紅外測溫技術(shù)測量溫壓炸藥爆炸溫度

程麗鵬，張 猛，王 高，李仰軍

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紅外測溫技術(shù)測量溫壓炸藥爆炸溫度

程麗鵬，張 猛，王 高，李仰軍

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原，030051)

為了準確測量溫壓炸藥爆炸溫度，提出一種利用紅外熱像儀測量爆炸溫度的方法。根據(jù)輻射測溫原理建立紅外熱像儀測溫模型，首先，結(jié)合爆炸火球輻射特性，進行紅外熱像儀的輻射定標、推導(dǎo)爆炸溫度的計算公式，火球輻射溫度反演。然后，討論發(fā)射率和大氣光譜透過率對測溫精度的影響，并給出對應(yīng)的補償方法。以PMX炸藥為例，應(yīng)用該方法進行輻射定標和爆炸溫度測量，獲得爆炸火球隨時間變化曲線。實驗證明該方法是一種高穩(wěn)定性、簡單有效的測溫方法，本研究為爆炸場溫度測試提供了切實可行的解決方案。

溫壓炸藥；紅外熱像儀；爆炸溫度；測量

溫壓彈作為一種具有“溫壓效果”的非傳統(tǒng)炸藥，主要依靠高壓沖擊波、熱效應(yīng)和破片作用毀傷目標。由于爆炸過程在毫秒間完成，熱量難以積累，導(dǎo)致爆溫測試的困難很大，因此對溫壓炸藥的評估集中在沖擊波壓力測試方面[1-2]。

隨著紅外探測器的發(fā)展，紅外熱像儀可以實現(xiàn)高密度焦平面和高幀速讀出功能，溫度靈敏度達到5mK，能夠滿足爆炸場的精確測溫需求。目前以紅外熱像儀為主的紅外測溫技術(shù)被廣泛應(yīng)用于溫壓炸藥的爆溫測試[3-4]，但應(yīng)用于爆溫測試的輻射測溫關(guān)鍵技術(shù)研究很少。

本文在輻射測溫理論基礎(chǔ)上，根據(jù)溫壓炸藥爆炸火球這一特殊輻射源建立了基于紅外熱像儀的測溫模型，將該模型應(yīng)用于溫壓炸藥爆炸溫度的測量。實驗證明，紅外熱像儀完整記錄爆炸過程，并且該測溫模型能夠很好地應(yīng)用于爆炸場溫度測定，為溫壓炸藥的設(shè)計和熱毀傷效應(yīng)研究奠定了基礎(chǔ)。

1 紅外熱像儀的測溫模型

應(yīng)用紅外熱像儀進行爆炸場紅外輻射特性測量主要需經(jīng)過3個步驟：紅外熱像儀的輻射定標；爆炸目標測量；火球輻射溫度反演。

1.1 紅外熱像儀輻射定標

輻射定標的意義在于確立熱像儀探測器的每個探測單元像元響應(yīng)與目標輻射能量之間的對應(yīng)關(guān)系。

輻射定標包括兩種類型：實驗室定標和外場定標。實驗室定標在測試環(huán)境相對理想的情況下進行，定標數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高，可重復(fù)性強，定標的精度高；外場定標是在實驗室定標的基礎(chǔ)上，在野外環(huán)境下進行輻射定標，定標流程與實驗室相同。一般情況下輻射測量實驗是在外場進行，因此針對測試現(xiàn)場環(huán)境的輻射定標是很有必要的，但由于進行溫壓炸藥爆炸的場地環(huán)境復(fù)雜，實現(xiàn)現(xiàn)場定標困難極大。因此，本文的輻射定標以實驗室定標為準，利用大氣透過率修正復(fù)雜環(huán)境對目標輻射的影響。

實驗室中使用黑體對熱像儀進行定標時，需要選擇高溫區(qū)域（800℃以上）作為標定的溫度范圍，調(diào)節(jié)紅外熱像儀鏡頭使黑體輻射面充滿紅外系統(tǒng)視野，并且成像清晰。定標過程保持實驗室環(huán)境恒定，盡量減少大氣衰減和程輻射的影響。

