬和金屬氧化物微粒組成，取＝0.8。

2）大氣傳輸過程。爆炸火球發(fā)出的輻射，經(jīng)大氣傳輸?shù)竭_紅外熱像儀，由于大氣的吸收和散射等因素的影響，紅外輻射會發(fā)生衰減。大氣透過率1，散射率2及大氣的總透過率分別由式(2)～(4)給出：

＝1×2×h(4)

式中：、0、分別為與大氣窗口相關的經(jīng)驗常數(shù)；為傳播路徑中的可凝水量；為視距；為窗口中點波長；為傳輸距離；h為海拔修正因子。

3）光電系統(tǒng)耦合過程。紅外輻射經(jīng)大氣傳輸后被熱像儀光學系統(tǒng)收集，并轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)圖像處理后輸出。

本次試驗使用的是7.7～12.6mm的熱像儀，故這一過程可由式(5)描述：

綜合(1)、(4)、(5)式，可得熱像儀探測輻射強度信號與火球溫度的關系如下式：

()＝()()＝0.6598()() (6)

式中：()為參試紅外熱像儀的電壓溫度響應函數(shù)。由前期熱像儀定標試驗給出，()由本次試驗實測得到。這樣，可以解算出爆炸火球溫場各點的真實溫度，如下式：

圖2 紅外輻射測溫原理圖

1.2 精度分析

測溫精度主要從4方面進行分析，即：紅外熱像儀輻射定標、輻射源發(fā)射率的確定、傳輸過程的總透過率、溫度反演。

1）紅外熱像儀的輻射定標

通過紅外熱像儀所得到的圖像并不是目標物的真實溫度分布，而是將目標物當作黑體情況下的表面熱輻射的輻射量的分布，因此，紅外熱像儀的輻射定標意義重大。通過輻射定標，建立了紅外熱成像系統(tǒng)的探測元輸出信號的數(shù)字化量值與目標實際輻亮度之間的定量關系[5]。在本文中利用LUMASENSE- M390標準黑體輻射源和BDB50型紅外目標模擬器對紅外熱像儀分別進行了實驗室和野外實驗環(huán)境下的定標，并采用重復實驗的方法，使得定標數(shù)據(jù)更加精確。

2）輻射源發(fā)射率的確定

物體表面發(fā)射率是目標紅外輻射特性建模與仿真的重要參數(shù)，對測溫精度有著重要的影響。現(xiàn)有的測量發(fā)射率的方法包括能量法、熱量法、多波長法和發(fā)射率法[6-8]。發(fā)射率確定一直以來都是研究的重點和難點，專家多年研究，進展緩慢，紅外熱像儀的測溫精度與目標表面的發(fā)射率有著密切的關系，且目標材料的表面發(fā)射率越大，紅外熱像儀測得的精度越高[9-10]。目前能確定的是發(fā)射率的一個范圍，更精確的數(shù)值還有待進一步的深入研究。

3）大氣傳輸

在大氣傳輸過程中，紅外熱輻射面臨著吸收、折射等各方面的影響，實驗現(xiàn)場的環(huán)境直接影響了測溫的精度，涉及到溫度、濕度、測試距離、風、以及海拔等因素[11-12]。在本實驗中，采用高精度溫濕度計測量現(xiàn)場的溫度及濕度，通過激光測距儀測量目標與紅外熱像儀之間的距離，并記錄風向及海拔等信息。通過式(2)～(4)計算出大氣傳輸?shù)目偼高^率，最大程度減少誤差。

4）溫度反演

根據(jù)紅外熱像儀所得到的輻射量數(shù)據(jù)得到溫度，是測溫的關鍵。經(jīng)過嚴密的理論推導過稱，得到(7)式，結(jié)合相應的熱像儀定標數(shù)據(jù)，可計算出任意點的真實溫度?？紤]到計算過程中涉及到積分方程的求解，為了計算方便，以開發(fā)的數(shù)值計算程序作為輔助。使用的部分紅外輻射量計算軟件界面如圖3所示。

