TNT 爆炸電磁輻射信號測量及分析

崔元博，孔德仁，張學輝，王良全

（南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094）

1 引言

炸藥在爆炸時會產生較強的電磁輻射，不同強度或頻率的電磁輻射會對一定范圍內的電子設備（如無人機、引信裝置、通信設備等）產生電磁干擾，嚴重時造成設備無法啟動甚至損壞，引發(fā)事故。為了提升電子設備抗電磁干擾性能，有必要對炸藥爆炸時產生的電磁輻射進行測量研究。

國外對炸藥電磁輻射的研究較早，1954 年Kolsky［1］首先發(fā)現(xiàn)了炸藥爆炸可以產生電脈沖這一現(xiàn)象，隨后國外學者相繼對該現(xiàn)象進行了實驗研究。Boronin［2-3］對凝聚炸藥爆炸產生電磁場的物理機制進行研究，提出通過爆炸產生無線電輻射的機制與激波前沿的電離空氣層中某些電子基因的加速或減速過程有關，這一觀點后被稱作“Boronin 效應”。Boronin 等人的工作首次詳細闡述了炸藥爆炸產生電磁輻射的機理，并給以后相關研究指引了方向。A.L.Kuhl 等［4］對TNT產生電磁波的機理進行了闡述，認為電離原子、離子和電子的運動是產生爆炸電磁波現(xiàn)象的原因，爆轟產物的膨脹在周圍空氣中引起強烈的震動，形成了持續(xù)時間約20 μs 的強烈熱波（約11000 K），這樣的溫度使空氣產生明顯的電離作用，離子斑塊的運動產生電流，這些 電 流 產 生 電 場 和 磁 場。另 外，Kuhl［5］對TNT 爆 炸 的數值模擬來研究這些運動的影響，采用高階Godunov公式對一維氣體動力學守恒定律進行積分，通過一個非常精細的網格化（10 μm）來獲得收斂的溫度和電導率剖面，用于預測TNT 爆炸產生的三維電磁波。

國內對含能材料電磁輻射的研究起步較晚，1997年陳生玉［6］對20～120 g 帶殼裝藥爆炸電磁輻射進行了研究，發(fā)現(xiàn)電磁脈沖的最大幅值隨藥量的增大而增大。此后十年間國內沒有相關研究報道，2014 年王長利等［7］對36～128 g B 炸藥和梯黑鋁兩種典型炸藥爆炸過程的電磁輻射進行了研究，測得這兩種炸藥爆炸產生的電場強度范圍為0.39～1.75 V·m-1，單一測試點的輻射強度與炸藥當量的1/3 次方呈線性關系，信號持續(xù)時間約0.5 μs，電磁輻射信號頻段主要集中在100 MHz 以下，不同種類的炸藥爆炸產生的頻譜特征明顯不同，但由于實驗樣本較少，未能給出電磁輻射與測點距離和炸藥當量的明確關系公式。栗建橋等［8］針對爆炸對自然磁場擾動進行理論機理和數值模擬研究，發(fā)現(xiàn)了炸藥起爆參數對磁場擾動有很大影響，指出炸藥幾何不對稱的時候，在自然磁場取不同方向時將會產生不同的磁場擾動強度，不同種類工況模擬得到的磁場擾動幅值不同，這一研究成果在相關領域尚且無人關注，具有較高的創(chuàng)新價值。任會蘭等［9］對4.5，6.0，7.5 kg 的B 炸藥爆炸過程中產生的電磁輻射進行測量，捕捉到了三個脈沖信號，發(fā)現(xiàn)第一個脈沖信號是爆轟產生的高溫高壓等離子體直接產生的電磁脈沖，其到達時間對炸藥藥量不敏感；第二個脈沖信號是空氣沖擊波陣面處形成的等離子體產生的電磁脈沖，其出現(xiàn)時間與炸藥當量呈指數關系，藥量越大出現(xiàn)時間越晚；第三個脈沖信號是沖擊波撞擊測量線圈引起的無效信號，電磁信號頻譜主要分布在0～50 kHz。

