引用本文
司宇, 刘吉, 武锦辉, 赵磊, 闫晓燕. 基于闪光光谱的侵彻过程光学观察窗口分析[J]. 光谱学与光谱分析, 2023,43(3): 718-723.
SI Yu, LIU Ji, WU Jin-hui, ZHAO Lei, YAN Xiao-yan. Optical Observation Window Analysis of Penetration Process Based on Flash Spectrum[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2023,43(3): 718-723.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0718-06  
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基于闪光光谱的侵彻过程光学观察窗口分析
司宇1, 刘吉1,*, 武锦辉2, 赵磊1, 闫晓燕2
1.中北大学信息与通信工程学院, 山西 太原 030051
2.中北大学仪器与电子学院, 山西 太原 030051
*通讯作者 e-mail: liuji6@nuc.edu.cn

作者简介: 司 宇, 1998年生, 中北大学信息与通信工程学院硕士研究生 e-mail: finale1925@gmail.com

收稿日期: 2022-01-10 修回日期: 2022-04-15 接受日期: 2022-04-15
基金: 国家自然科学基金项目(61603352), 山西省回国留学基金项目(2021-116, HGKY2019068), 山西省自然科学基金项目(202103021224188)资助
摘要

可见光高速摄影是研究弹丸侵彻过程的重要方式, 然而弹丸侵彻过程中发出的强烈闪光会导致高速摄影丢失诸如着靶、 侵入等时刻的关键画面。 因此, 分析侵彻光谱发生机理、 选取合适的侵彻过程光学观察窗口尤为重要。 针对400 mm直径高强度钢卵形弹以804 m·s-1侵彻20 cm厚度45#钢靶的实验, 设计了光谱瞄准采集设备。 利用多模光纤耦合物镜在距离靶板25 m处采集了侵彻全过程积分光谱, 采集区覆盖靶板直径431 mm。 对侵彻靶板破片中可能存留的弹头熔融物质以及弹托其他样品进行LIBS(laser induced breakdown spectroscopy)分析, 并与侵彻积分光谱成分对比分析。 研究表明, 侵彻光谱与高速碰撞闪光光谱发生机理相同, 均包含连续光谱与线光谱。 615~700 nm区间内的平稳积分连续光谱由两部分组成: (a)弹靶少量金属元素和O Ⅰ、 O Ⅱ发射光谱的展宽积分; (b)少量热辐射光谱积分。 侵彻热辐射主要源于剪切应变做功和摩擦做功, 然而侵彻光谱中的热辐射强度明显低于高速碰撞光谱, 这是弹丸在剪切冲塞、 侵彻后大部分动能得以保留造成的; 侵彻过程可见光光谱具有明显原子发射谱线, 主要来自于金属原子及其一级电离的发射光谱。 干扰最强的可见光成分来源于588.88~589.53和766.41~766.43 nm的FeⅠ等离子体线光谱, 且由于斯塔克展宽效应, 线光谱呈洛伦兹线型, 其FWHM(full width at half maximum)可达27 nm。 因此, 在野外环境侵彻实验中, 当Fe为弹靶主要成分时, 380~450 nm为可见光高速摄影的最佳观察窗口, 可以避免侵彻发光干扰, 实现对侵彻全过程拍摄。 考虑到大气对该波段的散射影响, 应保证高速摄影设备的光通量。

关键词: 侵彻; 发射光谱; 光学观察窗口; LIBS
中图分类号:O433.4 文献标志码:A
Optical Observation Window Analysis of Penetration Process Based on Flash Spectrum
SI Yu1, LIU Ji1,*, WU Jin-hui2, ZHAO Lei1, YAN Xiao-yan2
1. School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China
2. School of Instrument and Electronics, North University of China, Taiyuan 030051, China
*Corresponding author
Abstract

