激光加载含能材料爆速快速预测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种含能材料冲击波波速提取以及爆轰速度预测方法及系统，属于含能材料爆轰性能检测领域。

背景技术

含能材料作为武器系统中最重要的动力和毁伤能量源，通过自身的氧化还原反应释放大量能量，广泛用于爆破工业、烟火剂、武器装备和火箭推进等领域。爆轰性能和安全性能作为含能材料最重要的两大性能，直接决定了含能材料的毁伤能力和可靠性。

爆轰性能通常由爆速、爆压、爆热、爆容、爆温等“五爆”参数及生成焓等热力学参数来衡量。其中爆速对于含能具有非常重要的意义，因此对含能材料爆速的预测，尤其是新型含能材料的爆速预测对炸药配方优化，安全合理的生产具有重要意义。目前采用的方法多为在国军标的基础上消耗大约百克、千克药量对爆速进行测量，但由于装药密度等问题，该方法有着重复性不好，危险性高等缺点。

最近几年出现了利用纹影法来提取激光诱导冲击波的图像，而后通过纹影的图像来提取冲击波的特征波速，进而精准高效的对含能材料的爆速进行预测的方法，该方法安全可靠，快速准确。但是在纹影法中为了提高时间的分辨率，必须依托于高速相机对纹影进行拍摄。而高速相机价格昂贵，分辨率为20万帧的高速相机售价高达80万。同时其核心技术受制于国外，无法满足国内自主生产。这就使得纹影法的应用受到了极大的限制。

发明内容

本发明为了解决现有含能材料爆速测定较困难、危险性较高，以及利用纹影法来提取激光诱导冲击波的图像中高速相机价格昂贵以及国内无法自主研发高时间分辨的高速相机的问题，本发明主要目的是提供一种激光加载含能材料爆速快速预测方法及系统，利用单点步进探测器对激光加载含能材料所产生的冲击波波速提取以及通过冲击波的特征速度实现对含能材料爆轰速度进行预测。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的激光加载含能材料爆速快速预测方法，包括如下步骤：

步骤一：产生冲击波。

使用纳秒脉冲激光器，将激发能量调节到110mJ以上，通过透镜聚焦到样品表面下方预设位置，激光加载含能材料样品产生冲击波，以避免高能脉冲激光击穿空气带来的不确定性。

作为优选，使用波长为1064nm，脉宽为9ns的纳秒脉冲激光器，将激发能量调节到110mJ，通过焦距f＝150mm的透镜聚焦到含能材料样品表面下方3mm处，激光加载含能材料样品产生冲击波，以避免高能脉冲激光击穿空气带来的不确定性。

步骤二：探测冲击波。

以激光器作为探测光光源。以硅基雪崩光电二极管作为探测器。利用直漆包铜线分别连接至探测器的阳极和阴极焊盘上，随后把焊接好的模块放在PCB板上用紫外固化胶固定，在固定结束后利用漆包铜线对探测器位置进行细微调节，以使探测光束精准打在探测器的感光面上，确保获得最佳的初始信号响应。

当探测激光通过冲击波区域时，冲击波密度分布并不均匀。探测光线通过冲击波扰动区域时，由于冲击波前沿密度较高，折射定律n

同时由于在等离子的产生初期存在高亮度等离子羽流的韧致辐射发光，该辐射发光为宽光谱特征，其发光范围为400-1100nm。且该光处于探测器的相应范围内，会明显对探测信号造成影响，以至于探测器上往往会观测到较强的噪声信号。为了减少所述等离子体辐射光的影响。选用中心波长为635±20nm的带通滤波片，其高透范围正好覆盖实验中所使用的632.8nm的探测光，将其平行放置于探测器前方2.5cm～3cm处，去除等离子羽流的韧致辐射发光以及激发光散射所造成的影响，显著提升信号的信噪比。

作为优选，作为探测光光源的He-Ne激光器，输出功率为1mW、波长为632.8nm。

作为探测器的硅基雪崩光电二极管，以感光面为200μm，截止频率为2GHz，探测波长为400-1100nm，增益为100。

利用直径0.4mm的漆包铜线分别连接至探测器的阳极和阴极焊盘上。

将带通滤波片平行放置于探测器前方2.5cm～3cm处。

步骤三：电流电压转换。

模拟模块包括APD电源模块、APD电流电压转换模块。探测器引出的铜线一端接至电源模块，另一端接至电流电压转换模块。APD电源模块的主芯片输出电压由反馈引脚FB上的电压决定，计算公式为：

由于APD是具有内部增益的高速半导体光电探测器，只能将光子转化为电子，并产生一个放大的光电流信号。因此在电源模块后方添加电流电压转换模块并使其通过滤波电路，在将APD的倍增光生电流信号转换为电压信号的同时进行滤波。电信号从APD的P2引脚(阳极)输出，进入运算放大器的反向输入端，形成一个负反馈放大电路，并将电压输出通过电容后，输出到后续数据采集模块采集并记录下来。

