崔元博，孔德仁，张学辉，王良全
（南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094）摘
要：为了提高爆炸场电子设备抗电磁干扰能力，对爆炸产生的电磁辐射特性进行研究，设计一套基于超宽带无源全向天 线和短波无源全向天线的电磁辐射测量装置，设置8个测试点进行60kg TNT 爆炸产生的电磁辐射测量实验和数据分析。结果表明，爆炸产生的电磁辐射可持续至爆炸后600ms ，爆炸产生的电磁辐射信号最强烈的时段为爆炸后80~110ms ，爆炸产生的电磁辐射信号频率主要集中在100MHz 以下，其中50MHz 以下的低频段能量分布最为明显，爆心距离对电磁信号的频谱分布有明显影响，不同方向的电磁辐射频率分布不一致。爆炸产生的电磁辐射强度范围主要在64.33~348.25V·m -1，电磁辐射强度随爆心距离增大而递减，且递减幅度较大，不同方向的测试点测得的电磁辐射强度也有一定差距，相差范围在11.1%~17.7%。关键词：TNT ；电磁辐射；天线测量；信号分析中图分类号：TJ55；O389；O441.5；O536
文献标志码：A
新感觉f5
DOI ：10.11943/CJEM2020181
1引言
在爆炸时会产生较强的电磁辐射，不同强度
或频率的电磁辐射会对一定范围内的电子设备（如无人机、引信装置、通信设备等）产生电磁干扰，严重时造成设备无法启动甚至损坏，引发事故。为了提升电子设备抗电磁干扰性能，有必要对爆炸时产生的电磁辐射进行测量研究。
国外对电磁辐射的研究较早，1954年
Kolsky ［1］首先发现了爆炸可以产生电脉冲这一现象，
随后国外学者相继对该现象进行了实验研究。
Boronin ［2-3］对凝聚爆炸产生电磁场的物理机制进行
研究，提出通过爆炸产生无线电辐射的机制与激波前沿的电离空气层中某些电子基因的加速或减速过程有关，这一观点后被称作“Boronin 效应”。Boronin 等人的
工作首次详细阐述了爆炸产生电磁辐射的机理，并给以后相关研究指引了方向。A.L.Kuhl 等［4］对TNT 产生电磁波的机理进行了阐述，认为电离原子、离子和电子的运动是产生爆炸电磁波现象的原因，爆轰产物的膨胀在周围空气中引起强烈的震动，形成了持续时间约20μs 的强烈热波（约11000K ），这样的温度使空气产生明显的电离作用，离子斑块的运动产生电流，这些电流产生电场和磁场。另外，Kuhl ［5］对TNT 爆炸的数值模拟来研究这些运动的影响，采用高阶Godunov 公式对一维气体动力学守恒定律进行积分，通过一个非常精细的网格化（10μm ）来获得收敛的温度和电导率剖面，用于预测TNT 爆炸产生的三维电磁波。
国内对含能材料电磁辐射的研究起步较晚，1997年陈生玉［6］对20~120g 带壳装药爆炸电磁辐射进行了研究，发现电磁脉冲的最大幅值随药量的增大而增大。此后十年间国内没有相关研究报道，2014年王长利等［7］对36~128g B 和梯黑铝两种典型爆炸过程的电磁辐射进行了研究，测得这两种爆炸产生的电场强度范围为0.39~1.75V·m -1，单一测试点的辐射强度与当量的1/3次方呈线性关系，信号持续时间约0.5μs ，电磁辐射信号频段主要集中在100MHz 以下，不同种类的爆炸产生的频谱特征明显不同，但由于实验样本较少，未能给出电磁辐射与
文章编号：1006‑9941（2021）03‑0241‑10
引用本文：崔元博，孔德仁，张学辉，等.TNT 爆炸电磁辐射信号测量及分析[J].含能材料,2021,29(3):241-250.
