Journal of Space Science and Experiment >

2025 , Vol. 2 >Issue 5: 83 - 91

DOI: https://doi.org/10.19963/j.cnki.2097-4302.2025.05.007

Research on Dual-Channel Radiation Feature Characterization of Energetic Structural Targets in High-Speed Impact Flash

  • Wenpu DONG ,
  • Liheng LIU ,
  • Anhua SHI ,
  • Zhaoxia MA , * ,
  • Jie HUANG , *
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  • Hypervelocity Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China

Online published: 2026-01-20

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Abstract

Characterization and classification prediction of hypervelocity impact flash radiation are crucial for the assessment and diagnosis of structural material damage. On the hypervelocity impact range of China Aerodynamics Research and Development Center, tests have been conducted to study the radiation characteristics of impacts. The projectiles contained aluminum spheres and aluminum-polycarbonate combination, and various structural targets were naked Hexogen（RDX）, empty box, and packed RDX. Within an impact velocity range of 2.6 km/s to 7.3 km/s, measurements were taken of the time-series signals of radiation intensity across two channels: 800.0 nm and 393.4 nm. By comparing the radiation time-series data, significant differences were observed in the peak radiation signals generated by impacts on different targets, which also showed correlations with impact velocity. Through quantitative extraction of radiation peak features from the signals, the power-law variation relationship between radiation characteristics and impact velocity under different experimental conditions were studied. This analysis revealed distinct differences in radiation signal characteristics corresponding to various targets. Furthermore, by mapping these radiation features onto a two-dimensional plane and performing analysis of two-dimensional feature classification, it was demonstrated that the radiation characteristics of different targets could be effectively classified and predicted.

Key words： impact flash; radiation intensity; feature quantify; classification

Cite this article

Wenpu DONG , Liheng LIU , Anhua SHI , Zhaoxia MA , Jie HUANG . Research on Dual-Channel Radiation Feature Characterization of Energetic Structural Targets in High-Speed Impact Flash[J]. Journal of Space Science and Experiment, 2025 , 2(5) : 83 -91 . DOI: 10.19963/j.cnki.2097-4302.2025.05.007

