基于可调谐半导体激光吸收光谱的武器发射气体浓度在线检测研究

彭澎， 狄长安， 张永建， 陈昊飞， 宋炜， 尹强

(南京理工大学 机械工程学院, 江苏 南京 210094)

0 引言

随着安全格局和战场环境的变化，近程防御对武器发射的隐蔽性提出了更高的要求，因此具备有限空间发射能力的单兵武器得到了优先发展，其不仅能够在街巷、沟壑等复杂环境中进行射击，同时其优于常规武器的灵活性和机动性能够更大程度地减少战场伤亡[1]。有限空间内武器点火发射过程中，场内会产生高压、高温、强振动[2-3]，同时由于发射空间狭小，空气流动性差，火药燃烧产生的有害气体会迅速聚集[4-5]，且扩散较慢，不仅对武器系统的正常使用产生威胁，同时也影响到射手的身体健康[6]。有研究表明，神经中枢在缺氧5 min后会出现功能缺陷，甚至功能丧失[7-8]。相比于氧气，一氧化碳(CO)与人体中血红蛋白结合能力更强，当CO浓度超过290 mg/m3时，人会出现头晕，当CO浓度超过11 700 mg/m3时，数分钟内可致人死亡[9]，因此对武器发射时产生的有害气体进行测量在武器系统及其副效应研究中显得尤为重要。通过分析有害气体成分、浓度、扩散规律，可以改进武器设计、降低有害气体对射手的伤害风险，进而保证武器在未来战场中发挥更加优异的性能。

在气体浓度检测领域，主要有电化学和光学两种检测手段[10]，其中电化学方法是通过化学传感器中的工作电极与被测气体产生极化反应，利用两极电势的变化与被测气体浓度呈比例关系实现气体浓度检测，该方法原理简单、操作方便，但传感器响应迟滞严重，很难满足快速响应的检测要求[11-12]。屈东胜等[13]利用波长调制光谱技术测量温度载荷下气体压强、温度和组分浓度，无需提前标定，测量结果精度较高。夏慧等[14]通过多次反射和自平衡探测相结合的方法，为可调谐半导体激光吸收光谱技术应用于气体浓度在线诊断提供了可能。胡岚等[15]对温压弹爆轰气体产物进行了靶场实时测试，得到了温压弹爆轰时气体的浓度变化情形。王宏等[16]建立了武器发射时身管口部烟焰检测方法，验证了火药成分与透光率的关系。

综上所述，武器发射时有害气体对人体的影响与气体浓度和作用时间密切相关。常用的电化学传感器动态响应速度为15 s左右，且只能测量某些点的浓度，测量精度低，不能满足有害气体危害的风险评估需求。同时，发射条件、装药、燃烧是否充分等条件的变化，也严重影响发射时产生气体的浓度，使其差异较大，给气体浓度传感器测量的动态范围带来了精度问题。因此，如果不能有效解决武器发射环境下有害气体的准确测量问题，有害气体的产生及演变规律就无法知悉，更无法采取相应的对策进行控制与防护。

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的发展为发射现场气体浓度检测提供了新的解决思路。本文开展TDLAS技术研究，建立一套能够适用于发射现场的气体浓度在线快速检测系统，利用半导体激光良好单色性的“单线光谱”技术避免发射现场复杂背景气体的干扰，利用有限空间内发射单兵火箭的方式对比验证光学系统性能，同时利用半导体激光的可调谐性解决高温、高压、高粉尘等恶劣环境的影响。

1 基于TDLAS技术的气体在线检测模型

1.1 气体浓度检测原理

可调谐二极管激光吸收光谱技术主要是通过改变注入电流的大小，利用分布反馈半导体激光器的窄线宽和可调谐性，对分子的单个或几个距离很近、很难分辨的吸收线进行测量，获得被测气体的特征吸收光谱[17]，根据特征吸收谱带的强度变化计算被测气体的浓度。

1.2 模型建立

由Lambert-Beer定律可知：

A=ln(I0/I)=∂(v)XL，

(1)

式中：A为吸光度；I0为入射光初始强度；I为光穿过被测气体后的强度；∂(v)为吸光系数，即气体在一定频率v处的吸收线型；X为被测气体体积浓度；L为光程长。

吸光系数∂(v)与被测气体总体压强p、谱线强度S(T)和吸收谱线的线性函数g(v)有关，其中谱线强度S(T)只与温度T有关：

∂(v)=pS(T)g(v)，

(2)

