崔元博，孔德仁，張學(xué)輝，王良全

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

1 引言

炸藥在爆炸時會產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射，不同強(qiáng)度或頻率的電磁輻射會對一定范圍內(nèi)的電子設(shè)備（如無人機(jī)、引信裝置、通信設(shè)備等）產(chǎn)生電磁干擾，嚴(yán)重時造成設(shè)備無法啟動甚至損壞，引發(fā)事故。為了提升電子設(shè)備抗電磁干擾性能，有必要對炸藥爆炸時產(chǎn)生的電磁輻射進(jìn)行測量研究。

國外對炸藥電磁輻射的研究較早，1954 年Kolsky［1］首先發(fā)現(xiàn)了炸藥爆炸可以產(chǎn)生電脈沖這一現(xiàn)象，隨后國外學(xué)者相繼對該現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Boronin［2-3］對凝聚炸藥爆炸產(chǎn)生電磁場的物理機(jī)制進(jìn)行研究，提出通過爆炸產(chǎn)生無線電輻射的機(jī)制與激波前沿的電離空氣層中某些電子基因的加速或減速過程有關(guān)，這一觀點(diǎn)后被稱作“Boronin 效應(yīng)”。Boronin 等人的工作首次詳細(xì)闡述了炸藥爆炸產(chǎn)生電磁輻射的機(jī)理，并給以后相關(guān)研究指引了方向。A.L.Kuhl 等［4］對TNT產(chǎn)生電磁波的機(jī)理進(jìn)行了闡述，認(rèn)為電離原子、離子和電子的運(yùn)動是產(chǎn)生爆炸電磁波現(xiàn)象的原因，爆轟產(chǎn)物的膨脹在周圍空氣中引起強(qiáng)烈的震動，形成了持續(xù)時間約20 μs 的強(qiáng)烈熱波（約11000 K），這樣的溫度使空氣產(chǎn)生明顯的電離作用，離子斑塊的運(yùn)動產(chǎn)生電流，這些 電 流 產(chǎn) 生 電 場 和 磁 場。另 外，Kuhl［5］對TNT 爆 炸 的數(shù)值模擬來研究這些運(yùn)動的影響，采用高階Godunov公式對一維氣體動力學(xué)守恒定律進(jìn)行積分，通過一個非常精細(xì)的網(wǎng)格化（10 μm）來獲得收斂的溫度和電導(dǎo)率剖面，用于預(yù)測TNT 爆炸產(chǎn)生的三維電磁波。