圖3 使用的部分紅外輻射量計算軟件

此外，為了進一步保證測量溫度場分布精度，本實驗采取了幾何定標的方法，以使得計算出的溫壓彈爆炸后的火球溫度散布范圍更為精確。

2 實驗方法

本試驗測試儀器設備由溫度測試裝置和校準設備2部分組成。完成了爆炸火球溫度場的動態(tài)測量試驗，獲取了爆炸火球在形成、膨脹、消散等階段溫度場特征的一手資料。

測試裝置分別選用德國的LUMASENSE-M390黑體輻射源（用于紅外熱像儀的實驗室定標）、BDB50型紅外目標模擬器（用于紅外熱像儀的野外定標），美國的Mikron-M1362型CCD高速相機（用于可見光范圍的拍攝），定制GH-G003型測溫紅外熱像儀（主要用于爆炸后溫度場測量，該設備加裝了專用的干涉濾光片及衰減裝置，能夠滿足高溫（＞3000℃）輻射的測量），BF-1000型激光測距儀（用于測量爆炸中心與觀測點之間的距離）和VC261型高精度溫濕度計（用于現(xiàn)場溫濕度測量）。

測試系統(tǒng)的性能指標為幀頻：20～50Hz；波長范圍：7.7～12.6mm；噪聲等效溫差：≤80mK；測溫范圍：40℃～3100℃；測溫精度：max(±5%，±10%)；視場角：13.7°×10.6；工作溫度：－20℃～＋60℃。

測試現(xiàn)場選定溫壓彈的爆心位置，將BDB50型紅外目標模擬器放置于爆心位置，分別將紅外熱像儀放置于距離爆心1m、6m、10m、15m、30m、98m處，調(diào)整積分時間，針對不同的距離在同一積分時間和增益條件下分別對紅外熱像儀進行標定，并記錄相應的數(shù)據(jù)，以獲得紅外熱像儀在測試現(xiàn)場的輸出與距離的性能曲線。同樣，在實驗室，設定測試現(xiàn)場環(huán)境條件，德國的LUMASENSE-M390黑體輻射源依次設定溫度為800℃、1000℃、1500℃、1700℃、1900℃、2500℃，將熱像儀與黑體輻射源的距離調(diào)整為60cm，調(diào)整積分時間，分別進行定標，以獲得紅外熱像儀在測試現(xiàn)場條件下的輸出與溫度的性能曲線。

測量開始前將紅外熱像儀放置在距離爆心98m處，此位置同時放置Mikron-M1362型CCD高速相機并處于待觸發(fā)狀態(tài)。紅外熱像儀于爆炸前開啟，并對整個爆炸過程進行采集。

3 實驗結(jié)果及分析

引爆后，對熱像儀采集到的灰度圖進行處理，得到爆炸各階段火球溫度場相對強度空間分布，如圖4。進行對比分析可得在爆炸過程中爆炸火球呈體積逐漸增大、溫度逐漸降低的變化規(guī)律。本次試驗溫度場最大值出現(xiàn)在第5幀，溫度為2881℃。

圖4 溫度最大值火球溫度場輻射度空間分布圖

本試驗中各測量的取值分別為＝0.784，0＝0.165，＝0.122，＝0.1812mm，＝5000m，＝98m；實驗地點所處海拔高度約為980m，取h＝0.8486。根據(jù)(2)～(4)式，可計算1＝0.7807、2＝0.9959、＝0.8247。

利用(7)式，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)反演出爆炸火球溫度場真實溫度，爆炸后1500ms溫度最大值具體取值如表1所示，其隨時間變化曲線如圖5(a)所示。

由圖5(a)可知，溫壓彈引爆后溫度迅速攀升到最高值，在引爆后250ms時出現(xiàn)最大值2881℃，并持續(xù)穩(wěn)定約300ms，開始逐漸下降?；鹎蜃罡邷囟仍?000℃以上的持續(xù)時間為1300ms。

