基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜的武器發(fā)射氣體濃度在線檢測研究

彭澎， 狄長安， 張永建， 陳昊飛， 宋煒， 尹強(qiáng)

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

0 引言

隨著安全格局和戰(zhàn)場環(huán)境的變化，近程防御對(duì)武器發(fā)射的隱蔽性提出了更高的要求，因此具備有限空間發(fā)射能力的單兵武器得到了優(yōu)先發(fā)展，其不僅能夠在街巷、溝壑等復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行射擊，同時(shí)其優(yōu)于常規(guī)武器的靈活性和機(jī)動(dòng)性能夠更大程度地減少戰(zhàn)場傷亡[1]。有限空間內(nèi)武器點(diǎn)火發(fā)射過程中，場內(nèi)會(huì)產(chǎn)生高壓、高溫、強(qiáng)振動(dòng)[2-3]，同時(shí)由于發(fā)射空間狹小，空氣流動(dòng)性差，火藥燃燒產(chǎn)生的有害氣體會(huì)迅速聚集[4-5]，且擴(kuò)散較慢，不僅對(duì)武器系統(tǒng)的正常使用產(chǎn)生威脅，同時(shí)也影響到射手的身體健康[6]。有研究表明，神經(jīng)中樞在缺氧5 min后會(huì)出現(xiàn)功能缺陷，甚至功能喪失[7-8]。相比于氧氣，一氧化碳(CO)與人體中血紅蛋白結(jié)合能力更強(qiáng)，當(dāng)CO濃度超過290 mg/m3時(shí)，人會(huì)出現(xiàn)頭暈，當(dāng)CO濃度超過11 700 mg/m3時(shí)，數(shù)分鐘內(nèi)可致人死亡[9]，因此對(duì)武器發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的有害氣體進(jìn)行測量在武器系統(tǒng)及其副效應(yīng)研究中顯得尤為重要。通過分析有害氣體成分、濃度、擴(kuò)散規(guī)律，可以改進(jìn)武器設(shè)計(jì)、降低有害氣體對(duì)射手的傷害風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而保證武器在未來戰(zhàn)場中發(fā)揮更加優(yōu)異的性能。

在氣體濃度檢測領(lǐng)域，主要有電化學(xué)和光學(xué)兩種檢測手段[10]，其中電化學(xué)方法是通過化學(xué)傳感器中的工作電極與被測氣體產(chǎn)生極化反應(yīng)，利用兩極電勢(shì)的變化與被測氣體濃度呈比例關(guān)系實(shí)現(xiàn)氣體濃度檢測，該方法原理簡單、操作方便，但傳感器響應(yīng)遲滯嚴(yán)重，很難滿足快速響應(yīng)的檢測要求[11-12]。屈東勝等[13]利用波長調(diào)制光譜技術(shù)測量溫度載荷下氣體壓強(qiáng)、溫度和組分濃度，無需提前標(biāo)定，測量結(jié)果精度較高。夏慧等[14]通過多次反射和自平衡探測相結(jié)合的方法，為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)應(yīng)用于氣體濃度在線診斷提供了可能。胡嵐等[15]對(duì)溫壓彈爆轟氣體產(chǎn)物進(jìn)行了靶場實(shí)時(shí)測試，得到了溫壓彈爆轟時(shí)氣體的濃度變化情形。王宏等[16]建立了武器發(fā)射時(shí)身管口部煙焰檢測方法，驗(yàn)證了火藥成分與透光率的關(guān)系。

綜上所述，武器發(fā)射時(shí)有害氣體對(duì)人體的影響與氣體濃度和作用時(shí)間密切相關(guān)。常用的電化學(xué)傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度為15 s左右，且只能測量某些點(diǎn)的濃度，測量精度低，不能滿足有害氣體危害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需求。同時(shí)，發(fā)射條件、裝藥、燃燒是否充分等條件的變化，也嚴(yán)重影響發(fā)射時(shí)產(chǎn)生氣體的濃度，使其差異較大，給氣體濃度傳感器測量的動(dòng)態(tài)范圍帶來了精度問題。因此，如果不能有效解決武器發(fā)射環(huán)境下有害氣體的準(zhǔn)確測量問題，有害氣體的產(chǎn)生及演變規(guī)律就無法知悉，更無法采取相應(yīng)的對(duì)策進(jìn)行控制與防護(hù)。