從國內外研究現(xiàn)狀來看，對于炸藥爆炸產生電磁輻射的研究，大多集中在10 kg 以下，缺少大當量炸藥電磁輻射相關研究，實驗測試點較少，測試點分布較集中，對爆炸場的電磁分布特征缺乏分析。為此，本研究采用雙天線協(xié)同測量及高速采集卡記錄數據方式，對60 kg TNT 爆炸產生的電磁輻射進行測量，利用信號降噪、傅里葉變換、補償衰減等方法對電磁信號進行分析，得到了較為全面、完整、精確的爆炸電磁輻射特性，以期為爆炸場電子設備抗電磁干擾設計提供參考數據。

2 實驗方法

采用短波天線和超寬帶天線協(xié)同測量方法，覆蓋頻段最高至500 MHz，使用高速采集卡記錄數據，信號時域數據精確至10-9s，記錄時長達810 ms。電磁輻射測量裝置如圖1 所示，前端測試點由短波無源全向天線、超寬帶無源全向天線、信號調理器組成，短波無源全向天線采樣帶寬為1.5～30 MHz，垂直極化方式，駐波比≤2.5，天線增益≥-35 dBi（大于5 MHz），最大承受功率50 W，輸出阻抗50 Ω，高度2000 mm；超寬帶全向天線為雙錐加載結構，垂直極化方式，采樣帶寬為30～512 MHz，天線增益在30～100 MHz 頻段≥-15 dBi，在0.1～3 GHz 頻段≥0 dBi，輸出阻抗50 Ω，高度450 mm；信號調理器為自主設計，具備合路器、信號放大器、限幅器三種功能，可以將兩種不同采樣頻段天線輸出的信號進行合路，同時將信號放大，放大系數為10 dB，限幅器功能是防止過高的信號功率對采集卡造成損壞，限制功率大于10 W。前端測試點通過同軸線纜（SYV50-5-1）與數據采集設備連接，采用SPECTRUM 公司的M4x.2212 型號高速采集卡記錄數據，設置最高采樣率1.25 GS·s-1，根據Nyquist 采樣定理，可采集最高500 MHz 頻率的信號，和天線采樣帶寬相匹配，采樣時長設置810 ms，其中觸發(fā)前采樣時長10 ms，觸發(fā)后采樣時長800 ms。

圖1 炸藥爆炸電磁輻射信號測量裝置Fig.1 Electromagnetic radiation signal measuring device of explosion

炸藥爆炸產生的電磁輻射實驗受到炸藥當量、引爆方式、化學成分以及地形和傳播距離等影響，不同實驗條件下產生的電磁脈沖頻譜不同，電磁波的幅度變化范圍也很大，實驗成本和難度較高，實驗重復性差［10-12］。由于炸藥爆炸時產生的電磁輻射呈現(xiàn)出以爆心為原點向四周發(fā)散的特點，測試獲得的爆炸場單點電磁輻射參數并不具有代表性，有必要研究爆炸場環(huán)境下電磁輻射多點同步測試方法。測試點分布如圖2a所示，根據被測工況的質量，參考相關實驗所測得的炸藥威力大小，考慮對天線等測量裝置的保護［13］，將距離爆心最近的測試點1 設置于15 m 位置，其余測試點分成兩條測試線，測試線1由測試點2、3、4、8組成，分布在爆心與掩體的連接線上，分別距離爆心20，35，50，100 m，測試線2由測試點5、6、7 組成，分別距離爆心20，35，50 m，測試線1 和測試線2之間夾角為45°。

圖2 測量天線布局及實驗現(xiàn)場圖Fig.2 Measurement antenna layout and experiment arrangement

炸藥爆炸電磁測試實驗現(xiàn)場如圖2b 所示，實驗場地平坦開闊，測量設備按照圖2a 所示測點分布圖進行安置，天線固定牢固，天線、信號調理器、同軸電纜之間連接處用錫箔紙進行屏蔽保護，強、弱電線纜進行隔離防止弱電線纜受到干擾，本實驗對60 kg TNT 爆炸產生的電磁輻射進行測量。