0 引 言

超高速撞击现象的分析对于在轨航天器、高超速飞行器等超高速运动物体的安全状况评估至关重要。当物体以超过材料声速的速度发生碰撞时，便会发生超高速撞击[1]。在超高速撞击过程中，会发生碰撞物质的熔化、气化，以及等离子体化等过程[2-3]，同时伴随着强烈的电磁以及光辐射现象[4]。这种光辐射呈现出短暂的闪光脉冲辐射特征，整个碰撞闪光辐射持续时间在微秒至毫秒量级，其辐射信号的变化特征与碰撞材料、结构、波段等紧密相关，在超高速撞击评估等方面具有重要价值。
通过超高速撞击地面试验模拟，分析碰撞材料、撞击速度等因素与碰撞辐射特征的关联是主要的研究手段。早在1976年，Eichhorn[5]利用静电微粒加速器将铁、铝和碳等微粒加速到0.5 ~35.0 km/s的碰撞速度范围内，使其碰撞铁、金和钨靶材。通过实验分析，总结出了碰撞闪光辐射强度与微粒质量、速度的经验关系式。1990年，Ang[6]利用冲击物质溅射模型成功解释了该经验关系式。撞击辐射闪光出现在撞击接触后的几微秒内，主要来源于碰撞接触面的物质溅射过程。撞击速度越高，产生的辐射强度越能呈现出一定规律的变化特征。这种碰撞辐射强度的变化规律为流星体撞击发光率以及撞击参数评估提供了重要参考[7]。对于一些碰撞材料和复杂结构靶标，会在辐射强度演化曲线中引入更为复杂的结构[8-9]。这种辐射强度演化曲线结构反映了撞击过程中辐射机制和撞击产物的变化[10-11]，可用于评估判别不同的撞击过程。2008年，Thornhill等[12]用辐射计探测碰撞闪光瞬间辐射强度演化过程，研究了金属钛和聚碳酸酯撞击有机物等靶标的辐射特征，并结合对多脉冲峰辐射过程的分析，推断了靶标碎裂的情况。2024年，Alesbrook等[9]分析了双层膜结构碰撞闪光辐射强度的时序信号，发现通过测量双辐射峰出现的时间间隔，可实现对尺寸介于0.1~1.0 mm且撞击速度在2.0~5.0 km/s的空间碎片或宇宙尘埃的高精度探测。另一方面，采用多个辐射探测通道或者光谱仪等作为光学探测手段，可获得多个波段的辐射信号，利用多波段辐射特征可以反向解析出辐射温度和撞击产物相态等更多与撞击相关的信息，为空间碎片的超高速撞击过程提供更加准确的诊断[13-16]。2022年，Liu等[17]开展了铝球超高速撞击裸装黑索金（Hexogen，RDX）、盒装RDX和空药盒3种靶标的辐射特性试验，通过多通道辐射计测量系统反演了等效辐射温度等信息，分析获得了撞击起爆等关键撞击演化过程的辐射特征。展现了碰撞闪光辐射探测技术在含能材料撞击诊断分析方面的应用潜力。然而，对于复杂结构靶标的撞击情况，能否通过碰撞闪光辐射信号特征推断撞击速度、靶标类型等问题，仍需进一步发展相关方法加以解决。
为研究基于碰撞辐射的超高速撞击评估诊断方法，本文在文献[17]基础上，扩展了试验状态，开展了对含能材料结构靶标超高速撞击辐射特征试验数据的特征量化分析。本文试验状态包含了3种结构靶标，即裸药（RDX炸药）、空药盒和药盒（内装RDX炸药），以及两种发射模型：分别为铝球、铝球与聚碳酸酯组合体。在分析过程中，测量获取800.0 nm（长）、393.4 nm（短）双通道的碰撞辐射强度时序信号并进行分析，进一步建立辐射强度特征量化提取方法，研究撞击状态对辐射特征量的影响规律，并基于辐射量化特征发展撞击评估手段。

1 试验方法

1.1 试验系统

试验在中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所超高速碰撞靶系统上开展。该系统主要包含超高速发射器、碰撞靶室、测控、辐射测量等4个分系统。超高速发射器将发射模型加速到预设速度。碰撞靶室用于形成超高速碰撞所需要的真空环境，在试验过程中，靶标会被放置于靶室内，弹丸将垂直靶面进行撞击。测控系统用于测量模型撞靶前的撞击速度，并给辐射测量系统提供触发信号。
辐射测量系统安装在垂直于弹丸入射方向，用于测量撞击产生的闪光辐射数据，探测视场直径约为780 mm。辐射测量系统以光电倍增管为探测器，光谱响应波长为185.0~850.0 nm，探测器前加装带外深截止滤光片，以获取所需波段辐射强度。本文主要针对中心波长为393.4 nm和800.0 nm的辐射强度开展测量，辐射测量通道带宽分别为9.0 nm和20.0 nm。其中，393.4 nm波长通道主要针对铝的原子强辐射谱线396.1 nm[18]；对于800.0 nm通道，RDX炸药爆温大约在2 500~5 000 K[19]，根据维恩位移定律，在这一温度范围内对应的最大峰值波长大约在579.6~1 159.2 nm，为尽可能地探测捕捉RDX的爆炸辐射信号，选取居中的800.0 nm作为探测通道。

1.2 试验状态

试验发射的弹丸有两种，一种是直径为5.0 mm的2A12铝球，另一种是直径为16.0 mm的聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）圆柱与铝球（直径5.0 mm）的组合体。试验所用的靶材分为3种，分别是RDX药片裸药、空药盒和内含RDX药片的药盒3种。其中，药片直径为60.0 mm，厚度为2.5 mm，贴在孔径为50.0 mm的支撑铝板上（见图1(a)中右上图）；药盒为2A12铝合金壳体，内径61.0 mm、内高6.0 mm、厚度2.5 mm，安装在无孔的铝板上，安装方式如图1(b)所示。试验状态见表1。
图 1 试验靶标结构

