基于红外热像仪的温压弹爆炸温度场测试

田培培，张 猛，王 高，李仰军，武京治



基于红外热像仪的温压弹爆炸温度场测试

田培培，张 猛，王 高，李仰军，武京治

（中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051）

复杂的野外环境大大影响了红外热像仪对爆炸温度场的测量精度。从理论角度分析了影响测温精度的因素，提出相关的改进措施。温压弹爆炸测试现场使用野外标准黑体对红外热像仪进行实地定标，准确采集到温压弹的爆炸过程，并提取到相关数据。利用MATLAB软件平台对实验所得数据进行处理，进而得到爆炸火球表面的温度场分布信息：爆炸火球的最高温度2881℃；1000℃及其以上温度场持续时间为1300ms；1000℃及其以上温度场最大散布范围为12.61m。测试现场同时设置了CCD高速相机进行可见光波段的测试，测试结果表明，测试数据具有很高的精确性和可靠性。

红外热像仪；测温精度；温压弹；温度场分布

0 引言

温压弹，即采用温压炸药制成的弹药，是在新型固体燃料的研究基础上发展起来的一种新型武器，是对常规武器的一项重大革新。最早由美国提出，目前各国都在开展温压武器的研究工作。在世界军事体系中，温压武器举足轻重。因此对温压弹的毁伤效应研究对于军事领域未来的新型弹药的研究意义重大，同时也关系着我国的国防安全及国防武器系统的完善[1]。

温压炸药是一种由金属粉和高能氧化剂等组成的混合炸药，主要通过爆炸产生的高温高压毁伤目标，其爆炸形成的火球温度具有更高的热辐射效应。因此，测量爆炸火球的参数是温压药剂热效应的研究基础。红外热像仪测温系统是一种全辐射测温法，具有非接触性、瞬时性和全场测量的性质，能对特殊情况下的物体表面进行全场温度的测量[2-3]。由于温压药剂爆炸后形成的火球主要是由非金属及金属高度氧化物颗粒组成，可近似看作灰体，爆炸形成的温度较高，变化具有瞬时性，且火球内部产生的高温引起超高压的冲击波[4]，综合因素考虑，红外热像仪测温系统对于温压弹爆炸温度场的测量非常适用。

通过红外热像仪测温系统，对温压弹爆炸过程进行测量，对野外复杂环境下的影响因素进行了分析，采取相应的改进措施得到了温压弹爆炸火球的主要特征参数，对温压炸药的热辐射效应评估具有重要意义。

1 红外热像仪测温原理及精度分析

1.1 测温原理

红外热像仪根据红外辐射基本定律的原理对温度进行测量。爆炸产生的火球向四周发射的红外辐射携带温度信息，与其自身的温度存在着精确的定量关系，可通过红外辐射基本定律推导。通过测量火球发射的红外辐射能量，能够准确计算出火球的实际温度及其温度场分布，从而进一步分析其热毁伤效应。

目标物与所处环境之间的温度不同，且发射率各异，红外热像仪利用此特性将其所产生的热对比度以相对热辐射强度分布的形式通过可视图像显示出来，如图1所示。

图1 红外热像仪拍摄的温压弹爆炸热对比度图像

图2所示是红外热像仪的测温原理图，由爆炸火球发出的红外辐射到达红外探测器成为温度表征信号，主要需经历3个阶段：

1）火球辐射过程。根据温压药爆炸过程的特点，用于测量温度的火球辐射信号主要来源于高温非金属和金属氧化物微粒的热辐射，这些微粒的辐射特征可用灰体来描述，根据普朗克辐射定律，爆炸时，火球在[1,2]波段产生的辐射出射度()可由下式表示：

式中：1＝3.7415×104W×cm－2×μm4，2＝1.43879μm×K分别为第一、第二辐射常数，为发射率，由辐射源的材料及表面性质决定，本试验中辐射源主要由高温非金属和金属氧化物微粒组成，取＝0.8。

2）大气传输过程。爆炸火球发出的辐射，经大气传输到达红外热像仪，由于大气的吸收和散射等因素的影响，红外辐射会发生衰减。大气透过率1，散射率2及大气的总透过率分别由式(2)～(4)给出：

＝1×2×h(4)