黑體輻射源的熱輻射量可根據(jù)普朗克公式進行計算。假設(shè)黑體設(shè)定的溫度為，黑體表面輻射出射度為L，則紅外系統(tǒng)接收輻射量可表示為：

式( 1 )中：為黑體發(fā)射率；1和2分別表示第1輻射常數(shù)和第2輻射常數(shù)；1和2表示探測器接收輻射量的波段范圍。

在探測器響應(yīng)波段范圍內(nèi)，紅外熱像儀探測器響應(yīng)的像元灰度值D與接收到的輻射出射度L間的關(guān)系如下[5]：

D=L+( 2 )

式( 2 )中：為系統(tǒng)等效響應(yīng)度；為響應(yīng)截距。響應(yīng)截距主要來源于紅外系統(tǒng)內(nèi)部自身輻射和噪聲引起的偏置輸出等因素引起的像元灰度響應(yīng)。上述輻射定標模型具體形式由定標實驗的像元灰度值響應(yīng)曲線決定。

1.2 爆炸目標測量

溫壓炸藥是一種新型混合炸藥，主要包括：高能炸藥、氧化劑、高熱值金屬粉和黏結(jié)劑等成分，其爆炸過程比常規(guī)高能炸藥更加復(fù)雜，爆炸釋能過程分為3個階段：高能炸藥的無氧燃燒反應(yīng)；燃料顆粒和爆轟產(chǎn)物的無氧燃燒反應(yīng)；有氧后燃反應(yīng)。前兩個階段持續(xù)時間極短，為微秒量級；第3階段的有氧燃燒實現(xiàn)燃燒粒子的充分燃燒，持續(xù)時間可到幾百毫秒。實驗中使用的紅外熱像儀由于其采樣頻率的限制，測得的爆炸場數(shù)據(jù)多為第3階段的有氧燃燒過程。

溫壓炸藥被起爆后，迅速形成高溫且富含燃料的爆炸火球。應(yīng)用紅外熱像儀測量爆炸熱輻射時可將爆炸火球等效為灰體。爆炸火球向四周發(fā)射的紅外輻射與其自身的溫度存在著精確的定量關(guān)系。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。爆炸火球發(fā)出的熱輻射轉(zhuǎn)換為紅外探測器溫度表征信號的過程為：爆炸火球輻射、背景輻射和大氣輻射經(jīng)過大氣傳輸?shù)竭_紅外熱像儀，再經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)被紅外探測器收集，進一步經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為可見的像元響應(yīng)灰度值。火球輻射測溫原理如圖1所示。

圖1 輻射測溫原理

由紅外輻射特性可知，熱像儀接收到的目標輻照度[6]為：

式（3）中：為目標表面發(fā)射率；為大氣的光譜透過率；為大氣發(fā)射率；為表面吸收率；T為被測目標表面溫度；為大氣溫度；T為環(huán)境溫度；0為熱像儀最小空間張角所對應(yīng)的目標可視面積；為該目標到測量儀器之間的距離。通常情況下0-2為一常數(shù)。

測量火球輻射特性時，大氣溫度和環(huán)境溫度引起的程輻射占目標輻射總量的1%不到，考慮忽略不計。因此，目標輻照度可簡化為：

在熱像儀工作的窄波段范圍內(nèi)通?？烧J為τ、ε與無關(guān)，因此熱像儀的響應(yīng)電壓可表示為：

式（5）中：是與被測目標無關(guān)的常數(shù)，它與探測器的響應(yīng)度和光學(xué)系統(tǒng)的透射率等因素有關(guān)，可由定標實驗獲??；L(T)為光學(xué)系統(tǒng)接收的光譜輻亮度。

綜上所述，熱像儀的響應(yīng)電壓與被測目標溫度的函數(shù)關(guān)系可表示為：

1.3 火球輻射溫度反演

根據(jù)紅外熱像儀采集的輻射量數(shù)據(jù)溫度反演可得到爆炸火球溫度。由公式（6）響應(yīng)電壓與溫度的函數(shù)關(guān)系，結(jié)合相應(yīng)的熱像儀定標數(shù)據(jù)，可計算出任意點的真實溫度。

