爆炸场电磁辐射特性测试技术研究

崔元博，商 飞，孔德仁，王良全

爆炸场电磁辐射特性测试技术研究

崔元博，商 飞，孔德仁，王良全

（南京理工大学机械工程学院，江苏 南京，210094）

为了研究高能含能材料爆炸时产生的电磁辐射特性，设计了一套由宽频天线、信号放大器、高速采集卡组成的电磁辐射测试系统，对某型弹云爆过程的电磁辐射进行测量及分析研究。研究结果表明：在某型弹起爆后出现较短时间的强信号，间隔一段时间后再次出现较长时间的强电磁信号，第2时间段内的电磁脉冲持续性明显强于第1时间段，不同测试点采集得到的电磁信号呈现不同的传递特性；云爆过程中产生的电磁辐射频率主要分布于21MHz以内，在11~17MHz频段分布尤为明显，爆炸产生的电磁场强度超过300V/m。

含能材料；电磁辐射；短波天线；频谱分析

20世纪70年代国外有试验证明化学爆炸时确实伴有较强的电磁辐射。此后，国外的试验记录表明，用0.1~0.4g叠氮化铅作为工质进行静爆，在起爆后的80~160μs可测得一系列小于90MHz的电磁辐射信号[3]；利用10kg的硝酸铵作为工质，试验测得电磁辐射频率范围为7.8~11.2GHz[4]。VAJ.Van Lintz用低频宽带、高频和超高频窄带3种天线，测量了0.01~345kg高能炸药爆炸产生的电磁辐射信号，发现高能炸药爆炸产生的电磁辐射信号持续时间与含能材料的当量呈线性关系，电磁辐射信号强度与距离的1/3次方呈线性关系[5-6]。国外有研究者根据该理论计算三硝基甲苯发生爆炸反应时，每摩尔三硝基甲苯完全反应形成的等离子体团能产生约370V/m的电磁辐射[7-8]。A.L.Kuhl对TNT炸药产生电磁脉冲辐射的机理进行了研究，通过对TNT炸药爆炸产生电磁脉冲辐射信号的试验数据进行仿真计算，得出研究结果：含能材料在爆炸过程中伴随着强烈的电磁辐射效应产生，电磁辐射的强度大于热辐射的强度，并且爆炸产生电磁辐射与静爆产物中的带电粒子的运动有关[9]。

国内对含能材料爆炸产生电磁辐射现象的研究起步较晚。西北核工业研究所的王长利等人[10]采用宽带天线加采集系统的方式，对爆炸场电磁辐射进行测量，研究表明对于同一种含能材料，电磁辐射强度与当量的1/3次方基本呈线性关系，与爆心距离成反比。北京航空航天大学的曹景阳等人[11]采用无源拉杆天线对航天火工品爆炸引起的电磁辐射进行测量，试验结果显示在起爆后的数十毫秒内仍有明显的电磁脉冲产生，电磁脉冲频率集中在兆赫兹量级，最高场强至4V/m。南京理工大学陈鸿等人[12-14]采用宽带杆式铜柱天线对金属添加含能材料爆炸电磁辐射进行测量，试验结果显示，爆炸产生的电场强度范围为0.05~2.1V，电磁辐射频率主要集中在6MHz以内，在24MHz有一些较低的幅值分量，在小药量炸药试验的前提下，添加金属铝会使电磁辐射信号强度增加。

目前国内已经公开的含能材料爆炸过程电磁辐射测试试验中的测试当量大多在1 000g以下，电磁辐射信号采集时长多为数毫秒，采样时间较短，试验场地多在城市空旷地带，电磁干扰较多。本文研究了某型云爆弹产生电磁辐射的测试技术，试验背景为电磁干扰极少的空阔地区，实际采样时间达870ms，采样率高达1.25Gs/s，可以详细分析爆炸后一段时间段内电磁辐射的变化情况。

1 测试方法

含能材料爆炸时产生电磁波呈现出以爆心为原点，向四周发散的作用分布规律，因此测试获得的爆炸场单点电磁辐射量值并不具有代表性，有必要研究爆炸场环境下电磁辐射传播规律以及多点电磁辐射同步测试方法。本次试验对电磁辐射的频率测量从低频段开始，最低至1.5MHz，最高至500MHz，由于覆盖频段范围较大，单测试点采样高低频双天线协同测试[15-16]。试验装置和布局如图1所示。