作为优选，APD电源模块使用的主芯片为TPS5534(TSSOP封装)。

所述运算放大器选用运算放大器OPA657U。

所述负反馈放大电路，将电压输出通过0.1μF电容后，输出到后续数据采集模块。

步骤四：数据采集。

从探测光束距离样品表面2mm起至完成测量后，同时调整激光聚焦透镜以及样品台的高度，让两者同步降低。每次测量通过预设步进步长，使探测距离变化范围为2～10mm。同时每次降低高度时，需要调节样品台的X轴和Y轴，使得激发激光每次打在新的样品表面上，避免因样品表面多次烧蚀产生全新化学物质所造成的影响。

作为优选，每次测量步进为0.5mm。

步骤五：数据处理。

首先利用SVD滤波对信号进行去噪平滑处理。SVD降噪算法实现：(1)将采集的信号数据用A(k)表示，A(k)表示探测光与样品表面高度为k时所探测到的信号数据；将信号A(k)分解为m×n的矩阵，即A(k)→A

其次截取衰减信号范围。在整个信号范围内寻找最小值的位置，在得到一个衰减信号最小值的位置之后，以X

在将衰减信号相应的部分截取出来之后，分别对每次测量的衰减信号曲线进行拟合。将X

在获得拟合的衰减信号之后，对冲击波到达时刻进行判断。在泵浦激光脉冲到达时定义信号的时间零点。信号衰减为最小的时刻为冲击波到达的时间。因此对拟合结果

在得到时间与距离的数据后，利用公式拟合两者的关系。等离子体演化前期，冲击波前沿的压强远远大于环境气体的压强，即环境气体压强忽略不计。激光诱导冲击波传播前期用Sedov-Taylor原理来描述。冲击波前沿到爆炸中心的距离R和传播时间t之间的关系表示为：

作为优选，以X

步骤六：通过建立的模型实现对含能材料爆轰速度预测。

在得到v-t曲线后，截取冲击波的特征速度，通过PLS方法建立不同含能材料特征速度与宏观爆速的线性回归关系，即实现对含能材料爆轰速度预测。

本发明还公开激光加载含能材料爆速快速预测系统，用于实现所述激光加载含能材料爆速快速预测方法。所述激光加载含能材料爆速快速预测装置，包括纳秒脉冲激光器、反射镜、150mm聚焦透镜、一维位移台、三维自动调节样品台、He-Ne激光器、滤光片、雪崩光电二极管APD、模拟电路模块、数据采集模块。

所述纳秒脉冲激光器，用于诱导含能材料产生激光冲击波。

所述三维位移台，用于调节样品的高度和位置。

所述一维位移台，用于调节样品上方聚焦透镜的高度，保证激光的焦点处于样品内部3mm处。同时在聚焦样品内部之后，其用于和三维位移台同步移动来改变探测光与样品表面之间的距离。

所述He-Ne激光器，用于产生探测激光源。

所述雪崩光电二极管，用于接收探测光的信号。

所述滤光片，放置在雪崩光电二极管前，用于滤除杂散光，提高探测器的接收信号平整度。

所述模拟电路模块，连接在APD上，用于给APD提供偏压和将电流信号转换为电压信号。

所述数据采集模块，连接在模拟电路模块后，用于采集模拟电路的输出电压并记录下来。

有益效果：

1、本发明公开的一种激光加载含能材料爆速快速预测方法及系统，通过将样品台单次步进0.5mm实现了在10μs内采样4个点，相当于完成40万帧高速相机的任务。而20万帧高速相机售价高达80万元，本装置综合花费约8万，相较于纹影法需要使用的高速相机，可以节约90％的成本。

2、本发明公开的一种激光加载含能材料爆速快速预测方法及系统，通过将探测光束与样品台表面的初始间距设定为2mm，使其最低检测的时间点为1.8us，而20万帧高速相机的最短拍摄时间为5us。相较于纹影法需要使用的高速相机，其性能提升约60％。

3、本发明公开的一种激光加载含能材料爆速快速预测方法及系统，利用激光诱导含能材料产生冲击波，可以在单次仅消耗5-10mg的情况下测量激光诱导含能材料的冲击波波速，通过冲击波的速度和已知爆速进行建模，为含能材料的爆速预测提供一种简单易行，安全可靠的新方法。

附图说明

图1是激光诱导含能材料冲击波爆速提取系统的示意图。

图2是采集到的冲击波衰减峰曲线。

图3四种含能材料的冲击波特征速度提取结果图。

1—纳秒脉冲激光、2—反射镜、3—150mm聚焦透镜、4—He-Ne激光器、5—一维位移台、6—三维自动调节样品台、7—滤光片、8—雪崩光电二极管(APD)、9—模拟电路模块、10—数据采集模块。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本实施例公开激光加载含能材料爆速快速预测系统，包括纳秒脉冲激光器1、反射镜2、150mm聚焦透镜3、He-Ne激光器4、一维位移台5、三维自动调节样品台6、滤波片7、雪崩光电二极管8、数据模拟模块9、数据采集模块10。