Visible high-speed photography is an important way to study projectile penetration. However, the intense flashes emitted during projectile penetration can cause high-speed photography to lose critical images of moments such as target impact and intrusion. Therefore, it is particularly important to analyze the mechanism of penetration spectroscopy and select a suitable optical observation window for the penetration process. For the experiment of a 400 mm diameter high-strength steel ovoid bullet penetrating a 20 cm thickness, 45# steel target at 804 m·s-1, a spectral targeting and acquisition device was designed. The integrated spectra of the whole process of target plate penetration were collected at 25 m from the target plate using a multimode fiber coupled with an objective lens, and the collection area could cover the 431 mm diameter of the target plate. The molten material of the payload and the other samples of the shells were analyzed by LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) and compared with the components of the intrusion integral spectrum. The smooth integral continuous spectrum in the interval of 615~700 nm consists of two parts: (a) the spreading integral of a small number of metal elements and O Ⅰ and O Ⅱ emission spectra of the bullet target (b) the integral of a small amount of thermal radiation spectrum; the thermal radiation of the intrusion mainly comes from shear strain work and friction work. However, the intensity of thermal radiation in the intrusion spectrum is significantly lower than that in the high-speed impact spectrum, which is caused by the retention of most of the kinetic energy of the projectile after the shear strain and intrusion into the target plate; the visible spectrum emitted during the intrusion process has obvious atomic emission spectra, mainly from the emission spectra of metal atoms and their primary ionization. The most disturbing visible light component comes from the Fe I. plasma line spectra of 588.88~589.53, 766.41~766.43 nm, and due to the Stark widening effect, the line spectrum is Lorentz linear, and it’s FWHM(Full Width at Half Maximum) can reach 27 nm. Therefore, in the experiments of the field environment where sunlight is the main light source when Fe is the main component of the target, the spectrum of 380~450 nm is the best observation window for visible high-speed photography, which can avoid the intrusion luminescence interference and achieve the whole intrusion process photography. The high-speed photography equipment should be ensured by sufficient luminous flux.

Keyword: Penetration; Emission spectrum; Optical observing window; LIBS
引言

可见光范围的高帧率、 大视场高速摄影技术快速发展为观察弹丸侵彻贯穿过程提供了强有力的研究材料。 在国内侵彻毁伤实验中, 大部分研究人员均以此作为实验辅助手段, 对诸如波阵面计算、 弹道特性、 侵彻角度影响的机理、 防护工事破坏行为进行研究[1, 2, 3], 因此高速摄影在毁伤与防护评估中具有极为重要的作用[4, 5, 6]。 然而在摄影记录过程中, 由于材料高速撞击会产生表面材料部分熔化、 气化, 造成强烈等离子体闪光[7, 8, 9], 这一过曝问题会导致部分重要画面细节丢失甚至画面整体不可见, 这对于成本高昂的火炮测试而言是十分致命的。 因此, 研究侵彻过程中的闪光光谱, 总结出适用于不同实验条件的高速摄影光学观察窗口具有重要意义。

在闪光光谱测量方面, 国内外研究人员的工作主要集中在超高速碰撞下的光谱测量与分析。 本世纪初, Ernst等[10]研究人员认为撞击的闪光强度随时间呈指数衰减, 并且入射角度和闪光强度峰值呈线性关系。 2017年, 唐恩凌教授及其团队[11]利用二级轻气炮结合朗缪尔三探针, 对2A12铝合金弹靶在不同撞击角度、 不同撞击速度过程的闪光光谱进行研究, 证实高速碰撞过程中产生了Al+等离子体, 总结了弹速、 倾角与不同波长辐射强度的关系。 2020年, 日本大学Ryota Fuse等[12]发现蒸汽云会烧蚀碎片产生热辐射, 真空程度不会影响射流热辐射。 Xu等[13]开发了针对铝弹靶撞击的电磁辐射特性分析SPH程序。 龚良飞等[8]认为高速撞击光谱中除原子发射光谱和热辐射外还存在碎片烧蚀的光谱, 得到了闪光持续时间、 闪光温度与碰撞速度、 角度的关系。 中国空气动力研究与发展中心人员[14, 15]对铝球高速撞击中光谱峰值特性进行时域分析, 对喷出粒子云的温度拟合分析, 并对其成因做出总结。 2021年, Cai等[16]发现, 单帧碰撞光谱信息可反演出碰撞表面温度和碰撞诱导电子的温度密度, 极大提高了数据利用率。

以上高速碰撞过程大都发生在气体环境稳定、 外部干扰小、 压强低、 有观察窗的轻气炮气室中, 其热、 力耦合作用主要集中在弹丸撞击厚靶时发生的延展性材料绝热状态下塑性形变做功的内能产热过程, 持续时间短、 实验条件可控, 而在实际火炮性能测试中, 弹丸侵彻薄靶、 中厚靶过程中包含接触、 侵入、 剪切挤凿、 穿甲破坏四个阶段, 侵彻过程相较撞击更为复杂, 并且由于实验环境恶劣导致无法保证在靶面近距离设置观察点、 也无法使用激光阴影成像。 因此, 本文就某火炮穿甲实验中闪光光谱进行测量, 结合穿甲后靶板碎片的LIBS谱线数据进行分析, 为高速摄影光学窗口选择提供数据和理论支撑。

1 理论

在目前针对高速撞击的诸多研究中, 研究人员通过时域分析法、 理论计算等方式对于撞击光谱的形成机理进行了较为完善的分析。 认可度比较高的结论是撞击光谱主要由热辐射曲线、 原子(离子)发射谱线、 材料相变以及环境压力增加造成的碎片烧蚀辐射曲线构成[14, 15]。

