真空环境火炸药辐射强度测试方法

（西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）

引言

随着科技发展而诞生的在外太空使用的新概念烟火药，考察其在接近真空条件下爆炸时的红外辐射特性时，无法在传统实验室或大气环境下进行。本文介绍一种使用真空舱模拟高空近真空环境的测试方法，使火炸药在真空舱内部爆炸，通过真空舱的红外窗口实时测量爆炸所产生辐射场的红外辐射强度。

1 真空环境爆炸物红外辐射强度测量原理

本文使用红外辐射强度测试仪对爆炸物产生辐射场的红外辐射强度进行测量。测量之前，必须对红外辐射强度测试仪进行标定。利用红外标准辐射源对红外辐射强度测试仪的辐照度参数进行校准，确保其量值准确，经过校准后的红外辐射强度测试仪，对被测红外辐射目标的辐射强度、辐射照度进行现场测量[1]。

红外标准辐射源由大口径面源黑体、测温仪、冷背景辐射屏、冷却液控温及输送装置、光学平台、移动导轨、调制器等组成[2]，图1为红外标准辐射源组成框图。

图1 红外标准辐射源组成框图Fig.1 Block diagram of infrared standard radiation source

面源黑体向前方半球空间发出的红外辐射，经过两级冷背景辐射屏、调制器后形成脉冲辐射光，进入红外辐射强度测试仪的探测系统。调制器将连续辐射的红外光调制成频率为10 Hz～1000 Hz的脉冲信号。导轨置于面源黑体正前方的平台上，调制器和传递标准可在导轨上做一维移动，导轨上携带刻度尺，可方便测量出传递标准和黑体辐射面之间的距离。平台总体呈T 字形布局，分别为黑体、调制器、导轨等提供支承和定位作用。

对红外辐射强度测试仪等进行校准时，将其放置在距离黑体辐射面距离为r的位置N 处，分析计算该位置处的辐照度，图2为辐射场辐射照度计算示意图。

图2 面型辐射源辐射照度计算示意图Fig.2 Schematic diagram of radiant illuminance calculation of surface type radiant source

根据普朗克公式，面源黑体产生的辐射出射度M(λ,T)为[3,4]

式中：λ为波长；C1为第一辐射常数；C2为第二辐射常数；T为目标温度。红外辐射测试仪所在位置处的辐照度为[4-5]

式中：λ1，λ2为红外光谱上下限；As为黑体辐射源的有效辐射面积；l为目标距离；τatm为大气透过率；ε为目标黑体发射率；M(λ,T)为黑体光谱辐射出射度。

调制器将面源黑体辐射的连续光变为脉冲光，红外探测和信号处理电路，对脉冲响应输出信号中的峰值进行识别和记录，作为校准系统的计算依据。

被校红外辐射强度测量仪、传递标准的辐照度响应度RE由下式表示为[4,6]

式中：V为传递标准、测试仪等的输出电压信号；Vbackground为背景噪声电压；AEP为测试仪入瞳面积；τ为传递标准光学组件透过率；α为红外滤光组件透过率。

在实际现场测量红外辐射强度时，必须考虑大气的红外透过率，辐射强度根据修正公式I=E·l2/τ进行计算，其中 τ为大气的红外透过率。

以辐射面尺寸为2a×2b的高温面源黑体，全波段辐射探测时为例，计算图2所示位置N 处的辐照度。

面源黑体在位置N 处产生的辐射照度为[7-9]

式中：a、b分别为辐射源半辐射尺寸；τ为透射系数；L为面源黑体的辐射亮度。

根据辐射源在辐射场确定位置处所产生的辐射照度，利用下式计算出辐射红外辐射源的辐射强度：

2 真空下爆炸物红外辐射强度测量装置

本文涉及的装置主要有真空舱和红外辐射强度测试仪。

使用真空舱模拟外太空近真空环境，使火炸药在真空舱内部爆炸，红外辐射强度测试仪通过真空舱的红外窗口实时测量爆炸所产生辐射场的红外辐射强度。

2.1 真空舱

真空舱在使用中要保证安全性，结构坚实、支撑稳固。一般而言，真空舱由舱体、真空抽运系统、真空度监视系统、测温组件、电气接口、支撑系统、安全阀等组成，图3为真空舱实物图。

图3 真空舱实物图Fig.3 Picture of vacuum chamber

舱体内部形成低温辐射背景，舱内的气压控制在（10−3～10−4）mbar 量级。舱内层为液氮低温背景通道，为多段柱状中空结构，配有安全阀用于在过压状态时泄出气体以保证舱体安全；舱内嵌入温度传感组件；舱体靠近外壳为隔热保温层；舱内配有光学系统支承机构、舱壁配置黑体、电气接口组件。真空抽运系统由二级真空泵组成，在真空舱外壁配置相应的电气接口组件。

