红外测温技术测量温压炸药爆炸温度

程丽鹏，张 猛，王 高，李仰军



红外测温技术测量温压炸药爆炸温度

程丽鹏，张 猛，王 高，李仰军

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原，030051)

为了准确测量温压炸药爆炸温度，提出一种利用红外热像仪测量爆炸温度的方法。根据辐射测温原理建立红外热像仪测温模型，首先，结合爆炸火球辐射特性，进行红外热像仪的辐射定标、推导爆炸温度的计算公式，火球辐射温度反演。然后，讨论发射率和大气光谱透过率对测温精度的影响，并给出对应的补偿方法。以PMX炸药为例，应用该方法进行辐射定标和爆炸温度测量，获得爆炸火球随时间变化曲线。实验证明该方法是一种高稳定性、简单有效的测温方法，本研究为爆炸场温度测试提供了切实可行的解决方案。

温压炸药；红外热像仪；爆炸温度；测量

温压弹作为一种具有“温压效果”的非传统炸药，主要依靠高压冲击波、热效应和破片作用毁伤目标。由于爆炸过程在毫秒间完成，热量难以积累，导致爆温测试的困难很大，因此对温压炸药的评估集中在冲击波压力测试方面[1-2]。

随着红外探测器的发展，红外热像仪可以实现高密度焦平面和高帧速读出功能，温度灵敏度达到5mK，能够满足爆炸场的精确测温需求。目前以红外热像仪为主的红外测温技术被广泛应用于温压炸药的爆温测试[3-4]，但应用于爆温测试的辐射测温关键技术研究很少。

本文在辐射测温理论基础上，根据温压炸药爆炸火球这一特殊辐射源建立了基于红外热像仪的测温模型，将该模型应用于温压炸药爆炸温度的测量。实验证明，红外热像仪完整记录爆炸过程，并且该测温模型能够很好地应用于爆炸场温度测定，为温压炸药的设计和热毁伤效应研究奠定了基础。

1 红外热像仪的测温模型

应用红外热像仪进行爆炸场红外辐射特性测量主要需经过3个步骤：红外热像仪的辐射定标；爆炸目标测量；火球辐射温度反演。

1.1 红外热像仪辐射定标

辐射定标的意义在于确立热像仪探测器的每个探测单元像元响应与目标辐射能量之间的对应关系。

辐射定标包括两种类型：实验室定标和外场定标。实验室定标在测试环境相对理想的情况下进行，定标数据稳定性高，可重复性强，定标的精度高；外场定标是在实验室定标的基础上，在野外环境下进行辐射定标，定标流程与实验室相同。一般情况下辐射测量实验是在外场进行，因此针对测试现场环境的辐射定标是很有必要的，但由于进行温压炸药爆炸的场地环境复杂，实现现场定标困难极大。因此，本文的辐射定标以实验室定标为准，利用大气透过率修正复杂环境对目标辐射的影响。

实验室中使用黑体对热像仪进行定标时，需要选择高温区域（800℃以上）作为标定的温度范围，调节红外热像仪镜头使黑体辐射面充满红外系统视野，并且成像清晰。定标过程保持实验室环境恒定，尽量减少大气衰减和程辐射的影响。

黑体辐射源的热辐射量可根据普朗克公式进行计算。假设黑体设定的温度为，黑体表面辐射出射度为L，则红外系统接收辐射量可表示为：

式( 1 )中：为黑体发射率；1和2分别表示第1辐射常数和第2辐射常数；1和2表示探测器接收辐射量的波段范围。

在探测器响应波段范围内，红外热像仪探测器响应的像元灰度值D与接收到的辐射出射度L间的关系如下[5]：

D=L+( 2 )

式( 2 )中：为系统等效响应度；为响应截距。响应截距主要来源于红外系统内部自身辐射和噪声引起的偏置输出等因素引起的像元灰度响应。上述辐射定标模型具体形式由定标实验的像元灰度值响应曲线决定。