Fig.1 Test target structure

表 1 试验状态表

Table 1 Test status table

试验编号发射模型弹丸质量/g靶标撞击速度/(km/s)
NXZY-1铝球0.1819裸药2.73
NXZY-2铝球0.1819裸药2.90
NXZY-3铝球0.1824裸药6.19
NXZY-4铝球0.1824裸药6.21
NXZY-5铝球0.1825药盒6.02
NXZY-6铝球0.1820药盒2.68
NXZY-7铝球0.1826空药盒2.71
NXZY-8铝球0.1823空药盒5.25
NXZY-9铝球0.1822空药盒6.13
NXZY-10铝球+PC2.5382药盒7.03
NXZY-11铝球0.1820药盒5.01
NXZY-12铝球+PC2.5453药盒5.06
NXZY-13铝球0.1823裸药5.27
NXZY-14铝球+PC2.5407裸药5.14
NXZY-15铝球+PC2.5383空药盒5.21
NXZY-16铝球+PC2.5324药盒2.75
NXZY-17铝球+PC2.5499空药盒2.96
NXZY-18铝球0.1823药盒7.27
NXZY-19铝球0.1821裸药7.18
NXZY-20铝球0.1824空药盒7.22
NXZY-21铝球+PC2.5507空药盒7.02

2 数据处理方法

2.1 辐射测量数据处理

在试验过程中，辐射计通过光纤探头接收碰撞辐射能量，其光谱辐照度$ {E}_{n} $与探测器输出电压$ {V}_{n} $根据辐射测量系统标定关系给出：
$ {E}_{n}=a+b{V}_{n}+cV_{n}^{2} $
式中，a、b和c为标定系数。则中心波长$ {\lambda }_{n} $处的辐射强度$ {I}_{n} $与$ {E}_{n} $之间的换算关系为：
$ {I}_{n}={E}_{n}\cdot {D}^{2} $
式中，D为靶标到光纤探头的距离。经过处理后，可得到辐射强度随时间的演化曲线。图2给出了典型的辐射强度演化曲线，展示了铝球撞击裸药（NXZY-4）、药盒（NXZY-5）和空药盒（NXZY-9）的辐射强度演化情况。
图 2 不同试验状态测量获得的辐射强度演化曲线

Fig.2 Evolution curves of radiation intensity measured in different test states

2.2 碰撞辐射强度时序信号特征量化提取

通过试验探测，能够获得不同发射模型与不同类型靶标的碰撞辐射强度时序信号数据。为分析碰撞结构、撞击速度等参数与辐射特征的关联关系，首先对碰撞辐射强度信号进行特征提取。碰撞辐射强度时域数据呈现出多峰叠加的演化特征，本文主要采用对数高斯函数，对时域中出现的辐射峰值进行提取和量化。
试验测量的信号存在一定的噪声干扰，因此在特征提取前，采用低通滤波方法对噪声进行过滤，然后对信号的辐射峰进行量化提取。针对碰撞辐射信号，由于存在撞击气化、碎片云膨胀和RDX撞击反应等多个过程相互叠加，使得辐射时序信号呈现出多峰结构特征（如图2所示）。为准确分析辐射峰特征信息，需要对时序信号数据进行分割，然后逐段拟合信号数据。通过观察可以发现，峰与峰之间会产生局域极小值点，利用该极小值作为分割点，将时序信号中的峰值进行分段，如图3所示，红色圈点为滤波后通过数值方法寻找的极小值点。
图 3 时序信号数据分割示意图