真空舱是本文中用来模拟被测对象所处高空或大气层外部环境的关键组件，真空舱的内部空间大小，真空舱真空度控制，舱壁红外窗口的透过率、光谱特性等等，都会对测试结果产生直接影响。真空舱的内部空间大小应该能够容纳爆炸物的爆炸气团（爆炸气团本文特指爆炸物在第一轮氧化反应时所产生的气体形成的最大气团），在此基础上，空间应尽可能小，以保证真空度抽运能够满足模拟爆炸环境的需求；真空舱的真空度根据测试需求，要能够达到高空/外太空的真空度并保持稳定，真空度不稳定会导致舱内大气透过率的变化，影响测试结果；真空舱上开设的红外窗口用于保证真空舱的封闭，并允许在舱外进行观察和探测，红外窗口的透过率应当均匀，光谱特性应当在探测光谱范围内尽量平缓，以保证测试结果的准确可靠。

真空舱的主要技术指标为：外形尺寸2 000mm×Φ800mm；真空度（1×10−4～1×10−3）mbar；舱内低背景通道温度范围77 K～110 K。

2.2 红外辐射强度测试仪

利用红外辐射强度测试仪测量爆炸物红外辐射强度。红外辐射强度测试仪由红外光学系统、衰减片、滤光片、红外探测组件、信号采集系统、数据处理系统、可见光瞄准系统、图像采集和显示系统、计算机操控系统组成[2]。图4为红外辐射强度测试仪组成框图，图5为红外辐射强度测试仪探测组件实物图。

图4 红外辐射强度测量装置组成图Fig.4 Composition diagram of infrared radiation intensity measurement device

图5 红外辐射强度测试仪探测组件实物图Fig.5 Picture of detection components of infrared radiation intensity tester

为了保证现场测试时，目标辐射面全部聚焦在探测面内，红外辐射强度测试仪结合中长波红外探测的具体要求配置了双波段红外变焦光学系统。

由于窗口外表面的反射和不同角度的透过率不同等相关因素，测试装置的摆放角度会对测量结果造成影响，因此在测试之前，需要使用反复调整红外辐射强度测试仪的位置，对真空舱内红外辐射源进行探测，寻找最大探测值对应的位置，并将红外辐射强度测试仪固定在该位置上进行后续测试。

红外探测器是传递标准中的核心器件，结合快速响应性，使用简单、制冷组件集成化以及高可靠性等要求，在3 μm～5 μm 中波段采用PCI-2TE-5探测器组件，在8 μm～12 μm 长波段选用PCI-3TE-10.6、PCI-3TE-12 探测器。

可见光瞄准系统适用于外场实际测试时瞄准目标区域，该系统由光学系统、CCD摄像机、图像采集卡、计算机组成，也可以在瞄准系统中增加带分划板的目视镜。

数据采集和处理系统AC 放大电路、帯通滤波器、高速采样电路、信号处理电路、峰值检测电路组成。调制后的光辐射经过探测器光电转换后，通过前置放大器，输出至一级放大电路、帯通滤波器、再经过第二级放大，输出给高速采样电路，利用峰值检测电路提取出信号的电压峰值，此峰值与辐射源的辐射亮度、辐射强度等特征量具有确定的对应关系。

3 真空下爆炸物红外辐射强度测量实验

实验前首先用前述方法对红外辐射强度测试仪进行标定[10-11]，确保其量值准确。使用标准黑体或标准辐射源对红外辐射强度测试仪进行标定，确保其量值准确；使用压力计对真空舱的真空度进行考察，确保其提供测试环境的稳定可靠；使用标准红外辐射计对真空舱光学窗口进行标定，得到其透过率和相关光谱特性[12]；为了保证测量工作的准确性，将真空舱的红外窗口改为双窗口，其中一个窗口用于测试红外辐射强度；另一个窗口使用红外热像仪同时测量爆炸物气团的面积/体积，从而保证测量结果更加准确；将整套测试装置进行联合调试，使用标准辐射源对其传递函数进行考核，确保该测试装置和测试方案能够进行对被测爆炸物的测试。

将爆炸物固定在真空舱内部的支架上（支架为一次性使用，每次爆炸实验后重新更换），真空舱关闭后进行抽真空，真空度与火炸药实际使用环境的真空度保持一致。

将红外辐射强度测试仪放置在真空舱的红外窗口处，对准内部爆炸物的位置，如图6所示，在爆炸时采集红外辐射强度。

图6 真空中爆炸物红外辐射强度现场测试Fig.6 Field test of infrared radiation intensity of explosives in vacuum