被测气体体积浓度X可以表示为

(3)

式中：温度T时的谱线强度S(T)可表示为

(4)

T0为选取的参考温度；Q为分割函数，E″i为低跃迁态的能量，i为能级编号，v0,i为跃迁频率，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，c为光速。

分割函数Q可以通过多项式拟合计算：

Q(T)=a0+a1T+a2T2+a3T3，

(5)

式中：a0～a3为系数。

表1给出了CO在70～1 500 K温度范围内(5)式的各系数值。

表1 CO总的分子内部分割函数多项式系数

2 实验系统

如图1所示，实验系统主要由光谱仪、准直系统和数据处理系统3部分组成，其中光谱仪由信号发生器、分布式反馈激光器、激光控制器组成。激光器阈值电流为30 mA，输出光功率为20 mW(注入电流40 mA)。利用信号发生器产生方形波调控激光控制器，根据所需激光波长与加载电压的关系设定高电平和低电平，使得激光器在一个周期内产生所需波长的激光。激光经准直系统穿过有害气体场，再经光学端反射由探测器接收，转换成相对应的电信号，完成气体浓度采集。

与传统测量手段不同的是，激光器波长扫描频率为5 000 Hz，扫描宽度可调，采用该技术获取被测气体吸收以及粉尘阻挡的光强信息。在每次的光谱扫描中，I和I0对于粉尘阻挡都是等比例变化的，而被测气体的定量分析是基于光强的比率运算，因此只要光束能够穿过，基于TDLAS技术的气体浓度检测系统就不受武器发射时粉尘、视窗污染的影响，同时系统可修正环境温度和压力变化对测量的影响。

3 复杂成分下CO的提取方法

武器系统发射时，火药气体推动弹丸一起加速运动，由于高温高压燃气的作用，在空中会产生水蒸汽以及其他各种气体，如果处理不善，这些成分都会干扰CO的测量。图2所示为CO在温度296 K下其中一个吸收窗口的谱强度，图中表明CO和水蒸汽的吸收峰存在多处叠加干扰，但经仔细分析，在6 408.2 cm-1处，相比于水的吸收峰，CO的吸收峰与其无重叠且峰值较大，因此射击过程中产生的燃气射流与水不会对CO浓度测量产生干扰。为此，选择CO吸收峰为6 408.2 cm-1.

单兵火箭发射产生的有害气体成分复杂，为了进一步避开CO吸收谱线与其他气体之间的相互重叠、提高CO浓度测量精度，本文利用已知自由光谱范围的标准具完成激光器出光的波长标定。利用标准具中的干涉信号峰间距，标定出扫描过程的时间- 频率关系曲线，通过该曲线将原始光谱曲线转换到频率域，数据处理系统接收到有效的光谱数据后完成非线性拟合，分离出CO吸收谱线，最终得出准确的CO浓度。

4 实验验证方法

4.1 验证及现场测试方法设计

火箭弹在开放环境中发射，燃烧产生的CO会随着冲击波及燃气射流迅速扩散，为了更好地验证CO浓度在线检测系统的性能，本文将单兵火箭固支在一个半密闭的房间内。发动机点火产生CO，有限空间既不影响CO的高速动态变化，也能实现CO的短暂聚集，为在线动态检测系统性能验证提供了一个可靠的实验环境。

如图3所示，动态检测性能验证实验室分为发射间和测试控制间，其中发射间空间尺寸为长2.5 m×宽2.5 m，房间两侧开孔K1、K′1和K2、K′2，截面为矩形，孔中镶嵌防弹玻璃。光学端发射的激光通过孔K1和K′1，防弹玻璃既能保证光学端激光顺利通过，又能防止单兵火箭发射冲击波扫过光学端，造成测试结果误差较大，甚至数据丢失。发射间地面有隐蔽式走线槽，通过信号线将传感器信号传输到采集系统。

电化学传感器通过螺纹接口固定在安装支架端，传感器离地高度可通过同轴的中空杆调节，实现与TDLAS气体浓度检测系统测量同一高度气体浓度场，同时利用冲击波传感器为采集系统提供触发信号，保证采集系统在同一时刻启动。

4.2 测试精度验证

如图4所示，在建立测试系统之前，利用标准配比的CO气体对基于TDLAS技术和电化学两套气体浓度检测系统开展测试精度验证实验，结果如表2所示。TDLAS气体浓度检测系统检测精度为±4 mg/m3，电化学气体浓度检测系统精度为±24 mg/m3.