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)的發(fā)展為發(fā)射現(xiàn)場氣體濃度檢測提供了新的解決思路。本文開展TDLAS技術(shù)研究，建立一套能夠適用于發(fā)射現(xiàn)場的氣體濃度在線快速檢測系統(tǒng)，利用半導(dǎo)體激光良好單色性的“單線光譜”技術(shù)避免發(fā)射現(xiàn)場復(fù)雜背景氣體的干擾，利用有限空間內(nèi)發(fā)射單兵火箭的方式對(duì)比驗(yàn)證光學(xué)系統(tǒng)性能，同時(shí)利用半導(dǎo)體激光的可調(diào)諧性解決高溫、高壓、高粉塵等惡劣環(huán)境的影響。

1 基于TDLAS技術(shù)的氣體在線檢測模型

1.1 氣體濃度檢測原理

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)主要是通過改變注入電流的大小，利用分布反饋半導(dǎo)體激光器的窄線寬和可調(diào)諧性，對(duì)分子的單個(gè)或幾個(gè)距離很近、很難分辨的吸收線進(jìn)行測量，獲得被測氣體的特征吸收光譜[17]，根據(jù)特征吸收譜帶的強(qiáng)度變化計(jì)算被測氣體的濃度。

1.2 模型建立

由Lambert-Beer定律可知：

A=ln(I0/I)=?(v)XL，

(1)

式中：A為吸光度；I0為入射光初始強(qiáng)度；I為光穿過被測氣體后的強(qiáng)度；?(v)為吸光系數(shù)，即氣體在一定頻率v處的吸收線型；X為被測氣體體積濃度；L為光程長。

吸光系數(shù)?(v)與被測氣體總體壓強(qiáng)p、譜線強(qiáng)度S(T)和吸收譜線的線性函數(shù)g(v)有關(guān)，其中譜線強(qiáng)度S(T)只與溫度T有關(guān)：

?(v)=pS(T)g(v)，

(2)

被測氣體體積濃度X可以表示為

(3)

式中：溫度T時(shí)的譜線強(qiáng)度S(T)可表示為

(4)

T0為選取的參考溫度；Q為分割函數(shù)，E″i為低躍遷態(tài)的能量，i為能級(jí)編號(hào)，v0,i為躍遷頻率，h為普朗克常數(shù)，k為波爾茲曼常數(shù)，c為光速。

分割函數(shù)Q可以通過多項(xiàng)式擬合計(jì)算：

Q(T)=a0+a1T+a2T2+a3T3，

(5)

式中：a0～a3為系數(shù)。

表1給出了CO在70～1 500 K溫度范圍內(nèi)(5)式的各系數(shù)值。

表1 CO總的分子內(nèi)部分割函數(shù)多項(xiàng)式系數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由光譜儀、準(zhǔn)直系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3部分組成，其中光譜儀由信號(hào)發(fā)生器、分布式反饋激光器、激光控制器組成。激光器閾值電流為30 mA，輸出光功率為20 mW(注入電流40 mA)。利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方形波調(diào)控激光控制器，根據(jù)所需激光波長與加載電壓的關(guān)系設(shè)定高電平和低電平，使得激光器在一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生所需波長的激光。激光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)穿過有害氣體場，再經(jīng)光學(xué)端反射由探測器接收，轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，完成氣體濃度采集。

與傳統(tǒng)測量手段不同的是，激光器波長掃描頻率為5 000 Hz，掃描寬度可調(diào)，采用該技術(shù)獲取被測氣體吸收以及粉塵阻擋的光強(qiáng)信息。在每次的光譜掃描中，I和I0對(duì)于粉塵阻擋都是等比例變化的，而被測氣體的定量分析是基于光強(qiáng)的比率運(yùn)算，因此只要光束能夠穿過，基于TDLAS技術(shù)的氣體濃度檢測系統(tǒng)就不受武器發(fā)射時(shí)粉塵、視窗污染的影響，同時(shí)系統(tǒng)可修正環(huán)境溫度和壓力變化對(duì)測量的影響。

3 復(fù)雜成分下CO的提取方法

武器系統(tǒng)發(fā)射時(shí)，火藥氣體推動(dòng)彈丸一起加速運(yùn)動(dòng)，由于高溫高壓燃?xì)獾淖饔?，在空中?huì)產(chǎn)生水蒸汽以及其他各種氣體，如果處理不善，這些成分都會(huì)干擾CO的測量。圖2所示為CO在溫度296 K下其中一個(gè)吸收窗口的譜強(qiáng)度，圖中表明CO和水蒸汽的吸收峰存在多處疊加干擾，但經(jīng)仔細(xì)分析，在6 408.2 cm-1處，相比于水的吸收峰，CO的吸收峰與其無重疊且峰值較大，因此射擊過程中產(chǎn)生的燃?xì)馍淞髋c水不會(huì)對(duì)CO濃度測量產(chǎn)生干擾。為此，選擇CO吸收峰為6 408.2 cm-1.