CUI Yuan‑bo,KONG De‑ren,ZHANG Xue‑hui,et al.Measurement and Analysis of Electromagnetic Radiation Signals of TNT Explosives[J].Chinese Journal of Energetic Materials （Hanneng Cailiao ）,2021,29(3):241-250.
收稿日期：2020‑07‑10；修回日期：2020‑11‑06网络出版日期：2021‑01‑26
基金项目：国防科工局技术基础科研项目（995-14021006010401）；国家自然科学基金（11372143）
作者简介：崔元博（1991-），男，博士研究生，主要从事爆炸电磁辐射测量及信号分析研究。e‑mail ：*****************
通信联系人：孔德仁（1964-），男，教授，主要从事测试计量及仪器研究。e‑mail ：*********************
测点距离和当量的明确关系公式。栗建桥等［8］针对爆炸对自然磁场扰动进行理论机理和数值模拟研究，发现了起爆参数对磁场扰动有很大影响，指出几何不对称的时候，在自然磁场取不同方向时将会产生不同的磁场扰动强度，不同种类工况模拟得到的磁场扰动幅值不同，这一研究成果在相关领域尚且无人关注，具有较高的创新价值。任会兰等［9］对4.5，6.0，7.5kg 的B 爆炸
过程中产生的电磁辐射进行测量，捕捉到了三个脉冲信号，发现第一个脉冲信号是爆轰产生的高温高压等离子体直接产生的电磁脉冲，其到达时间对药量不敏感；第二个脉冲信号是空气冲击波阵面处形成的等离子体产生的电磁脉冲，其出现时间与当量呈指数关系，药量越大出现时间越晚；第三个脉冲信号是冲击波撞击测量线圈引起的无效信号，电磁信号频谱主要分布在0~50kHz 。
从国内外研究现状来看，对于爆炸产生电磁辐射的研究，大多集中在10kg 以下，缺少大当量电磁辐射相关研究，实验测试点较少，测试点分布较集中，对爆炸场的电磁分布特征缺乏分析。为此，本研究采用双天线协同测量及高速采集卡记录数据方式，对60kg TNT 爆炸产生的电磁辐射进行测量，利用信号降噪、傅里叶变换、补偿衰减等方法对电磁信号进行分析，得到了较为全面、完整、精确的爆炸电磁辐射特性，以期为爆炸场电子设备抗电磁干扰设计提供参考数据。
2实验方法
采用短波天线和超宽带天线协同测量方法，覆盖单连波
频段最高至500MHz ，使用高速采集卡记录数据，信号时域数据精确至10-9s ，记录时长达810ms 。电磁辐射测量装置如图1所示，前端测试点由短波无源全向天线、超宽带无源全向天线、信号调理器组成，短波无源全向天线采样带宽为1.5~30MHz ，垂直极化方式，驻波比≤2.5，天线增益≥-35dBi （大于5MHz ），最大承受功率50W ，输出阻抗50Ω，高度2000mm ；超宽带全向天线为双锥加载结碳素笔
构，垂直极化方式，采样带宽为30~512MHz ，天线增益在30~100MHz 频段≥-15dBi ，在0.1~3GHz 频段≥0dBi ，输出阻抗50Ω，高度450mm ；信号调理器为自主设计，具备合路器、信号放大器、限幅器三种功能，可以将两种不同采样频段天线输出的信号进行合路，同时将信号放大，放大系数为10dB ，限幅器功能是防止过高的信号功率对采集卡造成损坏，限制功率大于10W 。前端测试点通过同轴线缆（SYV50‑5‑1）与数据采集设备连接，采用SPECTRUM 公司的M4x.2212型号高速采集卡记录数据，设置最高采样率1.25GS·s -1，根据Nyquist 采样定理，可采集最高500MHz 频率的信号，和天线采样带宽相匹配，采样时长设置810ms ，其中触发前采样时长10ms ，触发后采样时长800ms 。
爆炸产生的电磁辐射实验受到当量、引爆方式、化学成分以及地形和传播距离等影响，不同实验条件下产生的电磁脉冲频谱不同，电磁波的幅度变化范围也很大，实验成本和难度较高，实验重复性差［10-12］。由于爆炸时产生的电磁辐射呈现出以爆心为原点向四周发散的特点，