根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后得到爆炸火球1000℃以上溫度場散布范圍隨時間變化曲線如圖5(b)所示，參試藥劑引爆后溫度場范圍逐漸擴大，300ms后到達最大值后迅速減小，至8m左右保持穩(wěn)定，持續(xù)一段時間后瞬間縮小。最大范圍出現(xiàn)在300ms時，最大值為12.61m，其溫度場分布如圖6(a)所示。

表1 爆炸后1500ms溫度最大值點統(tǒng)計

圖5 爆炸后火球溫度最大值和火球溫度場散布范圍隨時間變化曲線

圖6 引爆后1000℃及其以上溫度最大散布范圍溫度場分布和可見光波段火球直徑分布

在圖6(a)中可以看出，在1000℃以上火球溫度場最大散布范圍，及此溫度場的具體溫度分布情況，其溫度分布相對均勻，2500℃以上高溫區(qū)域所占比例相對較大，火球整體溫度較高。本實驗對所有1000℃以上火球溫度場進行逐一分析，所得溫度場分布與圖6(a)類似，可以得出結(jié)論，此溫壓彈性能穩(wěn)定性好。

測試現(xiàn)場同時使用高速相機進行同步拍攝，選取直徑最大的圖像進行處理，得到如圖6(b)所示的處理結(jié)果。標桿A、B如圖6(b)所示，兩標桿之間的像素差為433，激光測距儀測得兩標桿之間的實際距離為20m，爆炸后火球直徑在圖像中占有285個像素，計算得到在可見光波段測得爆炸火球?qū)嶋H直徑為13.16m。

溫壓彈試驗結(jié)果匯總于表2。

表2 實驗結(jié)果匯總

4 結(jié)論

通過搭建紅外熱像儀測溫系統(tǒng)，對溫壓彈爆炸試驗進行測量。測試結(jié)果表明：測試現(xiàn)場的環(huán)境極大地影響了大氣透射率，進而影響紅外熱像儀的測量精度，必須對紅外熱像儀進行實時實地校準，以確保測試數(shù)據(jù)的可靠性。測量數(shù)據(jù)經(jīng)整理分析成功獲得了溫壓彈爆炸后的溫度場數(shù)據(jù)，包括：①爆炸火球的最高溫度為2881℃，測量精度約為＋8.7%；②1000℃及其以上溫度場持續(xù)時間為1300ms。③1000℃及其以上溫度場最大散布范圍為12.61m，測量精度約為－4%。測量精度均符合測試要求精度±10%。此溫壓彈在熱效能方面整體性能良好且穩(wěn)定，通過與可見光的測量對比，進一步確定了數(shù)據(jù)的可靠性。

[1] 周莉. 溫壓炸藥的爆炸參數(shù)測試與威力評估[D]. 南京: 南京理工大學, 2013.

ZHOU Li. Explosion parameter measure and power evaluation of thermobaric explosive[D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2013.

[2] 鄧金榜. 四種溫壓炸藥綜合毀傷效應研究[D]. 南京: 南京理工大學, 2013.

DENG Jin-bang. Study of the damage effects of four thermobaric explosives[D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2013.

[3] 蘇佳偉, 石俊生, 汪煒穡. 距離對紅外熱像儀測溫精度影響及提高精度的實驗研究[J]. 紅外技術, 2013, 35(9): 587-590.

SU Jia-wei, SHI Jun-sheng, WANG Wei-se. Experimental study of infrared thermal imagers about influence of distance for temperature measurement accuracy and method of improving accuracy[J]., 2013, 35(9): 587-590.

[4] 黃磊. 不同炸藥爆源的爆炸場熱效應分析與測試[D]. 南京: 南京理工大學, 2012.

HUANG Lei. Analysis and testing on explosion heat effect of different explosives[D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2012.

[5] 陸子鳳. 紅外熱像儀的輻射定標和測溫誤差分析[D]. 北京: 中國科學院研究生院, 2010.

LU Zi-feng. Radiometric calibration and temperature measurement error analysis of infrared thermal imager[D]. Beijing: Graduate University of Chinese Academy of Sciences, 2010.

