用于爆炸火焰真溫場(chǎng)測(cè)量的多光譜熱成像儀研究

王振濤, 戴景民*, 楊 森

1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001 2. 東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001

引 言

近年來(lái), 隨著戰(zhàn)爭(zhēng)方式、 規(guī)模的逐漸改變及作戰(zhàn)武器的多元化, 武器彈藥種類和形式也不斷改進(jìn)和發(fā)展, 而武器威力的評(píng)估是評(píng)價(jià)武器性能、 反饋指導(dǎo)武器設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[1-2]。 對(duì)武器威力的評(píng)估又稱為目標(biāo)毀傷評(píng)估, 目標(biāo)毀傷評(píng)估包括沖擊毀傷評(píng)估、 熱輻射毀傷評(píng)估、 破片毀傷評(píng)估、 窒息毀傷評(píng)估等[3-4]。 本工作是針對(duì)熱輻射毀傷評(píng)估所展開(kāi)的爆炸火焰真溫場(chǎng)測(cè)量研究。

目前應(yīng)用于爆炸火焰測(cè)溫方面的儀器主要分為兩類: 點(diǎn)測(cè)溫儀器、 場(chǎng)測(cè)溫儀器。 點(diǎn)測(cè)溫儀器主要以接觸式熱電偶、 光纖式高溫計(jì)為主, 該類型測(cè)溫儀器可以測(cè)量出爆炸火焰隨時(shí)間變化的溫度曲線, 但缺少空間溫場(chǎng)數(shù)據(jù), 因此并不適用于彈藥的空間熱輻射毀傷評(píng)估; 相比之下, 場(chǎng)測(cè)溫儀器中的紅外熱像儀可以獲取到爆炸火焰的空間分布、 火焰尺寸、 燃料拋灑和云團(tuán)分布等信息, 但其拍攝速率較低, 難以滿足較高時(shí)間分辨率的測(cè)量需求。 高速CCD相機(jī)可以彌補(bǔ)該方面的缺陷。 目前, 國(guó)內(nèi)外已有一些學(xué)者將高速CCD相機(jī)應(yīng)用于爆炸火焰的溫場(chǎng)測(cè)量, 比如: 2011年, Densmore等[5]研制了一種高速成像高溫計(jì), 該儀器由兩臺(tái)單色高速CCD相機(jī)組成, 一個(gè)鏡頭組件為兩臺(tái)相機(jī)收集光線, 兩臺(tái)相機(jī)對(duì)應(yīng)的濾光片中心波長(zhǎng)為700和900 nm, 利用該高溫計(jì)實(shí)現(xiàn)了TNT炸藥爆炸時(shí)的溫度測(cè)量; 2018年, 占春連等[6]通過(guò)大口徑卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)收集爆炸火焰的光譜輻射信息, 并采用分束鏡將爆炸火焰燃燒時(shí)所發(fā)射出的光信號(hào)分為兩部分, 其中一部分與集束光纖耦合, 成像在集束光纖的入口處, 另一部分被成像在高分辨率面陣CCD 接收面上, 光纖部分為多波長(zhǎng)測(cè)溫, CCD部分則為單波長(zhǎng)測(cè)溫; 2019年, 甘波等[7]為揭示粒徑分布對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯粉塵云火焰溫度的影響, 采用高速相機(jī)對(duì)火焰形態(tài)和火焰溫度分布進(jìn)行了記錄。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 在粉塵粒子粒徑為20 μm時(shí), 火焰最大溫度和高溫火焰區(qū)面積達(dá)到最大值; 2020年, 劉興旺[8]建立了基于高速CCD相機(jī)的溫度場(chǎng)三維重建系統(tǒng), 該系統(tǒng)共采用了三臺(tái)CCD相機(jī), 以爆炸源中心兩兩間隔120°安裝。 根據(jù)各相機(jī)在不同角度的溫度場(chǎng)圖像數(shù)據(jù), 采用加權(quán)多準(zhǔn)則迭代重建算法重建出相應(yīng)的高溫火球三維溫度場(chǎng); 2021年, 許仁翰等人采用彩色CCD相機(jī)對(duì)375、 750及1 500 g溫壓彈爆炸場(chǎng)溫度進(jìn)行測(cè)量, 并用三色法進(jìn)行了溫度計(jì)算, 其結(jié)果與雙色紅外測(cè)溫儀進(jìn)行了對(duì)比, 最高溫度的測(cè)量偏差分別為: 0.68%、 3.31%和3.19%。 通過(guò)以往的研究可以看出, 高速CCD相機(jī)在爆炸火焰測(cè)溫領(lǐng)域中可以實(shí)現(xiàn)二維溫場(chǎng)測(cè)量以及三維溫場(chǎng)重建, 但值得注意的是, 該類型測(cè)溫儀器主要采用單色測(cè)溫法和三色測(cè)溫法進(jìn)行溫度計(jì)算。 單色測(cè)溫法由于缺少發(fā)射率參數(shù), 只能測(cè)量出溫度場(chǎng)的亮溫值; 而三色測(cè)溫法的實(shí)質(zhì)為多比色測(cè)溫法, 多比色測(cè)溫法也無(wú)法實(shí)現(xiàn)真溫值的計(jì)算。 因此針對(duì)這一問(wèn)題, 研制了一套用于爆炸火焰真溫場(chǎng)測(cè)量的多光譜熱成像儀, 該儀器以高速CCD相機(jī)作為溫場(chǎng)采集裝置, 以遠(yuǎn)距離多孔分光鏡頭作為多光譜成像系統(tǒng), 可實(shí)現(xiàn)爆炸火焰的遠(yuǎn)距離多光譜測(cè)量, 并結(jié)合多光譜輻射測(cè)溫理論可反演出爆炸火焰真溫場(chǎng)。