式中：、0、分别为与大气窗口相关的经验常数；为传播路径中的可凝水量；为视距；为窗口中点波长；为传输距离；h为海拔修正因子。

3）光电系统耦合过程。红外辐射经大气传输后被热像仪光学系统收集，并转换为电信号，经图像处理后输出。

本次试验使用的是7.7～12.6mm的热像仪，故这一过程可由式(5)描述：

综合(1)、(4)、(5)式，可得热像仪探测辐射强度信号与火球温度的关系如下式：

()＝()()＝0.6598()() (6)

式中：()为参试红外热像仪的电压温度响应函数。由前期热像仪定标试验给出，()由本次试验实测得到。这样，可以解算出爆炸火球温场各点的真实温度，如下式：

图2 红外辐射测温原理图

1.2 精度分析

测温精度主要从4方面进行分析，即：红外热像仪辐射定标、辐射源发射率的确定、传输过程的总透过率、温度反演。

1）红外热像仪的辐射定标

通过红外热像仪所得到的图像并不是目标物的真实温度分布，而是将目标物当作黑体情况下的表面热辐射的辐射量的分布，因此，红外热像仪的辐射定标意义重大。通过辐射定标，建立了红外热成像系统的探测元输出信号的数字化量值与目标实际辐亮度之间的定量关系[5]。在本文中利用LUMASENSE- M390标准黑体辐射源和BDB50型红外目标模拟器对红外热像仪分别进行了实验室和野外实验环境下的定标，并采用重复实验的方法，使得定标数据更加精确。

2）辐射源发射率的确定

物体表面发射率是目标红外辐射特性建模与仿真的重要参数，对测温精度有着重要的影响。现有的测量发射率的方法包括能量法、热量法、多波长法和发射率法[6-8]。发射率确定一直以来都是研究的重点和难点，专家多年研究，进展缓慢，红外热像仪的测温精度与目标表面的发射率有着密切的关系，且目标材料的表面发射率越大，红外热像仪测得的精度越高[9-10]。目前能确定的是发射率的一个范围，更精确的数值还有待进一步的深入研究。

3）大气传输

在大气传输过程中，红外热辐射面临着吸收、折射等各方面的影响，实验现场的环境直接影响了测温的精度，涉及到温度、湿度、测试距离、风、以及海拔等因素[11-12]。在本实验中，采用高精度温湿度计测量现场的温度及湿度，通过激光测距仪测量目标与红外热像仪之间的距离，并记录风向及海拔等信息。通过式(2)～(4)计算出大气传输的总透过率，最大程度减少误差。

4）温度反演

根据红外热像仪所得到的辐射量数据得到温度，是测温的关键。经过严密的理论推导过称，得到(7)式，结合相应的热像仪定标数据，可计算出任意点的真实温度。考虑到计算过程中涉及到积分方程的求解，为了计算方便，以开发的数值计算程序作为辅助。使用的部分红外辐射量计算软件界面如图3所示。

图3 使用的部分红外辐射量计算软件

此外，为了进一步保证测量温度场分布精度，本实验采取了几何定标的方法，以使得计算出的温压弹爆炸后的火球温度散布范围更为精确。

2 实验方法

本试验测试仪器设备由温度测试装置和校准设备2部分组成。完成了爆炸火球温度场的动态测量试验，获取了爆炸火球在形成、膨胀、消散等阶段温度场特征的一手资料。

测试装置分别选用德国的LUMASENSE-M390黑体辐射源（用于红外热像仪的实验室定标）、BDB50型红外目标模拟器（用于红外热像仪的野外定标），美国的Mikron-M1362型CCD高速相机（用于可见光范围的拍摄），定制GH-G003型测温红外热像仪（主要用于爆炸后温度场测量，该设备加装了专用的干涉滤光片及衰减装置，能够满足高温（＞3000℃）辐射的测量），BF-1000型激光测距仪（用于测量爆炸中心与观测点之间的距离）和VC261型高精度温湿度计（用于现场温湿度测量）。

测试系统的性能指标为帧频：20～50Hz；波长范围：7.7～12.6mm；噪声等效温差：≤80mK；测温范围：40℃～3100℃；测温精度：max(±5%，±10%)；视场角：13.7°×10.6；工作温度：－20℃～＋60℃。