1.1 热辐射与冲击射流

在侵彻发光实验中前期的两物体接触时间短, 可近似认为绝热过程下的灰体辐射。 由普朗克黑体辐射定律

Iλ(ν, T)=2hc2λ51ehcλkT-1=C1λ-5(eC2λT-1)-1(1)

式(1)中, Iλ , ν , λ , T和h分别为辐射率、 频率、 波长、 黑体温度和普朗克常量。 C1和C2分别为第一、 第二辐射常数, C1=1.191× 10-16 W· m2· Sr-1, C2=1.438 8× 10-2 m· K。 对于灰体, 辐射强度只需乘发射率ε , 有辐射强度

Ig(ε, ν, T)=εIλ(ν, T)(2)

在侵彻开始时, 弹靶接触部分产生强剪切作用力扩张破坏口, 产生径向放射裂纹, 导致靶体毁伤呈现扩张趋势, 同时伴随侵彻阻力摩擦功转热。 而卵形弹头在撞击过程中表面熔化、 气化部分会在剪切应变做功下产生数倍于自身速度的射流[14, 15]。 相关理论分析与计算可参照上述引用文献。

1.2 线光谱

原子外层电子在满足泡利不相容原理情况下以最低能级状态排布, 受激跃迁至高能级后再次失去能量时会释放出对应能量波长的光子。 众多实验表明在撞击中弹靶表面发生材料相变、 熔化、 等离子化会产生原子发射光谱。 等离子体温度较低时的强度满足[8]

Ia∝T(v)EukT0(3)

式(3)中, T(v)为碰撞温度是速度v的函数, Eu为上能级, k是玻尔兹曼常数。 实际测试中谱线存在洛伦兹线型的压力展宽。

2 实验部分

针对高速摄影的持续拍摄需求, 本次实验需要采集卵形弹侵彻45#碳钢靶板过程中380~780 nm内一段积分光谱。 并对穿甲剪切碎片进行LIBS检测, 与侵彻光谱特征峰值进行对比。

2.1 光谱采集

由于侵彻实验环境恶劣, 为避免炮口激波、 振动对探头的影响, 瞄准设备架设位置在炮口后方并且距离炮体一定距离处。 另外需要设计基于野外实验实际的光谱采集瞄准设备。 在单反相机焦平面上安装法兰以耦合光纤插芯作为光谱采集设备, 结构如图1所示。

图1 光谱采集装置结构Fig.1 Structure of spectrum acquisition device

其中物镜为f=58 mm的HAIOU-64双高斯结构透镜, 该结构通过反射镜2的旋转可以保证目视观察点即为光谱采样点, 瞄具架设距离第三靶板25 m处。 法兰连接处多模光纤孔径角为NA=0.5。 根据WD/f=H/h, 可得到WD=25 m处满足NA条件的靶面直径为43.6 cm, 可以覆盖主要侵彻位置。 用多模光纤和光谱采集设备在同位置、 同时刻分别采集5次太阳光谱取平均。 通过计算得图2传递函数曲线, 结果表明: 在可见光范围内, 该光谱采集方案能够提高光接收效率, 接收光谱强度与使用裸纤直接接收相比产生近似线性提高, 可达到2~2.5倍。

图2 采集设备可行性验证Fig.2 Acquisition equipment feasibility test

2.2 仪器及参数

侵彻实验材料某高强度钢400 mm卵形实验弹, 多间隔20 cm厚45#碳钢靶板。 光谱仪型号选用海洋光学公司USB4000, 波长范围350~1 000 nm, 具有3 648像素和1.5 nm光学分辨率。 接收光纤为大恒光电NA值为0.5、 波长范围300~1 200 nm的多模光纤。

LIBS设备使用TSI公司ChemReveal台式分析仪, 其具有1 064 nm的Nd∶ YAG固体激光器, 支持最大300 mJ脉冲输出和0.09 nm@300 nm分辨率。

2.3 方法

实验布局如图3所示。

图3 侵彻光谱采集现场布局Fig.3 Field layout of penetration spectrum acquisition

其中炮口处断靶线提供外触发信号, 由于高速摄影观察时间长的特点, 为保证采集侵彻全过程光谱, 设置光谱仪积分时间50 ms。 通过弹速计算, 以撞靶为有效采集起始点则实际侵彻光谱有效时间18.6 ms。

3 结果与讨论
3.1 侵彻光谱

由于野外实验存在较强的环境光背景辐射, 采集同一位置相同条件下50 ms环境光数据作为基底, 得到图4为光谱仪采集侵彻光谱去基底相对强度。 其中曲线spectrum1、 2分别为断靶触发后间隔350 ms的两次采集光谱。