1 測(cè)溫原理

所用的高速CCD相機(jī)主要工作波段位于400～1 100 nm范圍內(nèi), 設(shè)高速CCD相機(jī)的光譜響應(yīng)函數(shù)為Y(λ), 則像素灰度值H為

(1)

式(1)中:η為高速相機(jī)輸出電流與灰度值之間的轉(zhuǎn)換系數(shù);u為光電轉(zhuǎn)換系數(shù);t為曝光時(shí)間;f為焦距(m);a為入射光孔徑(m);KT(λ)為高速相機(jī)在波長(zhǎng)λ處的透光率, 根據(jù)高速CCD相機(jī)的灰度值H可以建立與被測(cè)物體溫度T之間的關(guān)系。 為實(shí)現(xiàn)爆炸火焰的多光譜測(cè)量, 在分光光欄上安裝了窄帶濾光片, 因此像素灰度值與被測(cè)物體溫度之間的關(guān)系為

(2)

H=kε(λ,T)L(λ,T)

(3)

彈藥光譜發(fā)射率與波長(zhǎng)之間具有一定的非線性關(guān)系, 可采用發(fā)射率模型為

(4)

式(4)中,a0,a1, …,am為擬合參數(shù),m為多項(xiàng)式項(xiàng)數(shù)。 結(jié)合式(3)和式(4)可得[9]

(5)

式(5)在未知數(shù)小于方程組數(shù)的情況下, 通過(guò)最小二乘法即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)真溫的求解。

2 裝置設(shè)計(jì)

多光譜熱成像儀是一種利用高速CCD相機(jī)和遠(yuǎn)距離多孔分光鏡頭實(shí)現(xiàn)的非接觸式真溫場(chǎng)測(cè)量?jī)x器。 儀器的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示, 技術(shù)指標(biāo)如表1所示。 該儀器主要包括三個(gè)功能: 多光譜成像、 數(shù)據(jù)采集、 真溫場(chǎng)反演。 多光譜成像由遠(yuǎn)距離多孔分光鏡頭完成, 所成圖像由高速CCD相機(jī)進(jìn)行采集并經(jīng)由以太網(wǎng)傳輸至控制計(jì)算機(jī), 控制計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝軟件系統(tǒng), 操作人員可通過(guò)軟件系統(tǒng)完成爆炸火焰的真溫場(chǎng)反演。

表1 多光譜熱成像儀技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicators of multi-spectral thermal imager