表2 CO浓度在线检测系统技术参数

4.3 动态实验

某型单兵火箭弹安装在位于发射间的固定支架上，在控制间远程击发点火，同时CO浓度检测系统进行采集。CO在线检测性能验证现场布置如图5所示。

5 实验结果分析

图6所示为第1发～第3发火箭弹射击后CO浓度场在线检测结果。由图6分析可知：因为数据采集系统采用冲击波信号进行触发，所以0 s时刻可以近似认为火药燃烧产生的CO气体出现时刻，发动机点火后，两套在线检测系统CO浓度先后均出现了变化，TDLAS气体浓度检测系统先于电化学气体浓度检测系统响应，且前者对于快速变化的CO浓度场的响应明显快于后者；从3发结果中也能宏观地看出，TDLAS气体浓度检测系统测量的CO浓度场是不断波动的，这也符合有限空间中火箭弹发射时气体扩散方向、扩散面积具有不确定性的规律；第1发电化学气体浓度检测系统显示CO气体浓度一直升高，直到采样结束也未达到峰值，第2发和第3发延长采样时间发现，在CO浓度达到某一个值后不再发生变化，同时这一稳定值基本与同时刻TDLAS气体浓度检测系统采集得到的CO浓度接近，这也能说明两套系统在测量静态值时一致性较好。分析认为出现上述较大差异现象的原因是火箭弹发射后，CO浓度在短时间内急剧升高，而电化学气体浓度检测系统受其电极反应及转化效率的影响，无法快速响应CO浓度场的变化。

对两套气体浓度检测系统得到的实验数据进行基本统计处理，处理结果如表3和表4所示。

表3 在线检测CO浓度实验数据

表4 检测系统反应时间

由表3可见，TDLAS气体浓度检测系统测得的CO浓度平均峰值为894.4 mg/m3，电化学气体浓度检测系统测得的CO浓度平均峰值为437.9 mg/m3，明显低于前者。分析认为基于TDLAS技术的气体浓度检测系统测量的为路径积分平均浓度，而电化学气体浓度检测系统测量的为点浓度，前者能够更好地表征有限空间的气体浓度场。在进行有害气体危害评估时，电化学气体浓度检测系统得到的CO测量值容易引起误判，致使评估结果误差较大。

由表4分析可知，TDLAS气体浓度检测系统平均在1.2 s时刻开始响应，电化学气体浓度检测系统平均在5.0 s时刻开始响应，在动态测试中滞后了近4.0 s. 以TDLAS气体浓度检测系统采样作为真值，电化学气体浓度检测系统得到的CO浓度相对误差都在40%左右，可见电化学气体浓度检测系统响应明显滞后于光学的方法，且对气体浓度的变化检测灵敏度较低。

如图7所示，单兵火箭弹改变发射装药量，进行强装药实验，发射产生的CO气体浓度增强，由于多发实验后电化学传感器中催化材料的逐渐消耗，传感器测量值出现超量程，自采集17.0 s后开始变化，响应滞后更加明显，同时CO浓度变化速率也明显小于TDLAS气体浓度检测系统，而TDLAS气体浓度检测系统依然能准确检测CO浓度场的变化，量程不受限制。

TDLAS气体浓度检测系统可进行长时间连续采样，图8所示为3发火箭弹CO浓度场连续变化情况，火箭弹点火后，CO浓度出现突变，直至最大值；随着空气流动，CO浓度开始减小，在衰减过程中会出现小幅波动，分析认为主要是武器发射后有限空间背景环境复杂，空气流动方向性差所致，最后有限空间内CO完全扩散，浓度为0 mg/m3.

6 结论

电化学气体浓度检测系统检测响应速度慢、动态量程小，不能满足武器系统发射时产生的有害气体成分及浓度测量要求，针对此问题，本文基于TDLAS技术，提出一种适用于武器发射现场的CO浓度在线检测方法，实验结果表明：

1) 基于TDLAS技术的CO浓度在线检测方法能够抑制环境干扰，响应时间达到1～2 s，比电化学气体浓度检测系统快5～15 s，有效量程上限可至100%(体积比)，实现了现场快速测量，同时满足了动态量程范围大的测试要求。

2) TDLAS气体浓度检测系统快速跟随，不存在无法归零、零漂问题，解决了速射武器的测量问题。

3) TDLAS气体浓度检测系统测量值是空间场的气体浓度，对有限空间内武器发射效应分析更有意义。