2 紅外熱像儀的精確測溫

2.1 發(fā)射率確定

由公式（6）可知，發(fā)射率是紅外熱像儀實現(xiàn)精確測溫的最大不確定因素。發(fā)射率與物體的表面狀態(tài)、材料成分和溫度等因素有關(guān)，甚至當輻射入射角發(fā)生變化時發(fā)射率也會發(fā)生變化，因此發(fā)射率的準確測量一直是科研工作者的難題，人們對此進行了大量的研究[7-8]。

使用紅外熱像儀進行溫壓炸藥爆炸溫度測量時，由于爆炸過程持續(xù)時間在幾百毫秒，精確測量爆炸火球的發(fā)射率和現(xiàn)場發(fā)射率標定相當困難。因此，本文采取分析爆炸產(chǎn)物的方法設(shè)定爆炸火球的發(fā)射率。以含鋁溫壓炸藥為例，爆炸產(chǎn)物主要成分為碳氫化合物和微量的含鋁化合物[9]，其成分與煤粉粒子燃燒過程等效，因此設(shè)定溫壓炸藥爆炸產(chǎn)物平均發(fā)射率為0.80~0.82之間[10-11]。

2.2 大氣光譜透過率計算

在大氣中進行火球輻射量測量時，大氣分子、懸浮微粒和氣溶膠粒子對火球紅外輻射產(chǎn)生吸收和散射衰減。因此，為實現(xiàn)精確測溫，得到爆炸火球本征輻射量，必須對目標實驗數(shù)據(jù)進行大氣修正。

目前，國內(nèi)外對紅外輻射大氣透過率計算途徑有兩種[12]：專業(yè)計算軟件精確計算；利用經(jīng)驗公式粗略估算。經(jīng)驗公式計算相比專業(yè)軟件來說，具有便捷和易于實現(xiàn)的優(yōu)勢，其計算結(jié)果與Lowtran相比，誤差在4%以內(nèi)[13]。因此，本文的大氣透過率計算采用工程上常使用的經(jīng)驗公式進行計算。

大氣對爆炸火球輻射衰減表現(xiàn)為大氣分子、懸浮微粒的吸收和散射。工程計算中，一般只考慮水蒸氣和二氧化碳引起的衰減。大氣的光譜透過率計算過程如下：

式（7）~（10）中：為總透過率；1為大氣吸收透過率；2為大氣散射透過率；、0、分別為與大氣窗口相關(guān)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；為氣壓等效傳輸距離。

3 實驗

為驗證測溫模型的有效性，應(yīng)用定制的GH-G003型紅外熱像儀進行測量實驗。熱像儀性能指標：探測器類型UFPA(384×288)；幀頻40Hz；波長范圍7.7～12.6μm；噪聲等效溫差≤80mK；視場角為：13.7°× 10.6°；測溫范圍40～3 100℃。

3.1 輻射定標實驗

在實驗室利用美國MIKRON 公司生產(chǎn)M390C-2 型高溫黑體爐和定制的GH-G003型紅外熱像儀進行輻射定標。M390C-2 型高溫黑體爐參數(shù)為：工作溫度范圍600~3 000℃；發(fā)射率0.99；溫度分辨率0.1℃。實驗室定標裝置如圖2所示。

圖2 實驗室定標裝置

保持實驗室溫濕度恒定，設(shè)置熱像儀積分時間為24μs，調(diào)節(jié)熱像儀使黑體成像清晰，重復(fù)設(shè)定黑體溫度，待溫度穩(wěn)定后，采集數(shù)據(jù)。將定標數(shù)據(jù)代入公式（1）計算得到像元響應(yīng)灰度值與黑體輻射出射度的響應(yīng)曲線，定標結(jié)果如圖3所示。