图4 侵彻光谱相对强度Fig.4 Relative intensity of penetration spectrum

表1中B, C, F和G点由于基底光谱强度高, FWHM无法判断。 其中光谱2于光谱1的148 ms后采集。 两者共同特点为发射线光谱强度最高。 由于斯塔克展宽效应的存在, 线光谱成分均出现不同程度洛伦兹线型展宽, 即辐射强度由单一波长扩散至图4中黄、 蓝两区域。 光谱Ⅰ 在615~700 nm区间内拥有较平缓的连续光谱, 但趋势与热辐射曲线不相符, 推测包含元素发射光谱展宽以及韧致辐射和复合辐射。

表1 侵彻光谱特征峰值点参数 Table 1 Parameters of penetration spectrum characteristic peaks
3.2 LIBS分析

卵形弹以804 m· s-1侵彻20 cm厚45#碳钢靶板后, 弹体头部出现烧蚀压缩变形但并未出现弹体破碎。 现场获得部分靶板破片及弹托破片如图5所示。

图5 破片样品Fig.5 Fragments samples

图5中(a)和(b)为靶板“ 翻唇” 状碎片, 变形部分与弹体发生摩擦剪切时间最长, 有明显蓝青色氧化痕迹, 可能含有弹体表面部分残留熔融材料。 图5(c)— (f)分别为弹托不同部位破片。 对以上样品分别取LIBS测试点, 编号A— H, 其中A— D点位于靶板破片蓝青色区域, 图5(c)— (f)弹托破片分别取点E— H。 同时为比较激发能量对发射光谱的影响, 作50和100 mJ激光诱导击穿光谱如图6所示。

图6 不同功率的LIBS破片样品光谱
(a): 50 mJ下的发射光谱; (b): 100 mJ下的发射光谱Fig.6 LIBS spectrum of samples with different laser power
(a): 50 mJ laser-induced breakdown spectrum; (b): 100 mJ laser-induced breakdown spectrum

通过图6中11组数据对比不难发现, 发射谱线近紫外部分辐射强度随激光能量提高显著上升, 可见光波段主要峰值波长出现在400~550和606~650 nm两段密集区域。 线光谱峰值波长出现在588.93, 589.51, 766.46和769.83 nm。 其中图6(a)取样点D在50mJ下的发射光谱只出现可见光波段的线谱成分, 明显异于其他谱线, 推测是该入射角度的激光击穿物质中有弹体熔融成分。 根据与美国国家标准与技术研究院(NIST)发射光谱数据库的对比结果, 在同样诱导击穿能量下, G和H点测试结果均在386.83~393.35 nm出现Al Ⅰ 发射峰, 在422.63 nm处出现图4中不存在的Th Ⅰ 发射峰, 因此样品(e)和(f)元素成分与(a)— (d)不同, 且侵彻过程中未与靶体发生高速碰撞。 取可见光波段特征峰值如图7所示, 对样品(a)— (d)特征峰值进行比对, 考虑到光谱仪线性漂移, 实际图7特征峰与图4中两段特征峰吻合。

图7 可见光范围特征谱线
(a): 589 nm附近特征谱线; (b): 766.6和769 nm附近特征谱线Fig.7 Characteristic lines within visual spectrum
(a): Characteristic lines near 589 nm; (b): Characteristic lines near 766.6 and 769 nm

表2 特征谱线参数 Table 2 Parameters of characteristic lines

根据与NIST数据库的对比结果, 在侵彻光谱中最强辐射来自FeⅠ , 图4中光谱1的615~700 nm积分来自O, Cu, Ca和Al等元素的原子、 离子发射谱线。 其中图4中侵彻线光谱主要对应元素如表3所示。

表3 侵彻过程发射光谱对应元素 Table 3 The elements relative to emission spectra of the penetration process
4 结论

对侵彻光谱形成进行简要分析, 通过积分采集侵彻全过程的光谱和样品LIBS光谱进行对比, 可发现侵彻持续过程中的线光谱成分辐射强度远高于热辐射和碎片烧蚀辐射。 发射谱线对应弹靶材料主要成分FeⅠ , 且在可见光范围内低频谱线更易被激发。 推测615~700 nm部分出现的平缓连续积分光谱为弹靶中少量金属元素以及OⅠ 和OⅡ 的发射谱线积分。 虽然该区间内光谱强度平稳连续, 但其辐射强度随侵彻过程发生变化, 最大仍可达到同波长太阳光辐射强度的数百至数千倍, 从而造成过摄影过曝光。 因此, 在太阳光为照明光源的野外环境侵彻实验中, 可见光高速摄影应选取380~450 nm作为光学观察窗口。 考虑到该波段的瑞利散射, 应保证高速摄影具有足够的进光量。

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