圖1 多光譜熱成像儀設(shè)計(jì)框圖Fig.1 The block diagram of multi-spectral thermal imager

依據(jù)爆炸火焰特性研制了一款遠(yuǎn)距離多孔分光鏡頭, 該鏡頭是在犧牲小部分空間分辨率的前提下, 實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離大目標(biāo)的同時(shí)刻、 多波長(zhǎng)成像功能。 遠(yuǎn)距離多孔分光鏡頭主要分為兩個(gè)部分: 主成像鏡頭、 分光鏡頭。 主成像鏡頭的主要功能是對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行單獨(dú)成像, 該部分包括遠(yuǎn)焦鏡頭、 可調(diào)節(jié)鏡筒以及單凸透鏡。 在測(cè)量時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)焦鏡頭的焦距以及鏡筒長(zhǎng)度, 配合正后方的單凸透鏡實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離爆炸火焰的成像。 分光鏡頭的主要功能是對(duì)主圖像進(jìn)行多波長(zhǎng)分光成像, 該部分包括分光光欄、 可調(diào)節(jié)鏡筒以及凸透鏡組, 分光光欄安裝在主成像鏡頭的正后方, 并在光欄的通孔上安裝有不同波長(zhǎng)的窄帶濾光片, 以此實(shí)現(xiàn)爆炸火焰的多波長(zhǎng)成像, 在光欄的正后方安裝凸透鏡組, 通過(guò)調(diào)節(jié)鏡筒使圖像可以清晰呈現(xiàn)在高速CCD相機(jī)的焦平面上。 遠(yuǎn)距離多孔分光鏡頭的裝配圖如圖2所示, 光路圖如圖3所示。

圖2 遠(yuǎn)距離多孔分光鏡頭裝配圖Fig.2 Assembly diagram of long-range multi-aperture spectroscopic lens

圖3 遠(yuǎn)距離多孔分光鏡頭光路圖Fig.3 Optical path diagram of long-range multi-aperture spectroscopic lens

高速CCD相機(jī)的選擇主要考慮相機(jī)的拍攝速率以及分辨率。 彈藥在引爆后會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生爆炸火焰, 一般爆炸火焰的持續(xù)時(shí)間屬于毫秒級(jí)別, 為保證拍攝到爆炸火焰隨時(shí)間的變化規(guī)律, 高速CCD相機(jī)的拍攝時(shí)間間隔應(yīng)小于1 ms, 因此高速CCD相機(jī)的拍攝速率需要>10 000幀·s-1; 在分辨率方面, 由于采用的分光技術(shù)是對(duì)入射光進(jìn)行分解后再重聚焦, 因此為保證采集到完整的爆炸火焰圖像, 高速CCD相機(jī)的分辨率需要>800×800; 針對(duì)上述需求選擇了美國(guó)Vision Research公司的Phantom v2012型高速CCD相機(jī), 參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 Phantom v2012型高速CCD相機(jī)參數(shù)指標(biāo)Table 2 Parameters of Phantom v2012 high-speed CCD camera

在完成鏡頭研制及相機(jī)選型后, 則需要根據(jù)爆炸火焰的光譜特性來(lái)選擇測(cè)溫儀器的工作波長(zhǎng)。 爆炸火焰是由固體粒子燃燒、 化學(xué)燃料燃燒、 氣體燃燒等多方面因素所引起的, 其光譜特性曲線并不連續(xù), 會(huì)出現(xiàn)亮色、 亮帶等現(xiàn)象。 亮色或亮帶的出現(xiàn)不符合普朗克定律所要求的連續(xù)光譜, 因此在選擇工作波長(zhǎng)時(shí), 應(yīng)在較為平滑的波段處進(jìn)行選擇, 而避開(kāi)間斷或尖峰波段。 爆炸火焰光譜特性曲線如圖4所示。

