用于爆炸火焰真温场测量的多光谱热成像仪研究

王振涛, 戴景民*, 杨 森

1. 哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001 2. 东北林业大学机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001

引 言

近年来, 随着战争方式、 规模的逐渐改变及作战武器的多元化, 武器弹药种类和形式也不断改进和发展, 而武器威力的评估是评价武器性能、 反馈指导武器设计中非常重要的一个环节[1-2]。 对武器威力的评估又称为目标毁伤评估, 目标毁伤评估包括冲击毁伤评估、 热辐射毁伤评估、 破片毁伤评估、 窒息毁伤评估等[3-4]。 本工作是针对热辐射毁伤评估所展开的爆炸火焰真温场测量研究。

目前应用于爆炸火焰测温方面的仪器主要分为两类: 点测温仪器、 场测温仪器。 点测温仪器主要以接触式热电偶、 光纤式高温计为主, 该类型测温仪器可以测量出爆炸火焰随时间变化的温度曲线, 但缺少空间温场数据, 因此并不适用于弹药的空间热辐射毁伤评估; 相比之下, 场测温仪器中的红外热像仪可以获取到爆炸火焰的空间分布、 火焰尺寸、 燃料抛洒和云团分布等信息, 但其拍摄速率较低, 难以满足较高时间分辨率的测量需求。 高速CCD相机可以弥补该方面的缺陷。 目前, 国内外已有一些学者将高速CCD相机应用于爆炸火焰的温场测量, 比如: 2011年, Densmore等[5]研制了一种高速成像高温计, 该仪器由两台单色高速CCD相机组成, 一个镜头组件为两台相机收集光线, 两台相机对应的滤光片中心波长为700和900 nm, 利用该高温计实现了TNT炸药爆炸时的温度测量; 2018年, 占春连等[6]通过大口径卡塞格林光学系统收集爆炸火焰的光谱辐射信息, 并采用分束镜将爆炸火焰燃烧时所发射出的光信号分为两部分, 其中一部分与集束光纤耦合, 成像在集束光纤的入口处, 另一部分被成像在高分辨率面阵CCD 接收面上, 光纤部分为多波长测温, CCD部分则为单波长测温; 2019年, 甘波等[7]为揭示粒径分布对聚甲基丙烯酸甲酯粉尘云火焰温度的影响, 采用高速相机对火焰形态和火焰温度分布进行了记录。 实验结果表明, 在粉尘粒子粒径为20 μm时, 火焰最大温度和高温火焰区面积达到最大值; 2020年, 刘兴旺[8]建立了基于高速CCD相机的温度场三维重建系统, 该系统共采用了三台CCD相机, 以爆炸源中心两两间隔120°安装。 根据各相机在不同角度的温度场图像数据, 采用加权多准则迭代重建算法重建出相应的高温火球三维温度场; 2021年, 许仁翰等人采用彩色CCD相机对375、 750及1 500 g温压弹爆炸场温度进行测量, 并用三色法进行了温度计算, 其结果与双色红外测温仪进行了对比, 最高温度的测量偏差分别为: 0.68%、 3.31%和3.19%。 通过以往的研究可以看出, 高速CCD相机在爆炸火焰测温领域中可以实现二维温场测量以及三维温场重建, 但值得注意的是, 该类型测温仪器主要采用单色测温法和三色测温法进行温度计算。 单色测温法由于缺少发射率参数, 只能测量出温度场的亮温值; 而三色测温法的实质为多比色测温法, 多比色测温法也无法实现真温值的计算。 因此针对这一问题, 研制了一套用于爆炸火焰真温场测量的多光谱热成像仪, 该仪器以高速CCD相机作为温场采集装置, 以远距离多孔分光镜头作为多光谱成像系统, 可实现爆炸火焰的远距离多光谱测量, 并结合多光谱辐射测温理论可反演出爆炸火焰真温场。

1 测温原理

所用的高速CCD相机主要工作波段位于400～1 100 nm范围内, 设高速CCD相机的光谱响应函数为Y(λ), 则像素灰度值H为

(1)

式(1)中:η为高速相机输出电流与灰度值之间的转换系数;u为光电转换系数;t为曝光时间;f为焦距(m);a为入射光孔径(m);KT(λ)为高速相机在波长λ处的透光率, 根据高速CCD相机的灰度值H可以建立与被测物体温度T之间的关系。 为实现爆炸火焰的多光谱测量, 在分光光栏上安装了窄带滤光片, 因此像素灰度值与被测物体温度之间的关系为

(2)

H=kε(λ,T)L(λ,T)

(3)

弹药光谱发射率与波长之间具有一定的非线性关系, 可采用发射率模型为

(4)

式(4)中,a0,a1, …,am为拟合参数,m为多项式项数。 结合式(3)和式(4)可得[9]

(5)

式(5)在未知数小于方程组数的情况下, 通过最小二乘法即可实现目标真温的求解。

2 装置设计

多光谱热成像仪是一种利用高速CCD相机和远距离多孔分光镜头实现的非接触式真温场测量仪器。 仪器的设计框图如图1所示, 技术指标如表1所示。 该仪器主要包括三个功能: 多光谱成像、 数据采集、 真温场反演。 多光谱成像由远距离多孔分光镜头完成, 所成图像由高速CCD相机进行采集并经由以太网传输至控制计算机, 控制计算机内安装软件系统, 操作人员可通过软件系统完成爆炸火焰的真温场反演。