1.2 爆炸目标测量

温压炸药是一种新型混合炸药，主要包括：高能炸药、氧化剂、高热值金属粉和黏结剂等成分，其爆炸过程比常规高能炸药更加复杂，爆炸释能过程分为3个阶段：高能炸药的无氧燃烧反应；燃料颗粒和爆轰产物的无氧燃烧反应；有氧后燃反应。前两个阶段持续时间极短，为微秒量级；第3阶段的有氧燃烧实现燃烧粒子的充分燃烧，持续时间可到几百毫秒。实验中使用的红外热像仪由于其采样频率的限制，测得的爆炸场数据多为第3阶段的有氧燃烧过程。

温压炸药被起爆后，迅速形成高温且富含燃料的爆炸火球。应用红外热像仪测量爆炸热辐射时可将爆炸火球等效为灰体。爆炸火球向四周发射的红外辐射与其自身的温度存在着精确的定量关系。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。爆炸火球发出的热辐射转换为红外探测器温度表征信号的过程为：爆炸火球辐射、背景辐射和大气辐射经过大气传输到达红外热像仪，再经光学系统被红外探测器收集，进一步经光电转换为可见的像元响应灰度值。火球辐射测温原理如图1所示。

图1 辐射测温原理

由红外辐射特性可知，热像仪接收到的目标辐照度[6]为：

式（3）中：为目标表面发射率；为大气的光谱透过率；为大气发射率；为表面吸收率；T为被测目标表面温度；为大气温度；T为环境温度；0为热像仪最小空间张角所对应的目标可视面积；为该目标到测量仪器之间的距离。通常情况下0-2为一常数。

测量火球辐射特性时，大气温度和环境温度引起的程辐射占目标辐射总量的1%不到，考虑忽略不计。因此，目标辐照度可简化为：

在热像仪工作的窄波段范围内通常可认为τ、ε与无关，因此热像仪的响应电压可表示为：

式（5）中：是与被测目标无关的常数，它与探测器的响应度和光学系统的透射率等因素有关，可由定标实验获取；L(T)为光学系统接收的光谱辐亮度。

综上所述，热像仪的响应电压与被测目标温度的函数关系可表示为：

1.3 火球辐射温度反演

根据红外热像仪采集的辐射量数据温度反演可得到爆炸火球温度。由公式（6）响应电压与温度的函数关系，结合相应的热像仪定标数据，可计算出任意点的真实温度。

2 红外热像仪的精确测温

2.1 发射率确定

由公式（6）可知，发射率是红外热像仪实现精确测温的最大不确定因素。发射率与物体的表面状态、材料成分和温度等因素有关，甚至当辐射入射角发生变化时发射率也会发生变化，因此发射率的准确测量一直是科研工作者的难题，人们对此进行了大量的研究[7-8]。

使用红外热像仪进行温压炸药爆炸温度测量时，由于爆炸过程持续时间在几百毫秒，精确测量爆炸火球的发射率和现场发射率标定相当困难。因此，本文采取分析爆炸产物的方法设定爆炸火球的发射率。以含铝温压炸药为例，爆炸产物主要成分为碳氢化合物和微量的含铝化合物[9]，其成分与煤粉粒子燃烧过程等效，因此设定温压炸药爆炸产物平均发射率为0.80~0.82之间[10-11]。

2.2 大气光谱透过率计算

在大气中进行火球辐射量测量时，大气分子、悬浮微粒和气溶胶粒子对火球红外辐射产生吸收和散射衰减。因此，为实现精确测温，得到爆炸火球本征辐射量，必须对目标实验数据进行大气修正。

目前，国内外对红外辐射大气透过率计算途径有两种[12]：专业计算软件精确计算；利用经验公式粗略估算。经验公式计算相比专业软件来说，具有便捷和易于实现的优势，其计算结果与Lowtran相比，误差在4%以内[13]。因此，本文的大气透过率计算采用工程上常使用的经验公式进行计算。