圖3 定標結(jié)果

利用最小二乘法將定標曲線進行擬合，得到熱像儀的定標函數(shù)為：

D=12 230×L-803.9 （11）

該擬合曲線的確定系數(shù)-square=0.999 9。-square表征擬合效果的好壞程度。當確定系數(shù)越接近 1，表示擬合效果越好，即擬合曲線越接近探測器實際的響應(yīng)曲線。

3.2 溫壓炸藥爆炸實驗

實驗樣品為預(yù)置破片的PMX藥柱，裝藥量為7 kg，長徑比約為1.2。測試地點選擇在比較開闊的曠野，將藥柱放置在高度為1.5m的木質(zhì)支架上，采取電雷管起爆方式。根據(jù)安全性原則和熱像儀視場角的綜合考慮，將紅外熱像儀放置在距離爆心104 m位置處。調(diào)節(jié)熱像儀保持成像清晰度與實驗室定標的一致性。實驗現(xiàn)場的氣壓和溫濕度由標準儀器進行采集和記錄。

測試現(xiàn)場溫度為29.7℃，濕度為34.6%，大氣壓強為971hPa。測試過程中，經(jīng)驗常數(shù)的取值：=0.784，0=0.165，=0.122，根據(jù)溫度查表可得可凝水量=0.349 2mm，=5km。計算得：1=0.715 5，2=0.99，=0.715 1。

紅外熱像儀清晰地記錄炸藥爆炸的全部過程。炸藥共有兩個平行樣本，選取其中一次溫度最高的圖像，如圖4所示。根據(jù)測溫模型的公式應(yīng)用MATLAB軟件自行編寫圖象處理軟件處理測得的實驗數(shù)據(jù)，計算可得爆炸火球溫度。溫度計算結(jié)果和爆炸火球溫度變化曲線見表1和圖5所示。

表1 爆炸400ms火球參數(shù)

Tab.1 The blast fireball parameters within 400ms

圖4 爆炸火球溫度最高時刻圖像

圖5 火球最高溫度隨時間變化曲線

4 結(jié)論

以爆溫測試為研究目標，建立了熱像儀測溫模型，提出影響測溫精度的主要因素，并給出對應(yīng)的補償方法。借助于高溫黑體爐的定期輻射定標實驗，通過對溫壓炸藥爆炸場進行測量，獲得爆炸火球隨時間變化曲線。應(yīng)用于溫壓炸藥爆溫測試的紅外測溫技術(shù)的特點是：在不干擾爆炸溫度場的前提下，對火球輻射實現(xiàn)實時測量，并且能夠進行溫度反演。多次實驗結(jié)果表明：該方法是一種高穩(wěn)定性、簡單有效的測溫方法，可為爆炸場溫度測試提供切實可行的解決方案，為新型炸藥的設(shè)計和熱效應(yīng)評估的研究提供參考。

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The Explosion Temperature Measurement of Thermal-Baric Explosive Based on Infrared Thermometric Techniques

CHENG Li-peng，ZHANG Meng，WANG Gao，LI Yang-jun

(State Key Laboratory for Electronic Test Technology, North University of China, Taiyuan，030051)

In order to accurately measure the explosion temperature of thermal-baric explosive, a new measurement method with an infrared thermal imager was brought forward. Based on the principle of radiation temperature measurement, the temperature measurement model of infrared thermal imaging system is established. Firstly, combined with the radiation characteristics of the explosion, infrared radiation calibration is performed, the calculation formula of explosion temperature is deduced and fireball radiation temperature inversion is conducted. Then, the influence of emissivity and atmospheric spectral transmittance on the temperature measurement accuracy is discussed, and the corresponding compensation methods are given. For the example of PMX, the fireball temperaturetime curve was obtained after radiometric calibration and explosion temperature measurement. Experiments indicate that the temperature measurement method is highly stable, simple and effective, which provides a feasible solution for the explosion field temperature test.

Thermal-baric explosive；Infrared thermal imager；Explosion temperature；Measurement

1003-1480（2016）04-0049-05

TQ564

A

2016-03-29

程麗鵬（1990-），男，碩士研究生，主要從事紅外輻射特性測量及紅外熱像儀研究。

國家自然科學(xué)基金（61473267）。