[6] 武錦輝, 楊瑞峰, 王高, 等. 用散斑干涉光譜分布檢測瞬態(tài)溫度[J]. 光電工程, 2012, 39(9): 132-137.

WU Jin-hui, YANG Rui-feng, WANG Gao, et al. Test of transient temperature for spectrum distribution of the speckle pattern interferometry[J]., 2012, 39(9): 132-137.

[7] 張澎, 郭玲, 王琦, 等. 基于標準黑體的物體表面發(fā)射率計算方法研究[J]. 紅外, 2014, 35(9): 6-9.

ZHANG Peng, GUO Ling, WANG Qi, et al. Study of calculation method about surface emissivity objects based on standard blackbody[J]., 2014, 35(9): 6-9.

[8] 劉連偉, 楊淼淼, 樊宏杰, 等. 一種表面發(fā)射率的測量方法研究[J]. 激光與紅外, 2014, 44(2): 152-157.

LIU Lian-wei, YANG Miao-miao, FAN Hong-jie, et al. Method for surface emissivity measurement[J]., 2014, 44(2): 152-157.

[9] 郭偉平, 王高, 馮進寶. 基于單片機的藍寶石光纖黑體腔高溫測試技術[J]. 傳感器世界, 2014, 20(3): 22-25.

GUO Wei-ping, WANG Gao, FENG Jin-bao. High temperature measurement technology with blackbody sapphire fiber sensors based on MCU[J]., 2014, 20(3): 22-25.

[10] 王同瑞. 紅外熱像檢測技術在土地溫度場中的應用研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2011.

WANG Tong-rui. Study on the application of infrared thermal imaging detection technology in land temperature field[D]. Shanghai: Shanhai Jiao Tong University, 2011.

[11] 趙晨陽, 馮浩, 黃曉敏, 等. 紅外測溫技術在爆炸場溫度測試中的精度研究[J]. 紅外技術, 2014, 36(8): 676-679..

ZHAO Chen-yang, FENG Hao, HUANG Xiao-min, et al. Research on the precision of the infrared temperature-measuring technology in explosion fields temperature test[J]., 2014, 36(8): 676-679.

[12] 張曉龍, 劉英, 王健, 等. 不同非均勻性校正溫度的紅外測溫技術[J]. 中國光學, 2014, 7(1): 150-155.

ZHANG Xiao-long, LIU Ying, WANG Jian, et al. Infrared thermometry technology with different nonuniformity correction temperatures[J]., 2014, 7(1): 150-155..

Explosive Temperature Field Test of the Thermobaric Bomb Based on the Infrared Thermal Imager

TIAN Peipei，ZHANG Meng，WANG Gao，LI Yangjun，WU Jingzhi

(,,030051,)

The complex field environment has greatly affected the measurement accuracy of the explosion temperature field by the infrared thermal imager. In this paper, the factors affecting the precision of temperature measurement are analyzed from the theoretical point of view, and the relevant improving measures are put forward. In the thermobaric bomb explosion test field, the infrared thermal imager is calibrated by field standard black body. The explosion processes of the temperature and pressure bomb are collected accurately and the relevant data are extracted. The experimental data is processed via MATLAB, and then the temperature field distribution of the explosion fireball surface is obtained: the maximum temperature of the explosion fireball surface is 2881℃;the temperature field duration is 1300ms at 1000℃ and above; the maximum distribution range of the temperature filed is12.61m at 1000℃ and above. Moreover, the CCD high speed camera is set up to carry out the visible light band. The results show that the test data have high accuracy and reliability.

infrared thermal imager，temperature measurement accuracy，thermobaric bomb，temperature field distribution

TN216

A

1001-8891(2016)03-0260-06

2015-09-07；

2015-10-12.

田培培（1985-），漢族，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事激光及紅外熱像儀測溫技術方面的研究。E-mail：tpp03@qq.com。

國家青年基金（11304289），山西省回國留學人員科研資助項目（2014-054，2015-076）。