單兵火箭發(fā)射產(chǎn)生的有害氣體成分復(fù)雜，為了進(jìn)一步避開CO吸收譜線與其他氣體之間的相互重疊、提高CO濃度測量精度，本文利用已知自由光譜范圍的標(biāo)準(zhǔn)具完成激光器出光的波長標(biāo)定。利用標(biāo)準(zhǔn)具中的干涉信號(hào)峰間距，標(biāo)定出掃描過程的時(shí)間- 頻率關(guān)系曲線，通過該曲線將原始光譜曲線轉(zhuǎn)換到頻率域，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收到有效的光譜數(shù)據(jù)后完成非線性擬合，分離出CO吸收譜線，最終得出準(zhǔn)確的CO濃度。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法

4.1 驗(yàn)證及現(xiàn)場測試方法設(shè)計(jì)

火箭彈在開放環(huán)境中發(fā)射，燃燒產(chǎn)生的CO會(huì)隨著沖擊波及燃?xì)馍淞餮杆贁U(kuò)散，為了更好地驗(yàn)證CO濃度在線檢測系統(tǒng)的性能，本文將單兵火箭固支在一個(gè)半密閉的房間內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火產(chǎn)生CO，有限空間既不影響CO的高速動(dòng)態(tài)變化，也能實(shí)現(xiàn)CO的短暫聚集，為在線動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)性能驗(yàn)證提供了一個(gè)可靠的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

如圖3所示，動(dòng)態(tài)檢測性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室分為發(fā)射間和測試控制間，其中發(fā)射間空間尺寸為長2.5 m×寬2.5 m，房間兩側(cè)開孔K1、K′1和K2、K′2，截面為矩形，孔中鑲嵌防彈玻璃。光學(xué)端發(fā)射的激光通過孔K1和K′1，防彈玻璃既能保證光學(xué)端激光順利通過，又能防止單兵火箭發(fā)射沖擊波掃過光學(xué)端，造成測試結(jié)果誤差較大，甚至數(shù)據(jù)丟失。發(fā)射間地面有隱蔽式走線槽，通過信號(hào)線將傳感器信號(hào)傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)。

電化學(xué)傳感器通過螺紋接口固定在安裝支架端，傳感器離地高度可通過同軸的中空桿調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)與TDLAS氣體濃度檢測系統(tǒng)測量同一高度氣體濃度場，同時(shí)利用沖擊波傳感器為采集系統(tǒng)提供觸發(fā)信號(hào)，保證采集系統(tǒng)在同一時(shí)刻啟動(dòng)。

4.2 測試精度驗(yàn)證

如圖4所示，在建立測試系統(tǒng)之前，利用標(biāo)準(zhǔn)配比的CO氣體對(duì)基于TDLAS技術(shù)和電化學(xué)兩套氣體濃度檢測系統(tǒng)開展測試精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。TDLAS氣體濃度檢測系統(tǒng)檢測精度為±4 mg/m3，電化學(xué)氣體濃度檢測系統(tǒng)精度為±24 mg/m3.

表2 CO濃度在線檢測系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

4.3 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

某型單兵火箭彈安裝在位于發(fā)射間的固定支架上，在控制間遠(yuǎn)程擊發(fā)點(diǎn)火，同時(shí)CO濃度檢測系統(tǒng)進(jìn)行采集。CO在線檢測性能驗(yàn)證現(xiàn)場布置如圖5所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖6所示為第1發(fā)～第3發(fā)火箭彈射擊后CO濃度場在線檢測結(jié)果。由圖6分析可知：因?yàn)閿?shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用沖擊波信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)，所以0 s時(shí)刻可以近似認(rèn)為火藥燃燒產(chǎn)生的CO氣體出現(xiàn)時(shí)刻，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，兩套在線檢測系統(tǒng)CO濃度先后均出現(xiàn)了變化，TDLAS氣體濃度檢測系統(tǒng)先于電化學(xué)氣體濃度檢測系統(tǒng)響應(yīng)，且前者對(duì)于快速變化的CO濃度場的響應(yīng)明顯快于后者；從3發(fā)結(jié)果中也能宏觀地看出，TDLAS氣體濃度檢測系統(tǒng)測量的CO濃度場是不斷波動(dòng)的，這也符合有限空間中火箭彈發(fā)射時(shí)氣體擴(kuò)散方向、擴(kuò)散面積具有不確定性的規(guī)律；第1發(fā)電化學(xué)氣體濃度檢測系統(tǒng)顯示CO氣體濃度一直升高，直到采樣結(jié)束也未達(dá)到峰值，第2發(fā)和第3發(fā)延長采樣時(shí)間發(fā)現(xiàn)，在CO濃度達(dá)到某一個(gè)值后不再發(fā)生變化，同時(shí)這一穩(wěn)定值基本與同時(shí)刻TDLAS氣體濃度檢測系統(tǒng)采集得到的CO濃度接近，這也能說明兩套系統(tǒng)在測量靜態(tài)值時(shí)一致性較好。分析認(rèn)為出現(xiàn)上述較大差異現(xiàn)象的原因是火箭彈發(fā)射后，CO濃度在短時(shí)間內(nèi)急劇升高，而電化學(xué)氣體濃度檢測系統(tǒng)受其電極反應(yīng)及轉(zhuǎn)化效率的影響，無法快速響應(yīng)CO濃度場的變化。