國內(nèi)對含能材料電磁輻射的研究起步較晚，1997年陳生玉［6］對20～120 g 帶殼裝藥爆炸電磁輻射進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)電磁脈沖的最大幅值隨藥量的增大而增大。此后十年間國內(nèi)沒有相關(guān)研究報(bào)道，2014 年王長利等［7］對36～128 g B 炸藥和梯黑鋁兩種典型炸藥爆炸過程的電磁輻射進(jìn)行了研究，測得這兩種炸藥爆炸產(chǎn)生的電場強(qiáng)度范圍為0.39～1.75 V·m-1，單一測試點(diǎn)的輻射強(qiáng)度與炸藥當(dāng)量的1/3 次方呈線性關(guān)系，信號持續(xù)時間約0.5 μs，電磁輻射信號頻段主要集中在100 MHz 以下，不同種類的炸藥爆炸產(chǎn)生的頻譜特征明顯不同，但由于實(shí)驗(yàn)樣本較少，未能給出電磁輻射與測點(diǎn)距離和炸藥當(dāng)量的明確關(guān)系公式。栗建橋等［8］針對爆炸對自然磁場擾動進(jìn)行理論機(jī)理和數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)了炸藥起爆參數(shù)對磁場擾動有很大影響，指出炸藥幾何不對稱的時候，在自然磁場取不同方向時將會產(chǎn)生不同的磁場擾動強(qiáng)度，不同種類工況模擬得到的磁場擾動幅值不同，這一研究成果在相關(guān)領(lǐng)域尚且無人關(guān)注，具有較高的創(chuàng)新價(jià)值。任會蘭等［9］對4.5，6.0，7.5 kg 的B 炸藥爆炸過程中產(chǎn)生的電磁輻射進(jìn)行測量，捕捉到了三個脈沖信號，發(fā)現(xiàn)第一個脈沖信號是爆轟產(chǎn)生的高溫高壓等離子體直接產(chǎn)生的電磁脈沖，其到達(dá)時間對炸藥藥量不敏感；第二個脈沖信號是空氣沖擊波陣面處形成的等離子體產(chǎn)生的電磁脈沖，其出現(xiàn)時間與炸藥當(dāng)量呈指數(shù)關(guān)系，藥量越大出現(xiàn)時間越晚；第三個脈沖信號是沖擊波撞擊測量線圈引起的無效信號，電磁信號頻譜主要分布在0～50 kHz。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，對于炸藥爆炸產(chǎn)生電磁輻射的研究，大多集中在10 kg 以下，缺少大當(dāng)量炸藥電磁輻射相關(guān)研究，實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)較少，測試點(diǎn)分布較集中，對爆炸場的電磁分布特征缺乏分析。為此，本研究采用雙天線協(xié)同測量及高速采集卡記錄數(shù)據(jù)方式，對60 kg TNT 爆炸產(chǎn)生的電磁輻射進(jìn)行測量，利用信號降噪、傅里葉變換、補(bǔ)償衰減等方法對電磁信號進(jìn)行分析，得到了較為全面、完整、精確的爆炸電磁輻射特性，以期為爆炸場電子設(shè)備抗電磁干擾設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

采用短波天線和超寬帶天線協(xié)同測量方法，覆蓋頻段最高至500 MHz，使用高速采集卡記錄數(shù)據(jù)，信號時域數(shù)據(jù)精確至10-9s，記錄時長達(dá)810 ms。電磁輻射測量裝置如圖1 所示，前端測試點(diǎn)由短波無源全向天線、超寬帶無源全向天線、信號調(diào)理器組成，短波無源全向天線采樣帶寬為1.5～30 MHz，垂直極化方式，駐波比≤2.5，天線增益≥-35 dBi（大于5 MHz），最大承受功率50 W，輸出阻抗50 Ω，高度2000 mm；超寬帶全向天線為雙錐加載結(jié)構(gòu)，垂直極化方式，采樣帶寬為30～512 MHz，天線增益在30～100 MHz 頻段≥-15 dBi，在0.1～3 GHz 頻段≥0 dBi，輸出阻抗50 Ω，高度450 mm；信號調(diào)理器為自主設(shè)計(jì)，具備合路器、信號放大器、限幅器三種功能，可以將兩種不同采樣頻段天線輸出的信號進(jìn)行合路，同時將信號放大，放大系數(shù)為10 dB，限幅器功能是防止過高的信號功率對采集卡造成損壞，限制功率大于10 W。前端測試點(diǎn)通過同軸線纜（SYV50-5-1）與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接，采用SPECTRUM 公司的M4x.2212 型號高速采集卡記錄數(shù)據(jù)，設(shè)置最高采樣率1.25 GS·s-1，根據(jù)Nyquist 采樣定理，可采集最高500 MHz 頻率的信號，和天線采樣帶寬相匹配，采樣時長設(shè)置810 ms，其中觸發(fā)前采樣時長10 ms，觸發(fā)后采樣時長800 ms。

圖1 炸藥爆炸電磁輻射信號測量裝置Fig.1 Electromagnetic radiation signal measuring device of explosion