大气对爆炸火球辐射衰减表现为大气分子、悬浮微粒的吸收和散射。工程计算中，一般只考虑水蒸气和二氧化碳引起的衰减。大气的光谱透过率计算过程如下：

式（7）~（10）中：为总透过率；1为大气吸收透过率；2为大气散射透过率；、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；为气压等效传输距离。

3 实验

为验证测温模型的有效性，应用定制的GH-G003型红外热像仪进行测量实验。热像仪性能指标：探测器类型UFPA(384×288)；帧频40Hz；波长范围7.7～12.6μm；噪声等效温差≤80mK；视场角为：13.7°× 10.6°；测温范围40～3 100℃。

3.1 辐射定标实验

在实验室利用美国MIKRON 公司生产M390C-2 型高温黑体炉和定制的GH-G003型红外热像仪进行辐射定标。M390C-2 型高温黑体炉参数为：工作温度范围600~3 000℃；发射率0.99；温度分辨率0.1℃。实验室定标装置如图2所示。

图2 实验室定标装置

保持实验室温湿度恒定，设置热像仪积分时间为24μs，调节热像仪使黑体成像清晰，重复设定黑体温度，待温度稳定后，采集数据。将定标数据代入公式（1）计算得到像元响应灰度值与黑体辐射出射度的响应曲线，定标结果如图3所示。

图3 定标结果

利用最小二乘法将定标曲线进行拟合，得到热像仪的定标函数为：

D=12 230×L-803.9 （11）

该拟合曲线的确定系数-square=0.999 9。-square表征拟合效果的好坏程度。当确定系数越接近 1，表示拟合效果越好，即拟合曲线越接近探测器实际的响应曲线。

3.2 温压炸药爆炸实验

实验样品为预置破片的PMX药柱，装药量为7 kg，长径比约为1.2。测试地点选择在比较开阔的旷野，将药柱放置在高度为1.5m的木质支架上，采取电雷管起爆方式。根据安全性原则和热像仪视场角的综合考虑，将红外热像仪放置在距离爆心104 m位置处。调节热像仪保持成像清晰度与实验室定标的一致性。实验现场的气压和温湿度由标准仪器进行采集和记录。

测试现场温度为29.7℃，湿度为34.6%，大气压强为971hPa。测试过程中，经验常数的取值：=0.784，0=0.165，=0.122，根据温度查表可得可凝水量=0.349 2mm，=5km。计算得：1=0.715 5，2=0.99，=0.715 1。

红外热像仪清晰地记录炸药爆炸的全部过程。炸药共有两个平行样本，选取其中一次温度最高的图像，如图4所示。根据测温模型的公式应用MATLAB软件自行编写图象处理软件处理测得的实验数据，计算可得爆炸火球温度。温度计算结果和爆炸火球温度变化曲线见表1和图5所示。

表1 爆炸400ms火球参数

Tab.1 The blast fireball parameters within 400ms

图4 爆炸火球温度最高时刻图像

图5 火球最高温度随时间变化曲线

4 结论

以爆温测试为研究目标，建立了热像仪测温模型，提出影响测温精度的主要因素，并给出对应的补偿方法。借助于高温黑体炉的定期辐射定标实验，通过对温压炸药爆炸场进行测量，获得爆炸火球随时间变化曲线。应用于温压炸药爆温测试的红外测温技术的特点是：在不干扰爆炸温度场的前提下，对火球辐射实现实时测量，并且能够进行温度反演。多次实验结果表明：该方法是一种高稳定性、简单有效的测温方法，可为爆炸场温度测试提供切实可行的解决方案，为新型炸药的设计和热效应评估的研究提供参考。

参考文献：

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[5] 李宁,张云峰,刘春香,曹立华,郭立红. 1m口径红外测量系统的辐射定标[J]. 光学精密工程,2014,22(8):2 054-2 060.

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[13] 唐嘉.红外辐射大气透过率的工程计算[J].飞行器测控学报,2007,26(3):25-29.

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

程丽鹏（1990-），男，硕士研究生，主要从事红外辐射特性测量及红外热像仪研究。

国家自然科学基金（61473267）。