3 結果與討論

3.1 電磁輻射全時域及峰值信號

在實驗開始前，首先測試實驗場地電磁背景噪聲，測得環(huán)境背景中的電磁信號最大電壓62.5 mV，平均電壓12.531 mV，電磁信號波形平穩(wěn)無波動，可以認為實驗場地電磁噪聲對本次實驗干擾極弱，可以進行爆炸電磁輻射實驗，測得的電磁輻射信號如圖3 所示。

3.2 電磁輻射信號時域分析

從圖3 可以看出，60 kg TNT 爆炸產生的電磁輻射主 要 集 中 在 起 爆 后0～40 ms、70～170 ms、220～230 ms 等時間段，能量最集中時段為80～110 ms，在500 ms 之后則無明顯電磁信號產生，各個測試點所采集到的電磁信號持續(xù)時間大體一致，時間分布有一定規(guī)律性，在所有測試點中，1、2、3、5 點所測得的電磁信號最為密集，測試點8（掩體位置）的電磁信號持續(xù)時間最短，說明距離爆心的遠近對電磁信號采集有影響，距離爆心越遠，采集到的電磁信號持續(xù)時間越短，對于距爆心相同距離的測試點，不同的測試方向所測得的電磁信號持續(xù)時間也有所不同。

在采樣周期內電磁信號延遲時間、峰值到達時間、持續(xù)時間是電磁信號時域分析的關鍵參數，通過Sbench 數據處理程序可以非常精確地得到采樣周期內的電磁信號峰值坐標，為了便于全面分析電磁信號時域特性，將電磁信號關鍵參數列于表1。

從表1 可知，所有測試點在起爆后的首次電磁信號均出現(xiàn)在46～60 μs 附近，同等距離下，測試線2 方向上的電磁信號比測試線1 方向的電磁信號滯后5～10 μs。對比之前的研究，文獻［1］的實驗中炸藥爆炸產生的電磁輻射最大值出現(xiàn)在爆炸后50 μs 左右；文獻［9］實驗表明三個電磁脈沖信號和觸發(fā)點的時間差分別為0.019，4.424 ms 和20.514 ms；文獻［14］的實驗表明距離爆心2 m 處的測試點測得的電磁輻射信號出現(xiàn)時刻在爆炸后62～78 μs。由此可以看出，盡管理論上電磁輻射信號與觸發(fā)信號采樣時間應該一致，但實際上各個實驗所測的電磁信號延遲響應時間各不相同，說明炸藥爆炸產生電磁輻射是一個復雜的過程，電磁信號的延遲響應時間受到炸藥種類、質量、地形、測試系統(tǒng)等諸多因素影響。

圖3 60kg TNT 爆炸產生的電磁輻射信號及峰值信號放大圖Fig.3 Overall and enlarged peak signals of electromagnetic radiation generated by 60 kg TNT explosion

表1 60 kg TNT 爆炸產生電磁輻射信號主要時間參數Table 1 Main time parameters of electromagnetic radiation signals generated by 60 kg TNT explosion

圖4 電磁信號頻譜處理圖Fig.4 Spectrum processing diagram of electromagnetic signal

各個測試點所測得電磁信號持續(xù)時間在25～105 ms，隨著距離爆心越遠，持續(xù)時間越短；大部分測試點所測的電磁信號峰值出現(xiàn)時間在爆炸后0.3～0.4 ms，但測試點3 和測試點6 測得電磁信號峰值出現(xiàn)時間在80.936 ms 和29.855 ms，說明起爆后的相當一段時間內，爆炸場仍有可能產生較強的電磁輻射信號，這一點與其它爆炸參量（沖擊波、地震波、熱流密度等）幅值隨時間推移遞減的規(guī)律明顯不同［15-16］。另外，此前國內學者對爆炸電磁輻射的研究主要集中于起爆后50 ms 內，被測炸藥均在10 kg以下，本研究測量了10 kg以上炸藥爆炸產生的電磁輻射，并把采樣時長擴展到800 ms，發(fā)現(xiàn)了炸藥在起爆后數百毫秒時間依然可以采集到電磁信號，爆炸產生的電磁輻射具有持續(xù)性和間斷性。