炸藥爆炸產(chǎn)生的電磁輻射實(shí)驗(yàn)受到炸藥當(dāng)量、引爆方式、化學(xué)成分以及地形和傳播距離等影響，不同實(shí)驗(yàn)條件下產(chǎn)生的電磁脈沖頻譜不同，電磁波的幅度變化范圍也很大，實(shí)驗(yàn)成本和難度較高，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性差［10-12］。由于炸藥爆炸時產(chǎn)生的電磁輻射呈現(xiàn)出以爆心為原點(diǎn)向四周發(fā)散的特點(diǎn)，測試獲得的爆炸場單點(diǎn)電磁輻射參數(shù)并不具有代表性，有必要研究爆炸場環(huán)境下電磁輻射多點(diǎn)同步測試方法。測試點(diǎn)分布如圖2a所示，根據(jù)被測工況的質(zhì)量，參考相關(guān)實(shí)驗(yàn)所測得的炸藥威力大小，考慮對天線等測量裝置的保護(hù)［13］，將距離爆心最近的測試點(diǎn)1 設(shè)置于15 m 位置，其余測試點(diǎn)分成兩條測試線，測試線1由測試點(diǎn)2、3、4、8組成，分布在爆心與掩體的連接線上，分別距離爆心20，35，50，100 m，測試線2由測試點(diǎn)5、6、7 組成，分別距離爆心20，35，50 m，測試線1 和測試線2之間夾角為45°。

圖2 測量天線布局及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖Fig.2 Measurement antenna layout and experiment arrangement

炸藥爆炸電磁測試實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖2b 所示，實(shí)驗(yàn)場地平坦開闊，測量設(shè)備按照圖2a 所示測點(diǎn)分布圖進(jìn)行安置，天線固定牢固，天線、信號調(diào)理器、同軸電纜之間連接處用錫箔紙進(jìn)行屏蔽保護(hù)，強(qiáng)、弱電線纜進(jìn)行隔離防止弱電線纜受到干擾，本實(shí)驗(yàn)對60 kg TNT 爆炸產(chǎn)生的電磁輻射進(jìn)行測量。

3 結(jié)果與討論

3.1 電磁輻射全時域及峰值信號

在實(shí)驗(yàn)開始前，首先測試實(shí)驗(yàn)場地電磁背景噪聲，測得環(huán)境背景中的電磁信號最大電壓62.5 mV，平均電壓12.531 mV，電磁信號波形平穩(wěn)無波動，可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)場地電磁噪聲對本次實(shí)驗(yàn)干擾極弱，可以進(jìn)行爆炸電磁輻射實(shí)驗(yàn)，測得的電磁輻射信號如圖3 所示。

3.2 電磁輻射信號時域分析

從圖3 可以看出，60 kg TNT 爆炸產(chǎn)生的電磁輻射主 要 集 中 在 起 爆 后0～40 ms、70～170 ms、220～230 ms 等時間段，能量最集中時段為80～110 ms，在500 ms 之后則無明顯電磁信號產(chǎn)生，各個測試點(diǎn)所采集到的電磁信號持續(xù)時間大體一致，時間分布有一定規(guī)律性，在所有測試點(diǎn)中，1、2、3、5 點(diǎn)所測得的電磁信號最為密集，測試點(diǎn)8（掩體位置）的電磁信號持續(xù)時間最短，說明距離爆心的遠(yuǎn)近對電磁信號采集有影響，距離爆心越遠(yuǎn)，采集到的電磁信號持續(xù)時間越短，對于距爆心相同距離的測試點(diǎn)，不同的測試方向所測得的電磁信號持續(xù)時間也有所不同。

在采樣周期內(nèi)電磁信號延遲時間、峰值到達(dá)時間、持續(xù)時間是電磁信號時域分析的關(guān)鍵參數(shù)，通過Sbench 數(shù)據(jù)處理程序可以非常精確地得到采樣周期內(nèi)的電磁信號峰值坐標(biāo)，為了便于全面分析電磁信號時域特性，將電磁信號關(guān)鍵參數(shù)列于表1。