圖4 爆炸火焰光譜特性曲線Fig.4 Spectral characteristic curve of explosion flame

通過(guò)圖4可以看出, 所測(cè)量的爆炸火焰光譜分別在590和780 nm處出現(xiàn)了尖峰, 因此在選擇工作波長(zhǎng)時(shí)需要避開(kāi)這兩個(gè)波段。 為此, 分別選擇中心波長(zhǎng)為550、 650、 700以及850 nm的窄帶濾光片, 并且為保證測(cè)量信號(hào)的獨(dú)立, 窄帶濾光片的半高寬需要小于20 nm。 在完成工作波長(zhǎng)的選擇后, 便基本實(shí)現(xiàn)了多光譜熱成像儀的研制, 實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 多光譜熱成像儀實(shí)物圖Fig.5 The physical view of the multi-spectral thermal imager

3 爆炸實(shí)驗(yàn)

利用所研制的多光譜熱成像儀對(duì)TNT炸藥進(jìn)行了野外測(cè)溫實(shí)驗(yàn), TNT的重量為1.660 9 kg。 實(shí)驗(yàn)選擇在開(kāi)闊場(chǎng)地進(jìn)行, TNT安裝在木質(zhì)三腳架上。 為保證實(shí)驗(yàn)的安全性, 多光譜熱成像儀放置在距爆心約200 m的位置處, 且在儀器前方設(shè)有安全防護(hù)墻, 儀器可通過(guò)防護(hù)墻窗口對(duì)TNT爆炸火焰進(jìn)行測(cè)試。 同時(shí)為了驗(yàn)證多光譜熱成像儀的測(cè)溫精度,采用了一種光纖式多光譜高溫計(jì)進(jìn)行了同步測(cè)溫實(shí)驗(yàn), 該儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證結(jié)果在文獻(xiàn)[10]中有詳細(xì)的介紹。 圖6為TNT爆炸火焰的多分幅圖像以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖。

通過(guò)圖6可以看出: 利用所研制的遠(yuǎn)距離多孔分光鏡頭可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離爆炸火焰的多分幅成像, 雖然多分幅圖像的空間分辨率小于單幅圖像, 但仍滿足空間溫場(chǎng)的測(cè)量需求。 通過(guò)對(duì)多幅圖像進(jìn)行匹配對(duì)齊后, 便可利用多光譜輻射測(cè)溫法反演出爆炸火焰的真溫場(chǎng)。 爆炸火焰的真溫場(chǎng)如圖7所示。

圖7 爆炸火焰真溫場(chǎng)圖Fig.7 Diagram of explosion flame true temperature field

通過(guò)圖7可以看出, 爆炸火焰的體積從0.05到0.4 ms不斷擴(kuò)大。 在0.4 ms之后, 爆炸火焰的中心區(qū)域開(kāi)始破裂。 當(dāng)時(shí)間達(dá)到0.6 ms時(shí), 中心區(qū)域的爆炸火焰已經(jīng)熄滅, 只有外沿區(qū)域的火焰在燃燒。 在溫度方面, 爆炸的早期階段(從爆炸開(kāi)始到0.1 ms后), 爆炸火焰的溫度持續(xù)上升, 并在t=0.1 ms時(shí)達(dá)到了3 251 K。 隨著爆炸時(shí)間的增加(從開(kāi)始爆炸0.1 ms之后到0.6 ms), 溫度在逐漸下降。 當(dāng)t=0.6 ms時(shí), 溫度僅有2 483 K。 在測(cè)溫精度方面, 光纖式多光譜高溫計(jì)在0.1 ms時(shí)達(dá)到了3 406 K, 該結(jié)果與多光譜熱成像儀所測(cè)量的3 251 K相差4.7%, 該測(cè)溫精度滿足爆炸火焰的測(cè)溫需求。

4 結(jié) 論

研制了一種用于測(cè)量彈藥爆炸火焰真溫場(chǎng)的多光譜熱成像儀器, 該儀器使用高速CCD相機(jī)作為采集裝置, 通過(guò)遠(yuǎn)距離多孔成像鏡頭可實(shí)現(xiàn)爆炸火焰溫場(chǎng)在同時(shí)刻、 不同波長(zhǎng)的熱圖像采集。 根據(jù)外場(chǎng)TNT彈藥爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 研制的多光譜熱成像儀器能夠測(cè)量出彈藥爆炸溫場(chǎng)隨時(shí)間變化的狀態(tài), 可為彈藥爆炸熱輻射毀傷提供有效實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。