表1 多光谱热成像仪技术指标Table 1 Technical indicators of multi-spectral thermal imager

图1 多光谱热成像仪设计框图Fig.1 The block diagram of multi-spectral thermal imager

依据爆炸火焰特性研制了一款远距离多孔分光镜头, 该镜头是在牺牲小部分空间分辨率的前提下, 实现对远距离大目标的同时刻、 多波长成像功能。 远距离多孔分光镜头主要分为两个部分: 主成像镜头、 分光镜头。 主成像镜头的主要功能是对远距离目标进行单独成像, 该部分包括远焦镜头、 可调节镜筒以及单凸透镜。 在测量时可通过调节远焦镜头的焦距以及镜筒长度, 配合正后方的单凸透镜实现远距离爆炸火焰的成像。 分光镜头的主要功能是对主图像进行多波长分光成像, 该部分包括分光光栏、 可调节镜筒以及凸透镜组, 分光光栏安装在主成像镜头的正后方, 并在光栏的通孔上安装有不同波长的窄带滤光片, 以此实现爆炸火焰的多波长成像, 在光栏的正后方安装凸透镜组, 通过调节镜筒使图像可以清晰呈现在高速CCD相机的焦平面上。 远距离多孔分光镜头的装配图如图2所示, 光路图如图3所示。

图2 远距离多孔分光镜头装配图Fig.2 Assembly diagram of long-range multi-aperture spectroscopic lens

图3 远距离多孔分光镜头光路图Fig.3 Optical path diagram of long-range multi-aperture spectroscopic lens

高速CCD相机的选择主要考虑相机的拍摄速率以及分辨率。 弹药在引爆后会在极短时间内产生爆炸火焰, 一般爆炸火焰的持续时间属于毫秒级别, 为保证拍摄到爆炸火焰随时间的变化规律, 高速CCD相机的拍摄时间间隔应小于1 ms, 因此高速CCD相机的拍摄速率需要>10 000帧·s-1; 在分辨率方面, 由于采用的分光技术是对入射光进行分解后再重聚焦, 因此为保证采集到完整的爆炸火焰图像, 高速CCD相机的分辨率需要>800×800; 针对上述需求选择了美国Vision Research公司的Phantom v2012型高速CCD相机, 参数指标如表2所示。

表2 Phantom v2012型高速CCD相机参数指标Table 2 Parameters of Phantom v2012 high-speed CCD camera

在完成镜头研制及相机选型后, 则需要根据爆炸火焰的光谱特性来选择测温仪器的工作波长。 爆炸火焰是由固体粒子燃烧、 化学燃料燃烧、 气体燃烧等多方面因素所引起的, 其光谱特性曲线并不连续, 会出现亮色、 亮带等现象。 亮色或亮带的出现不符合普朗克定律所要求的连续光谱, 因此在选择工作波长时, 应在较为平滑的波段处进行选择, 而避开间断或尖峰波段。 爆炸火焰光谱特性曲线如图4所示。

图4 爆炸火焰光谱特性曲线Fig.4 Spectral characteristic curve of explosion flame

通过图4可以看出, 所测量的爆炸火焰光谱分别在590和780 nm处出现了尖峰, 因此在选择工作波长时需要避开这两个波段。 为此, 分别选择中心波长为550、 650、 700以及850 nm的窄带滤光片, 并且为保证测量信号的独立, 窄带滤光片的半高宽需要小于20 nm。 在完成工作波长的选择后, 便基本实现了多光谱热成像仪的研制, 实物图如图5所示。

图5 多光谱热成像仪实物图Fig.5 The physical view of the multi-spectral thermal imager

3 爆炸实验

利用所研制的多光谱热成像仪对TNT炸药进行了野外测温实验, TNT的重量为1.660 9 kg。 实验选择在开阔场地进行, TNT安装在木质三脚架上。 为保证实验的安全性, 多光谱热成像仪放置在距爆心约200 m的位置处, 且在仪器前方设有安全防护墙, 仪器可通过防护墙窗口对TNT爆炸火焰进行测试。 同时为了验证多光谱热成像仪的测温精度,采用了一种光纤式多光谱高温计进行了同步测温实验, 该仪器的结构设计以及验证结果在文献[10]中有详细的介绍。 图6为TNT爆炸火焰的多分幅图像以及现场实验图。

通过图6可以看出: 利用所研制的远距离多孔分光镜头可实现远距离爆炸火焰的多分幅成像, 虽然多分幅图像的空间分辨率小于单幅图像, 但仍满足空间温场的测量需求。 通过对多幅图像进行匹配对齐后, 便可利用多光谱辐射测温法反演出爆炸火焰的真温场。 爆炸火焰的真温场如图7所示。

图7 爆炸火焰真温场图Fig.7 Diagram of explosion flame true temperature field

通过图7可以看出, 爆炸火焰的体积从0.05到0.4 ms不断扩大。 在0.4 ms之后, 爆炸火焰的中心区域开始破裂。 当时间达到0.6 ms时, 中心区域的爆炸火焰已经熄灭, 只有外沿区域的火焰在燃烧。 在温度方面, 爆炸的早期阶段(从爆炸开始到0.1 ms后), 爆炸火焰的温度持续上升, 并在t=0.1 ms时达到了3 251 K。 随着爆炸时间的增加(从开始爆炸0.1 ms之后到0.6 ms), 温度在逐渐下降。 当t=0.6 ms时, 温度仅有2 483 K。 在测温精度方面, 光纤式多光谱高温计在0.1 ms时达到了3 406 K, 该结果与多光谱热成像仪所测量的3 251 K相差4.7%, 该测温精度满足爆炸火焰的测温需求。

4 结 论

研制了一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器, 该仪器使用高速CCD相机作为采集装置, 通过远距离多孔成像镜头可实现爆炸火焰温场在同时刻、 不同波长的热图像采集。 根据外场TNT弹药爆炸实验结果表明: 研制的多光谱热成像仪器能够测量出弹药爆炸温场随时间变化的状态, 可为弹药爆炸热辐射毁伤提供有效实测数据。