图1 电磁辐射测试系统图

单测试点由短波无源全向天线、超宽带无源全向天线、信号调理器（包括信号放大器和限幅器）组成，放大器放大系数30dBm，限幅器限制功率大于10W，传输线缆采用SYV50-5-1同轴线缆，长度150m。测试天线如图2所示。短波无源全向天线采样频率1.5~ 30MHz，垂直极化方式，驻波比≤2.5，天线增益≥-35dBi（大于5MHz），最大承受功率50W，输出阻抗50Ω，高度2 000mm；超宽带全向天线为双锥加载结构，垂直极化方式，采样频率20~512MHz，在30~100MHz频段，天线增益≥-15dBi，在100×10-3~ 3GHz频段，天线增益≥0dBi，输出阻抗50Ω，高度450mm。天线采集到电磁波信号后经同轴线缆传输至高速采集卡，高速采集卡设置最高采样率1.25GS/s，采样带宽500MHz，采样时长设置1s，实际采样时长870ms，高速采集卡至各测试点（1~4）距离分别为110m、100m、90m、80m。电磁测试试验现场如图3所示，本试验测试系统共设置4个采集点，分别距离爆心60m、70m、80m、90m且呈直线分布，各测试点中的天线由钎杆固定，直接安装于地面，超宽带全向天线加装底座，底座高度460mm。试验爆炸源为某型弹，火球半径约40m。

图2 测试天线实物图

图3 电磁测试试验现场图

2 试验结果分析

2.1 试验结果有效性分析

在实验开始前，首先采集试验场环境背景电磁噪声信号，如图4所示，进行信号分析可得采集最大电压62.5mV，有效电压12.531mV，进行FFT分析得主要电磁信号集中于1.5~18MHz和21.5~22MHz频段；在实验室测得环境电磁信号峰值170mV，有效电压33.6mV，FFT频谱集中于1.5~50MHz和80~110MHz频段，两者相比，试验场环境电磁噪声极低，干扰极弱，更有利于含能材料爆炸时电磁信号的采集和分析。

图4 试验现场电磁背景噪声信号

对试验数据进行有效性判定，结果显示，测试点3测得电磁信号峰值为7.813mV，有效电压输出1.608mV，爆炸过程中该测试点无明显电磁信号波动，说明测试系统的机械振动对电磁信号采集结果无影响，其他测试点采集的电磁信号有效。由于试验条件限制，测试点2电磁波出现较强的信号干扰，电磁波传递规律与测试点1和测试点4明显不符，判定为无效数据，进行剔除。

2.2 电磁信号时域分析

测试点1和测试点4的电磁信号时域波形如图5所示，由于云爆弹二次起爆的特性，在测试过程中出现了2次明显的电磁信号波动时域区间。

（7）获取最终目标框：每个网格预测两个目标框，但是在具体计算时，每次只选取了置信度最大或者是跟真实框距离最小的框计算位置损失与求梯度。当在一个网格中遇到两个重叠框，采取对同一个网格回归后保留max（p（c））的目标框，概率计算如式（9）所示。

图5 电磁信号时域波形图

测试点1（60m）的电磁信号在时域区间I（13.67~34.71ms）和时域区间II（279.11~844.67ms）出现明显波动，其中时域区间I的信号持续时间为21.04ms，时域区间II的信号持续时间为565.56ms，时域区间II的信号持续时间明显较长。测试点4（90m）的电磁信号在时域区间I（13.68 ~29.12ms）和区间II（280.12~843.23ms）出现明显波动，其中时域区间I的信号持续时间为15.44ms，时域区间II的信号持续时间为563.11ms，时域区间II的信号持续时间明显较长。

从时域波形图来看，某型弹云爆时产生的电磁脉冲信号非常明显，爆炸后850ms内均能测得明显电磁脉冲信号，但这些电磁脉冲并不连续，且单个电磁脉冲的持续时间较短，约0.002ms。在起爆后14ms时刻开始出现持续时长约20ms的电磁波，随后经过一段约260ms的无信号期，再次出现持续时长约560ms的剧烈电磁波。这些分析说明云爆过程中电磁辐射持续时间比爆轰持续时间长很多，由电磁辐射产生机理推断，一定当量的含能材料爆炸会产生大量带电等离子体和带电爆轰产物，这些爆轰产物在环境磁场运动中产生电磁辐射；距离爆心较远的测试点能捕捉到更加持续密集的电磁脉冲，时域波形图中电磁脉冲呈现间断分布，是由于地面反射所致，由此可见，不同的地形条件对电磁波的传播规律有明显影响。