3.3 電磁輻射信號頻域分析

炸藥爆炸過程中電磁輻射的頻譜分布是電磁信號分析中的重要參數，最常用的頻譜分析方法為快速傅里葉變換，通過對電磁輻射信號進行快速傅里葉變換，可以得到該電磁信號的頻譜分布，但是單純的快速傅里葉變換會使幅度比較小的頻點被覆蓋。由于炸藥爆炸產生的電磁輻射信號屬于隨機、未知被測信號，Haning 窗的泄露、波動都較小，選擇性也較高，選用Hanning 窗傅里葉變換對電磁信號進行處理。本次實驗中，在爆炸之前采集了電磁環(huán)境背景噪聲，由于實驗場地進行了無線電屏蔽措施，與實驗室相比，采集到的電磁環(huán)境背景噪聲較低，對背景噪聲信號進行db7 小波基5 層分解，將背景噪聲信號中淹沒的電磁信號提取出來［17］。電磁輻射信號頻譜分析過程如圖4 所示，通過對原始時域信號進行Hanning 窗傅里葉變換得到圖4a 的原始頻譜分布圖，采用同樣方法得到圖4b 的背景噪聲FFT 頻譜圖，從原始頻譜中濾除背景噪聲頻譜即可得到圖4c 的降噪頻譜圖，最后將提取處的背景噪聲中的淹沒信號補償給降噪頻譜圖，得到圖4d 所示處理后的電磁頻譜圖。

通過對各個通道采集得到的電磁輻射信號進行處理，得到如圖5 所示的60 kg TNT 爆炸電磁輻射頻率分布圖。由圖5 可知，60 kg TNT 爆炸產生的電磁輻射信號頻率主要集中在100 MHz 以下，不同測試點的頻譜分布差距較大，各測試點電磁信號頻譜參數如表2所示。

由此可見，距離爆心較近的測試點頻譜分布范圍較大，在0～100 MHz 頻段內均有分布，距離爆心較遠的測試點頻譜分布范圍較小，頻段主要集中在50 MHz 以內，距離爆心最遠的測試點8 頻譜分布范圍最小，能量最弱，說明距離遠近對電磁信號的頻譜分布有明顯影響，在同等距離下，不同方向的電磁頻率分布有一定差別，說明電磁輻射是呈不均勻分散傳播的。文獻［8］指出炸藥爆炸時在自然磁場取不同方向時會產生不同的磁場擾動強度，本實驗表明炸藥爆炸后電磁輻射在不同方向的頻譜分布是不均勻的，這一結果與文獻［8］的數值模擬一致。

圖5 60 kg TNT 爆炸電磁輻射頻譜分布Fig.5 Spectrum distribution of electromagnetic radiation generated by 60 kg TNT explosion

表2 各測試點電磁信號頻譜參數Table 2 Spectrum parameters of electromagnetic signals at all test points

3.4 電磁輻射強度分析

電磁射頻輻射危害主要包括防護位置、頻譜特性、功率強度、信號時域特征、防護要求等內容，瞬態(tài)電磁危害環(huán)境分析主要包括防護位置、頻段、強度等內容，其中電磁強度是電磁危害防護最重要的參考量值［18-19］。本試驗使用的炸藥質量較大，爆炸能量較強，數據采集設備被放置于掩體中保護，數據采集設備與前端傳感器（天線）之間距離較遠，實驗中采用SYV50-5-1 型同軸電纜進線信號傳輸，同軸線纜總長為100 m，隨著信號頻率的增加，該型號同軸線纜的衰減率會逐漸增大，在實驗數據處理中需進行衰減補償和增益修正，同時考慮天線系數、天線增益、信號調理器增益和轉接頭損耗等因素，本實驗裝置修正參數如表3 所示。