3.1 测试试验

用红外辐射强度测试仪对4种不同类型的火炸药进行测试，得到其辐射强度测试结果，如图7所示。

图7 炸药在真空中爆炸的辐射强度测试结果Fig.7 Results of radiation intensity test of explosive explosion in vacuum

由此曲线可以看出，A组分爆炸物爆炸持续时间为约30 ms，最大辐射强度为1.28×106W/Sr，有效辐射强度为1.6×105W/Sr。曲线平滑，峰值陡峭，说明此爆炸物燃烧及爆炸过程较为充分和迅猛，具有较好的工作性能。

由此测试曲线可以看出，B组分爆炸物爆炸持续时间为约50 ms，最大辐射强度为6.7×105W/Sr，有效辐射强度为1.3×105W/Sr。曲线中出现多个波峰，平滑度较差，说明此爆炸物爆炸期间经多次爆炸叠加才最终达到峰值，燃烧不顺利；峰值点高，爆炸持续时间极短，说明爆炸足够迅猛和强烈，因为剂量少导致工作性能不佳。同时，该炸药辐射强度测试曲线后半段出现连续震荡的尖峰脉冲。经分析，这类噪声不是爆炸的真实体现，而是爆炸过程中产生的电磁辐射与电路系统耦合震荡、探测器异常闪烁、放大电路滤波阈值设置不当等等原因叠加导致，需进一步加以分析并去除。

由此测试曲线可以看出，C组分爆炸物爆炸持续时间为约1.2 ms，最大辐射强度为1.2×106W/Sr，有效辐射强度为8×104W/Sr。曲线中出现多个波峰，平滑度较差，峰值陡峭，说明此爆炸物燃烧不顺利，爆炸期间经多次爆炸叠加才最终达到峰值，爆炸持续时间长，最大爆炸强度仅有A组分炸药的一半，爆炸不够迅猛和强烈，工作性能较差。

由此测试曲线可以看出，D组分爆炸物爆炸持续时间约为5 ms，最大辐射强度为2.4×105W/Sr，有效辐射强度为2.4×104W/Sr，最多辐射强度不高，有效辐射强度很低，且辐射持续时间很短，曲线迅速上升至波峰后急速下降，平滑度较差，说明此爆炸物爆炸持续时间极短，爆炸烈度低，工作性能差，应进一步改进。

3.2 精度及不确定度分析

使用本文介绍的方法测量真空环境火炸药的红外辐射强度，其测量准确性受多种因素影响，包括真空舱真空度漂移、红外窗口透过率不均匀、爆炸物爆炸云团面积测量误差、红外窗口光谱非线性误差、红外辐射强度测试仪测量不确定度引入的误差等等，各影响因素引入的不确定度分析如下[13]：

1）真空舱真空度漂移引入的不确定度u1；

2）红外窗口透过率不均匀性u2；

3）爆炸物爆炸云团面积测量误差u3；

4）红外窗口光谱非线性误差u4；

5）红外辐射强度测试仪测量不确定度u5

经实际分析和独立验证，真空舱真空度漂移引入的不确定度u1=0.003%，红外窗口透过率不均匀性u2=1.2%，爆炸物爆炸云团面积测量误差u3=0.6%，红外窗口光谱非线性误差u4=0.1%，红外辐射强度测试仪测量不确定度u5=1.8%。

以上各分量独立不相关，则合成测量不确定度为[14]

计算结果表明，本套测试装置和测试方法能够实现比较高的测量精度，其中红外窗口光谱非线性和测试仪器自身测量误差对测量结果精度影响最大，红外窗口受限于目前使用的材料，其光谱非线性是其自身固有特征，测试仪器的测量误差有多种影响因素，包括校准时标准源引入的不确定度、自身电气系统噪声、探测器灵敏度、光学系统畸变、测试（爆炸）瞬间环境电磁干扰等等，因此其不确定度的提高是个系统工程；总之，这两项主要的测量不确定度来源目前均难以有效改善，2.2%的测量精度也是当前方法接近极限的指标。

4 结论

根据本文所述方法可以得到火炸药在真空中爆炸时的红外辐射强度，测量结果可以直接指导火炸药配方的确定、燃放控制时序的制定。需要注意的是，在图7（b）的测试结果中，曲线后段出现了一系列的尖峰噪声。由于本方法比较关心测试曲线的峰值，而尖峰噪声多出现在曲线的下降阶段或尾部，对本方法的测试影响较小，故而未作过多研究。尖峰噪声的产生，可能源于探测器的缺陷，可能源于周围环境或自身电路系统的电磁干扰，可能源于前续数据处理中由于未知的算法缺陷导致的异常值，在实际使用环境中，可能源于敌方释放的瞬时强干扰[15]，等等。尖峰噪声的成因比较复杂，也会对测试结果的分析处理产生一定影响，我们将在以后的工作中对此加以研究和解决。