2.3 电磁信号频域分析

通过对试验数据进行FFT变换得到电磁信号频谱，如图6所示。

图6 电磁信号频谱图

由图6可知，测试点1和测试点4的电磁信号频谱分布一致性较强，爆炸产生的电磁信号频率主要分布在21MHz以内，11MHz以下有少量电磁信号分布，在11~17MHz频率范围内集中较强电磁辐射信号，说明爆炸对该频段的电磁干扰较为强烈。

2.4 试验数据处理分析

通过对试验数据进行FFT变换，得到电磁信号强度分布，如图7所示，由于本试验测试系统采用放大系数为30dB的放大器，以及长达150m的同轴线缆，线缆损耗较大，因此需要对直接测量数据进行修正。测试天线输出值为电压(V)，通过FFT可直接转换为信号功率(dBm)，由天线标定可查得天线增益和天线系数，空间电场强度为(V/m)。

天线有效面积：

空间能量密度：

天线输出功率：

==2/20（3）

式（3）中：0为系统阻抗50Ω

理想空间状态下：

=（4）

则有：

由上述公式及表1实验结果可得，电磁辐射最大强度可以达到336.51V/m，该数据是基于理想自由空间条件计算得到的，由于地面反射等因素，电磁辐射实际值比以上计算数据值更大。依据GJB 8678-2015 引信电磁辐射危害试验方法相关标准，要求引信在贮存和运输期间在各频率上都能经受最低200V/m有效值的场强，陆军用弹药的装卸、装填和发射电磁辐射环境如表2所示，由表2可知，该辐射场强超出标准GJB 8678- 2015中规定的限值，因此在相应当量的武器系统设计中需要强化引信或其它军械装置的抗电磁干扰设计[17]。

表1 实验结果

Tab.1 Experimental result

*线缆损耗为SYV50-5-1型同轴线缆150m长度损耗值。

表2 陆军用弹药的装卸、装填和发射电磁辐射环境

Tab.2 Electromagnetic radiation environment of Army's ammunition handling, loading and launching

3 结论

（1）某型弹云爆产生的电磁辐射峰值频率主要集中在21MHz以内，在11~17MHz频段内分布较强电磁信号，证明爆炸过程对该频段的电磁干扰较为强烈。

（2）爆炸场产生的电磁信脉冲可持续至850ms，单个电磁脉冲持续的时间较短，在测试时间内共测试到2个时间段的电磁信号，第2个时间段持续时长远远超过第1个时间段，2个时间段之间间隔约260ms的无信号期，说明云爆过程中电磁辐射持续时间比爆轰持续时间长很多，爆炸场电磁辐射特性可以作为爆轰威力的评判指标以及爆炸类型的判断依据。

（3）根据不同测试点的电磁辐射时域波形图进行对比分析，测试点4采集得到的电磁脉冲明显比测试点1采集的电磁脉冲更加密集，说明距离爆心不同半径测得电磁辐射具有不同特性，电磁波在爆炸场范围内的传播特性是今后需要研究的方向。

（4）经过数据计算，本次试验产生的瞬时电磁辐射最大场强超过300V/m，该场强值超出军用标准GJB 8678-2015引信电磁辐射危害试验方法中规定的最大限值，因此有必要对武器系统进行相应的抗电磁场优化设计。

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Research on Testing Technology of Electromagnetic Radiation Characteristics in Explosive Field

CUI Yuan-bo , SHANG Fei, KONG De-ren, WANG Liang-quan

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science &Technology，Nanjing，210094)

In order to study the characteristics of electromagnetic radiation generated from high-energy material explosion, a set of electromagnetic radiation test system was designed, which consists of broadband antenna, signal amplifier and high-speed acquisition card, to measure and analyze the electromagnetic radiation of a certain type of bomb cloud explosion process. The results show that a strong signal appeared in a short time after bomb detonation, and a stronger electromagnetic signal appeared again for a long time after a period of time, the intensity of the electromagnetic radiation generated by the second detonation was significantly higher than that from the first detonation, the electromagnetic signals collected by different test points exhibited different transfer characteristics. The electromagnetic radiation frequency in the cloud explosion process is mainly distributed within 21MHz, especially within 11~17MHz, and the intensity of electromagnetic field generated by the explosion exceeds 300V/m.

Energetic material; Electromagnetic radiation; Short-wave antenna; Spectrum analysis

TQ560.72

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.05.001

1003-1480（2019）05-0001-05

2019-07-17

崔元博（1991-），男，博士研究生，主要从事含能材料电磁辐射测试技术及特性研究。

国防科工局技术基础科研项目资助（995-14021006010401）。