测试现场选定温压弹的爆心位置，将BDB50型红外目标模拟器放置于爆心位置，分别将红外热像仪放置于距离爆心1m、6m、10m、15m、30m、98m处，调整积分时间，针对不同的距离在同一积分时间和增益条件下分别对红外热像仪进行标定，并记录相应的数据，以获得红外热像仪在测试现场的输出与距离的性能曲线。同样，在实验室，设定测试现场环境条件，德国的LUMASENSE-M390黑体辐射源依次设定温度为800℃、1000℃、1500℃、1700℃、1900℃、2500℃，将热像仪与黑体辐射源的距离调整为60cm，调整积分时间，分别进行定标，以获得红外热像仪在测试现场条件下的输出与温度的性能曲线。

测量开始前将红外热像仪放置在距离爆心98m处，此位置同时放置Mikron-M1362型CCD高速相机并处于待触发状态。红外热像仪于爆炸前开启，并对整个爆炸过程进行采集。

3 实验结果及分析

引爆后，对热像仪采集到的灰度图进行处理，得到爆炸各阶段火球温度场相对强度空间分布，如图4。进行对比分析可得在爆炸过程中爆炸火球呈体积逐渐增大、温度逐渐降低的变化规律。本次试验温度场最大值出现在第5帧，温度为2881℃。

图4 温度最大值火球温度场辐射度空间分布图

本试验中各测量的取值分别为＝0.784，0＝0.165，＝0.122，＝0.1812mm，＝5000m，＝98m；实验地点所处海拔高度约为980m，取h＝0.8486。根据(2)～(4)式，可计算1＝0.7807、2＝0.9959、＝0.8247。

利用(7)式，根据实验数据反演出爆炸火球温度场真实温度，爆炸后1500ms温度最大值具体取值如表1所示，其随时间变化曲线如图5(a)所示。

由图5(a)可知，温压弹引爆后温度迅速攀升到最高值，在引爆后250ms时出现最大值2881℃，并持续稳定约300ms，开始逐渐下降。火球最高温度在1000℃以上的持续时间为1300ms。

根据现场测试数据，经处理后得到爆炸火球1000℃以上温度场散布范围随时间变化曲线如图5(b)所示，参试药剂引爆后温度场范围逐渐扩大，300ms后到达最大值后迅速减小，至8m左右保持稳定，持续一段时间后瞬间缩小。最大范围出现在300ms时，最大值为12.61m，其温度场分布如图6(a)所示。

表1 爆炸后1500ms温度最大值点统计

图5 爆炸后火球温度最大值和火球温度场散布范围随时间变化曲线

图6 引爆后1000℃及其以上温度最大散布范围温度场分布和可见光波段火球直径分布

在图6(a)中可以看出，在1000℃以上火球温度场最大散布范围，及此温度场的具体温度分布情况，其温度分布相对均匀，2500℃以上高温区域所占比例相对较大，火球整体温度较高。本实验对所有1000℃以上火球温度场进行逐一分析，所得温度场分布与图6(a)类似，可以得出结论，此温压弹性能稳定性好。

测试现场同时使用高速相机进行同步拍摄，选取直径最大的图像进行处理，得到如图6(b)所示的处理结果。标杆A、B如图6(b)所示，两标杆之间的像素差为433，激光测距仪测得两标杆之间的实际距离为20m，爆炸后火球直径在图像中占有285个像素，计算得到在可见光波段测得爆炸火球实际直径为13.16m。

温压弹试验结果汇总于表2。

表2 实验结果汇总

4 结论

通过搭建红外热像仪测温系统，对温压弹爆炸试验进行测量。测试结果表明：测试现场的环境极大地影响了大气透射率，进而影响红外热像仪的测量精度，必须对红外热像仪进行实时实地校准，以确保测试数据的可靠性。测量数据经整理分析成功获得了温压弹爆炸后的温度场数据，包括：①爆炸火球的最高温度为2881℃，测量精度约为＋8.7%；②1000℃及其以上温度场持续时间为1300ms。③1000℃及其以上温度场最大散布范围为12.61m，测量精度约为－4%。测量精度均符合测试要求精度±10%。此温压弹在热效能方面整体性能良好且稳定，通过与可见光的测量对比，进一步确定了数据的可靠性。

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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-），汉族，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事激光及红外热像仪测温技术方面的研究。E-mail：tpp03@qq.com。

国家青年基金（11304289），山西省回国留学人员科研资助项目（2014-054，2015-076）。