從表1 可知，所有測試點(diǎn)在起爆后的首次電磁信號均出現(xiàn)在46～60 μs 附近，同等距離下，測試線2 方向上的電磁信號比測試線1 方向的電磁信號滯后5～10 μs。對比之前的研究，文獻(xiàn)［1］的實(shí)驗(yàn)中炸藥爆炸產(chǎn)生的電磁輻射最大值出現(xiàn)在爆炸后50 μs 左右；文獻(xiàn)［9］實(shí)驗(yàn)表明三個電磁脈沖信號和觸發(fā)點(diǎn)的時間差分別為0.019，4.424 ms 和20.514 ms；文獻(xiàn)［14］的實(shí)驗(yàn)表明距離爆心2 m 處的測試點(diǎn)測得的電磁輻射信號出現(xiàn)時刻在爆炸后62～78 μs。由此可以看出，盡管理論上電磁輻射信號與觸發(fā)信號采樣時間應(yīng)該一致，但實(shí)際上各個實(shí)驗(yàn)所測的電磁信號延遲響應(yīng)時間各不相同，說明炸藥爆炸產(chǎn)生電磁輻射是一個復(fù)雜的過程，電磁信號的延遲響應(yīng)時間受到炸藥種類、質(zhì)量、地形、測試系統(tǒng)等諸多因素影響。

圖3 60kg TNT 爆炸產(chǎn)生的電磁輻射信號及峰值信號放大圖Fig.3 Overall and enlarged peak signals of electromagnetic radiation generated by 60 kg TNT explosion

表1 60 kg TNT 爆炸產(chǎn)生電磁輻射信號主要時間參數(shù)Table 1 Main time parameters of electromagnetic radiation signals generated by 60 kg TNT explosion

圖4 電磁信號頻譜處理圖Fig.4 Spectrum processing diagram of electromagnetic signal

各個測試點(diǎn)所測得電磁信號持續(xù)時間在25～105 ms，隨著距離爆心越遠(yuǎn)，持續(xù)時間越短；大部分測試點(diǎn)所測的電磁信號峰值出現(xiàn)時間在爆炸后0.3～0.4 ms，但測試點(diǎn)3 和測試點(diǎn)6 測得電磁信號峰值出現(xiàn)時間在80.936 ms 和29.855 ms，說明起爆后的相當(dāng)一段時間內(nèi)，爆炸場仍有可能產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射信號，這一點(diǎn)與其它爆炸參量（沖擊波、地震波、熱流密度等）幅值隨時間推移遞減的規(guī)律明顯不同［15-16］。另外，此前國內(nèi)學(xué)者對爆炸電磁輻射的研究主要集中于起爆后50 ms 內(nèi)，被測炸藥均在10 kg以下，本研究測量了10 kg以上炸藥爆炸產(chǎn)生的電磁輻射，并把采樣時長擴(kuò)展到800 ms，發(fā)現(xiàn)了炸藥在起爆后數(shù)百毫秒時間依然可以采集到電磁信號，爆炸產(chǎn)生的電磁輻射具有持續(xù)性和間斷性。

3.3 電磁輻射信號頻域分析

炸藥爆炸過程中電磁輻射的頻譜分布是電磁信號分析中的重要參數(shù)，最常用的頻譜分析方法為快速傅里葉變換，通過對電磁輻射信號進(jìn)行快速傅里葉變換，可以得到該電磁信號的頻譜分布，但是單純的快速傅里葉變換會使幅度比較小的頻點(diǎn)被覆蓋。由于炸藥爆炸產(chǎn)生的電磁輻射信號屬于隨機(jī)、未知被測信號，Haning 窗的泄露、波動都較小，選擇性也較高，選用Hanning 窗傅里葉變換對電磁信號進(jìn)行處理。本次實(shí)驗(yàn)中，在爆炸之前采集了電磁環(huán)境背景噪聲，由于實(shí)驗(yàn)場地進(jìn)行了無線電屏蔽措施，與實(shí)驗(yàn)室相比，采集到的電磁環(huán)境背景噪聲較低，對背景噪聲信號進(jìn)行db7 小波基5 層分解，將背景噪聲信號中淹沒的電磁信號提取出來［17］。電磁輻射信號頻譜分析過程如圖4 所示，通過對原始時域信號進(jìn)行Hanning 窗傅里葉變換得到圖4a 的原始頻譜分布圖，采用同樣方法得到圖4b 的背景噪聲FFT 頻譜圖，從原始頻譜中濾除背景噪聲頻譜即可得到圖4c 的降噪頻譜圖，最后將提取處的背景噪聲中的淹沒信號補(bǔ)償給降噪頻譜圖，得到圖4d 所示處理后的電磁頻譜圖。