對(duì)兩套氣體濃度檢測系統(tǒng)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)處理，處理結(jié)果如表3和表4所示。

表3 在線檢測CO濃度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 檢測系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間

由表3可見，TDLAS氣體濃度檢測系統(tǒng)測得的CO濃度平均峰值為894.4 mg/m3，電化學(xué)氣體濃度檢測系統(tǒng)測得的CO濃度平均峰值為437.9 mg/m3，明顯低于前者。分析認(rèn)為基于TDLAS技術(shù)的氣體濃度檢測系統(tǒng)測量的為路徑積分平均濃度，而電化學(xué)氣體濃度檢測系統(tǒng)測量的為點(diǎn)濃度，前者能夠更好地表征有限空間的氣體濃度場。在進(jìn)行有害氣體危害評(píng)估時(shí)，電化學(xué)氣體濃度檢測系統(tǒng)得到的CO測量值容易引起誤判，致使評(píng)估結(jié)果誤差較大。

由表4分析可知，TDLAS氣體濃度檢測系統(tǒng)平均在1.2 s時(shí)刻開始響應(yīng)，電化學(xué)氣體濃度檢測系統(tǒng)平均在5.0 s時(shí)刻開始響應(yīng)，在動(dòng)態(tài)測試中滯后了近4.0 s. 以TDLAS氣體濃度檢測系統(tǒng)采樣作為真值，電化學(xué)氣體濃度檢測系統(tǒng)得到的CO濃度相對(duì)誤差都在40%左右，可見電化學(xué)氣體濃度檢測系統(tǒng)響應(yīng)明顯滯后于光學(xué)的方法，且對(duì)氣體濃度的變化檢測靈敏度較低。

如圖7所示，單兵火箭彈改變發(fā)射裝藥量，進(jìn)行強(qiáng)裝藥實(shí)驗(yàn)，發(fā)射產(chǎn)生的CO氣體濃度增強(qiáng)，由于多發(fā)實(shí)驗(yàn)后電化學(xué)傳感器中催化材料的逐漸消耗，傳感器測量值出現(xiàn)超量程，自采集17.0 s后開始變化，響應(yīng)滯后更加明顯，同時(shí)CO濃度變化速率也明顯小于TDLAS氣體濃度檢測系統(tǒng)，而TDLAS氣體濃度檢測系統(tǒng)依然能準(zhǔn)確檢測CO濃度場的變化，量程不受限制。

TDLAS氣體濃度檢測系統(tǒng)可進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)采樣，圖8所示為3發(fā)火箭彈CO濃度場連續(xù)變化情況，火箭彈點(diǎn)火后，CO濃度出現(xiàn)突變，直至最大值；隨著空氣流動(dòng)，CO濃度開始減小，在衰減過程中會(huì)出現(xiàn)小幅波動(dòng)，分析認(rèn)為主要是武器發(fā)射后有限空間背景環(huán)境復(fù)雜，空氣流動(dòng)方向性差所致，最后有限空間內(nèi)CO完全擴(kuò)散，濃度為0 mg/m3.

6 結(jié)論

電化學(xué)氣體濃度檢測系統(tǒng)檢測響應(yīng)速度慢、動(dòng)態(tài)量程小，不能滿足武器系統(tǒng)發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的有害氣體成分及濃度測量要求，針對(duì)此問題，本文基于TDLAS技術(shù)，提出一種適用于武器發(fā)射現(xiàn)場的CO濃度在線檢測方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1) 基于TDLAS技術(shù)的CO濃度在線檢測方法能夠抑制環(huán)境干擾，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到1～2 s，比電化學(xué)氣體濃度檢測系統(tǒng)快5～15 s，有效量程上限可至100%(體積比)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場快速測量，同時(shí)滿足了動(dòng)態(tài)量程范圍大的測試要求。

2) TDLAS氣體濃度檢測系統(tǒng)快速跟隨，不存在無法歸零、零漂問題，解決了速射武器的測量問題。

3) TDLAS氣體濃度檢測系統(tǒng)測量值是空間場的氣體濃度，對(duì)有限空間內(nèi)武器發(fā)射效應(yīng)分析更有意義。