電磁測量系統(tǒng)前端電磁傳感器（天線）的輸出量是電壓值，利用天線系數、等效功率值可以將電壓值轉換為電場強度E（V·m-1），測量天線的輸出電壓為U（V），經過校準計量的天線增益為G（dB），天線系數為AF（dB·m-1），則有［20-21］：

式中，E 表示空間場強度，dBuV·m-1。

經過數據處理后的實驗結果如表4 所示，由表4 可知，對于60 kg TNT爆炸產生的電磁輻射強度，除了掩體處測試點8測得的電磁輻射強度極?。?.43 V·m-1）外，測試點1～7測得的電磁輻射強度在64.33～348.25 V·m-1，信號功率范圍在12.727～43.865 dBm，距離爆心最近（15 m）的測試點1 測得的電磁輻射強度最大，為348.25 V·m-1，測試線1 上測試點2～4 測得的電磁輻射強度從168.89 V·m-1至75.74 V·m-1依次遞減，測試線2上測試點5～7 測得的電磁輻射強度從151.99 V·m-1至64.33 V·m-1依次遞減。相比爆炸近場范圍的電磁輻射強度，距離100 m 處的測試點測得的電磁輻射強度極為微弱。對于相同距離、不同方向的測試點，其測得的電磁輻射強度也有一定差距，測試線2 上測試點測得的輻射強度普遍比測試線1 測得的強度低，相差范圍在11.1%～17.7%，相差不大但也進一步驗證了爆炸場電磁輻射傳播的不均勻性質。60 kg TNT 爆炸產生的電磁輻射強度峰值達到348.25 V·m-1，這一強度數值已經遠遠超過了GJB 8678-2015 陸軍用彈藥裝卸、裝填和發(fā)射電磁輻射環(huán)境標準由此可見此類炸藥爆炸產生的電磁輻射會對武器系統(tǒng)有不利影響。

表3 實驗數據修正參數Table 3 Experiment data correction parameters

表4 60kg TNT 爆炸電磁輻射強度Table 4 Electromagnetic radiation intensity generated by 60kg TNT explosion

4 結論

針對大當量炸藥爆炸過程產生的電磁輻射現(xiàn)象，進行了60 kg TNT 爆炸電磁輻射測量實驗，通過對實驗結果進行分析，得到如下結論：

（1）60 kg TNT 爆炸產生的電磁輻射可持續(xù)至爆炸后600 ms，電磁脈沖主要集中在0～300 ms，能量最集中時段為80～110 ms，由于此前相關文獻對該類實驗的研究都局限于爆炸后數毫秒內，從未對50 ms 后的電磁輻射進行測量，所以這一實驗結果應當引起重視。

（2）60 kg TNT 爆炸過程中，各個測試點在觸發(fā)時刻后的電磁信號到達時間集中在46～62 μs，根據最近幾年的相關研究，不同質量炸藥爆炸過程中首次電磁輻射信號出現(xiàn)時間不同，但都集中在100 μs 以內。

（3）60 kg TNT 爆炸產生的電磁輻射信號頻率主要集中在100 MHz 以下，距離爆炸越近的測試點測得的電磁信號頻譜分布更寬，能量更強，電磁輻射信號在不同方向的頻譜分布存在差異。

（4）60 kg TNT 爆炸產生的電磁輻射強度最大值為348.25 V·m-1，電磁輻射強度呈現(xiàn)出與爆心距離較強的相關性，隨著距離增大而遞減，且遞減幅度較大；對于相同距離、不同方向的測試點，其測得的電磁輻射強度也有一定差距，相差范圍在11.1%～17.7%。