通過對各個通道采集得到的電磁輻射信號進(jìn)行處理，得到如圖5 所示的60 kg TNT 爆炸電磁輻射頻率分布圖。由圖5 可知，60 kg TNT 爆炸產(chǎn)生的電磁輻射信號頻率主要集中在100 MHz 以下，不同測試點(diǎn)的頻譜分布差距較大，各測試點(diǎn)電磁信號頻譜參數(shù)如表2所示。

由此可見，距離爆心較近的測試點(diǎn)頻譜分布范圍較大，在0～100 MHz 頻段內(nèi)均有分布，距離爆心較遠(yuǎn)的測試點(diǎn)頻譜分布范圍較小，頻段主要集中在50 MHz 以內(nèi)，距離爆心最遠(yuǎn)的測試點(diǎn)8 頻譜分布范圍最小，能量最弱，說明距離遠(yuǎn)近對電磁信號的頻譜分布有明顯影響，在同等距離下，不同方向的電磁頻率分布有一定差別，說明電磁輻射是呈不均勻分散傳播的。文獻(xiàn)［8］指出炸藥爆炸時在自然磁場取不同方向時會產(chǎn)生不同的磁場擾動強(qiáng)度，本實(shí)驗(yàn)表明炸藥爆炸后電磁輻射在不同方向的頻譜分布是不均勻的，這一結(jié)果與文獻(xiàn)［8］的數(shù)值模擬一致。

圖5 60 kg TNT 爆炸電磁輻射頻譜分布Fig.5 Spectrum distribution of electromagnetic radiation generated by 60 kg TNT explosion

表2 各測試點(diǎn)電磁信號頻譜參數(shù)Table 2 Spectrum parameters of electromagnetic signals at all test points

3.4 電磁輻射強(qiáng)度分析

電磁射頻輻射危害主要包括防護(hù)位置、頻譜特性、功率強(qiáng)度、信號時域特征、防護(hù)要求等內(nèi)容，瞬態(tài)電磁危害環(huán)境分析主要包括防護(hù)位置、頻段、強(qiáng)度等內(nèi)容，其中電磁強(qiáng)度是電磁危害防護(hù)最重要的參考量值［18-19］。本試驗(yàn)使用的炸藥質(zhì)量較大，爆炸能量較強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備被放置于掩體中保護(hù)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備與前端傳感器（天線）之間距離較遠(yuǎn)，實(shí)驗(yàn)中采用SYV50-5-1 型同軸電纜進(jìn)線信號傳輸，同軸線纜總長為100 m，隨著信號頻率的增加，該型號同軸線纜的衰減率會逐漸增大，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中需進(jìn)行衰減補(bǔ)償和增益修正，同時考慮天線系數(shù)、天線增益、信號調(diào)理器增益和轉(zhuǎn)接頭損耗等因素，本實(shí)驗(yàn)裝置修正參數(shù)如表3 所示。

電磁測量系統(tǒng)前端電磁傳感器（天線）的輸出量是電壓值，利用天線系數(shù)、等效功率值可以將電壓值轉(zhuǎn)換為電場強(qiáng)度E（V·m-1），測量天線的輸出電壓為U（V），經(jīng)過校準(zhǔn)計(jì)量的天線增益為G（dB），天線系數(shù)為AF（dB·m-1），則有［20-21］：