纳秒脉冲激光1发射的一束纳秒脉冲激光经过反射镜2反射后，平行入射到150mm聚焦透镜3后汇聚到三维自动调节样品台6上。150mm聚焦透镜3固定在一维可调的一维位移台5上。He-Ne激光器4出射一束探测光，探测光经过滤波片7后，照射在雪崩光电二极管8上。滤波片7平行放置于雪崩光电二极管8前方3cm处。雪崩光电二极管8连接至模拟模块9，随后在连接至数采模块10。

所述纳秒脉冲激光器，激光波长为1064nm，脉宽为9ns，单脉冲激光能量10-120mJ@1064nm可调。

所述反射透镜，用于改变脉冲激光的路径，将激光垂直作用在样品上。

所述聚焦透镜，用于将脉冲激光器发出的激光聚焦在样品上，使样品被诱导产生冲击波。

所述探测激光，波长为632.8nm连续激光器，用于产生探测光的激光光源。

所述滤波片，为635nm窄带通滤波片，用于过滤杂散光和提高信号的质量，屏蔽大部分等离子体光。

所述雪崩光电二极管，为硅基APD二极管，通过结合焊接和紫外胶固化的方式将探测器固定于支杆上。

所示模拟模块，为一块集成电路板，主要为APD提供了反向偏压以及将APD的电流信号转换为电压信号。

所述数采装备，为带宽350MHz的四通道示波器，用于记录并存储模拟模块传回的电压值。

所述三维位移台，用于放置样品并实现样品的水平面位移以及调节样品的高度。

所述一维位移台，用于调节样品上方聚焦透镜的高度，保证激光的焦点处于样品内部3mm处。同时在聚焦样品内部之后，其用于和三维位移台同步移动来改变探测光与样品表面之间的距离。

本实施例公开的一种激光加载含能材料爆速快速预测方法，具体实现步骤如下：

第一步：开启He-Ne激光器，使探测光束距离样品表面2mm，通过滤波片后照射到探测器表面。

第二步：使用波长为1064nm，脉宽为9ns的纳秒脉冲激光器，将激发能量调节到110mJ以上，通过焦距f＝150mm的透镜聚焦到样品表面下方3mm处。采集一次衰减信号。

第三步：同步降低一维位移台和三维位移台的高度0.5mm。

第四步：调节三维位移台的X轴和Y轴，以保证每次激光烧蚀均为新样品。

第四步：获得2～10mm范围内的信号后，利用SVD方法对信号进行降噪平滑处理。

第五步：从去噪后的数据截取衰减信号范围，在将衰减信号相应的部分截取出来之后，分别对每次测量的衰减信号曲线进行拟合。随后对冲击波到达时刻进行判断，提取冲击波到达的时间。

第六步：在得到时间与距离的数据后，拟合两者的关系。并通过求导获得时间与速度的关系，同时截取0.8us时的速度作为冲击波特征速度。

第七步：通过PLS方法建立不同含能材料特征速度与宏观爆速的线性回归关系，对宏观爆速进行预测。

自此，实现了对激光诱导含能材料冲击波的提取，以及对爆轰速度的预测。相较于国军标单次消耗大约百克、千克药量对爆速进行测量的方法，该方法仅仅需要毫克药量即可对爆速进行测量。对四种含能材料爆轰参数进行了预测，与同样消耗毫克药量的纹影法相比，该方法所预测的速度误差约在15m/s～85m/s之间。而利用高速相机的纹影法所预测的误差约在80m/s～120m/s之间，相比之下该方法将误差降低了30％到60％。

四种含能材料爆轰参数预测结果与报道的比较表

本实施例，首先使用脉冲激光与含能材料相互作用产生冲击波，随后利用单点的APD探测器通过记录并存储APD的电压变化，得到冲击波经过探测光束时的衰减信号，然后利用算法提取脉冲信号与距离含能材料表面不同高度各衰减峰之间的间隔时间。后通过修正后的点爆炸模型对时间-位置关系进行拟合，获得相应的冲击波特征速度并与宏观爆速建立线性回归关系，实现对含能材料爆速的快速预测。本实施采用的冲击波提取方法仅需消耗微量的含能材料，通过单点探测器实现对含能材料的冲击波速度的提取，得到冲击波特征速度。最后对冲击波速度和已知爆速进行线性拟合，继而对含能材料的爆速进行预估。本实施例仅需5-10mg样品，可以使含能材料的研发周期大大缩减，提高含能材料的研究效率，降低含能材料的研发成本。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。