测试获得的爆炸场单点电磁辐射参数并
图1爆炸电磁辐射信号测量装置
Fig.1
Electromagnetic radiation signal measuring device of explosion
不具有代表性，有必要研究爆炸场环境下电磁辐射多点同步测试方法。测试点分布如图2a 所示，根据被测工况的质量，参考相关实验所测得的威力大小，考虑对天线等测量装置的保护［13］，将距
离爆心最近的测试点1设置于15m 位置，其余测试点分成两条测试线，测试线1由测试点2、3、4、8组成，分布在爆心与掩体的连接线上，分别距离爆心20，35，50，100m ，测试线2由测试点5、6、
7组成，分别距离爆心20，35，50m ，测试线1和测试线2之间夹角为45°。
爆炸电磁测试实验现场如图2b 所示，实验场地平坦开阔，测量设备按照图2a 所示测点分布图进行安置，天线固定牢固，天线、信号调理器、同轴电缆之间连接处用锡箔纸进行屏蔽保护，强、弱电线缆进行隔离防止弱电线缆受到干扰，本实验对60kg TNT 爆炸产生的电磁辐射进行测量。
3
结果与讨论
3.1
电磁辐射全时域及峰值信号
在实验开始前，首先测试实验场地电磁背景噪声，
测得环境背景中的电磁信号最大电压62.5mV ，平均电压12.531mV ，电磁信号波形平稳无波动，可
以认为实验场地电磁噪声对本次实验干扰极弱，可以进行爆炸电磁辐射实验，测得的电磁辐射信号如图3所示。3.2
电磁辐射信号时域分析
从图3可以看出，60kg TNT 爆炸产生的电磁辐射主要集中在起爆后0~40ms 、70~170ms 、220~230ms 等时间段，能量最集中时段为80~110ms ，在500ms 之后则无明显电磁信号产生，各个测试点所采集到的电磁信号持续时间大体一致，时间分布有一定规律性，在所有测试点中，1、2、3、5点所测得的电磁信号最为密集，测试点8（掩体位置）的电磁信号持续时间最短，说明距离爆心的远近对电磁信号采集有影
响，距离爆心越远，采集到的电磁信号持续时间越短，对于距爆心相同距离的测试点，不同的测试方向所测得的电磁信号持续时间也有所不同。
在采样周期内电磁信号延迟时间、峰值到达时间、持续时间是电磁信号时域分析的关键参数，通过Sbench 数据处理程序可以非常精确地得到采样周期内的电磁信号峰值坐标，为了便于全面分析电磁信号时域特性，将电磁信号关键参数列于表1。
从表1可知，所有测试点在起爆后的首次电磁信号均出现在46~60μs 附近，同等距离下，测试线2方向
上的电磁信号比测试线1方向的电磁信号滞后5~10μs 。对比之前的研究，文献［1］的实验中爆炸产生的电磁辐射最大值出现在爆炸后50μs 左右；文献［9］实验表明三个电磁脉冲信号和触发点的时间差分别为0.019，4.424ms 和20.514ms ；文献［14］的实验表明距离爆心2m 处的测试点测得的电磁辐射信号出现时刻在爆炸后62~78μs 。由此可以看出，
zmma
尽管理
a.
measurement antenna
cat计算机辅助layout
b.
experiment field
图2测量天线布局及实验现场图
Fig.2Measurement antenna layout and experiment arrange‑
ment
a.overall signals of electromagnetic radiation
羟乙基纤维素
图360kg TNT爆炸产生的电磁辐射信号及峰值信号放大图
Fig.3Overall and enlarged peak signals of electromagnetic radiation generated by60kg TNT explosion
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