式中，E 表示空間場強(qiáng)度，dBuV·m-1。

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示，由表4 可知，對于60 kg TNT爆炸產(chǎn)生的電磁輻射強(qiáng)度，除了掩體處測試點(diǎn)8測得的電磁輻射強(qiáng)度極小（4.43 V·m-1）外，測試點(diǎn)1～7測得的電磁輻射強(qiáng)度在64.33～348.25 V·m-1，信號功率范圍在12.727～43.865 dBm，距離爆心最近（15 m）的測試點(diǎn)1 測得的電磁輻射強(qiáng)度最大，為348.25 V·m-1，測試線1 上測試點(diǎn)2～4 測得的電磁輻射強(qiáng)度從168.89 V·m-1至75.74 V·m-1依次遞減，測試線2上測試點(diǎn)5～7 測得的電磁輻射強(qiáng)度從151.99 V·m-1至64.33 V·m-1依次遞減。相比爆炸近場范圍的電磁輻射強(qiáng)度，距離100 m 處的測試點(diǎn)測得的電磁輻射強(qiáng)度極為微弱。對于相同距離、不同方向的測試點(diǎn)，其測得的電磁輻射強(qiáng)度也有一定差距，測試線2 上測試點(diǎn)測得的輻射強(qiáng)度普遍比測試線1 測得的強(qiáng)度低，相差范圍在11.1%～17.7%，相差不大但也進(jìn)一步驗(yàn)證了爆炸場電磁輻射傳播的不均勻性質(zhì)。60 kg TNT 爆炸產(chǎn)生的電磁輻射強(qiáng)度峰值達(dá)到348.25 V·m-1，這一強(qiáng)度數(shù)值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了GJB 8678-2015 陸軍用彈藥裝卸、裝填和發(fā)射電磁輻射環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)由此可見此類炸藥爆炸產(chǎn)生的電磁輻射會對武器系統(tǒng)有不利影響。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正參數(shù)Table 3 Experiment data correction parameters

表4 60kg TNT 爆炸電磁輻射強(qiáng)度Table 4 Electromagnetic radiation intensity generated by 60kg TNT explosion

4 結(jié)論

針對大當(dāng)量炸藥爆炸過程產(chǎn)生的電磁輻射現(xiàn)象，進(jìn)行了60 kg TNT 爆炸電磁輻射測量實(shí)驗(yàn)，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

（1）60 kg TNT 爆炸產(chǎn)生的電磁輻射可持續(xù)至爆炸后600 ms，電磁脈沖主要集中在0～300 ms，能量最集中時段為80～110 ms，由于此前相關(guān)文獻(xiàn)對該類實(shí)驗(yàn)的研究都局限于爆炸后數(shù)毫秒內(nèi)，從未對50 ms 后的電磁輻射進(jìn)行測量，所以這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)當(dāng)引起重視。

（2）60 kg TNT 爆炸過程中，各個測試點(diǎn)在觸發(fā)時刻后的電磁信號到達(dá)時間集中在46～62 μs，根據(jù)最近幾年的相關(guān)研究，不同質(zhì)量炸藥爆炸過程中首次電磁輻射信號出現(xiàn)時間不同，但都集中在100 μs 以內(nèi)。

（3）60 kg TNT 爆炸產(chǎn)生的電磁輻射信號頻率主要集中在100 MHz 以下，距離爆炸越近的測試點(diǎn)測得的電磁信號頻譜分布更寬，能量更強(qiáng)，電磁輻射信號在不同方向的頻譜分布存在差異。

（4）60 kg TNT 爆炸產(chǎn)生的電磁輻射強(qiáng)度最大值為348.25 V·m-1，電磁輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)出與爆心距離較強(qiáng)的相關(guān)性，隨著距離增大而遞減，且遞減幅度較大；對于相同距離、不同方向的測試點(diǎn)，其測得的電磁輻射強(qiáng)度也有一定差距，相差范圍在11.1%～17.7%。