Fig.3 Schematic diagram of time sequence signal data segmentation

时序数据被分割后的每一段呈现出辐射峰结构，这种辐射峰结构存在非对称分布特征。在形式上，可使用对数高斯函数对这类峰值结构特征进行描述，对数高斯分布函数为：
$ G=\frac{{a}_{1}}{{a}_{3}{x}}\exp \left[−\frac{1}{2a_{3}^{2}}{\ln }^{2}\left(\frac{x}{{a}_{2}}\right)\right] $
式中，$ {a}_{1} $，${a}_{2} $，${a}_{3} $为拟合系数。不同的拟合系数组合，可以实现对非对称以及对称结构的拟合分析，如图4所示，当$ {a}_{1}=1 $时，对数正态分布曲线随$ {a}_{2} $和$ {a}_{3} $变化，呈现出不同的对称分布特征。
图 4 对数高斯分布曲线

Fig.4 Logarithmic Gaussian distribution curve

对于辐射强度时序信号数据，由于辐射峰结构会与背景信号或者其他辐射峰发生重叠，不能单纯地使用一个函数进行拟合。本文在对数高斯函数的基础上增加一个线性分布函数，来线性近似叠加辐射信号的变化。实际应用中的拟合函数为：
$ y=G\left({a}_{1},{a}_{2},{a}_{3},x\right)+{a}_{4}x+{a}_{5} $
在算法中采用Levenberg-Marquardt算法进行迭代计算。通过拟合，可以得到相应的拟合参数，并从中提取辐射峰值位置$ {P}_{x} $、半高宽L、峰高H等量化特征，相应的量化特征与对数高斯函数参数之间的关系为：
$ \begin{cases} H =\dfrac{{a}_{1}}{{P}_{x}{a}_{3}}\exp \left(−\dfrac{a_{3}^{2}}{2}\right)\\ L ={a}_{2}{\text{e}}^{−{a_{3}^{2}}}\left({\text{e}}^{{{a}_{3}}\sqrt{2\ln 2}}−{\text{e}}^{−{{a}_{3}}\sqrt{2\ln 2}}\right)\\ {P}_{x} =\exp \left[\ln \left({a}_{2}\right)−a_{3}^{2}\right]\\ \end{cases} $

3 结果分析和讨论

3.1 碰撞辐射特征量与撞击速度的关联关系

在超高速撞击过程中，撞击动能会向热能转换，并产生强烈的闪光脉冲辐射现象。这种现象与撞击速度存在关联关系[6]。为了分析这种辐射特征与撞击速度的关联规律，本文提取了不同试验状态下第一辐射尖峰的特征量，即峰高H和半高宽L，具体数值见表2。
表 2 试验状态对应提取的辐射特征量

Table 2 Extracted radiation characteristic value corresponding to test state

试验编号 发射模型 靶标 撞击速度/
km/s		 第一辐射尖峰(393.4 nm) 第一辐射尖峰(800.0 nm) 最大峰值特征
(800.0 nm)
峰高H1/
(mW·sr−1·nm)		 半高宽L/
μs		 峰高H2/
(mW/sr/nm)		 半高宽L/
μs		 峰高Hmax/
(mW/sr/nm)		 相对半高宽LH/
μs		 峰值时刻T/
μs
NXZY-1 铝球 裸药 2.73 2.75×102 2.28 1.49×102 2.12 1.35×103 300.70 1.52×103
NXZY-2 铝球 裸药 2.90 3.37×102 4.78 1.26×102 2.67 1.68×103 340.90 1.46×103
NXZY-3 铝球 裸药 6.19 1.14×103 3.83 4.04×102 2.24 1.82×103 318.47 1.49×103
NXZY-4 铝球 裸药 6.21 7.48×102 3.70 1.59×102 1.01 2.00×103 328.77 1.47×103
NXZY-5 铝球 药盒 6.02 2.45×103 6.77 1.05×102 2.03 4.65×103 137.64 9.26×101
NXZY-6 铝球 药盒 2.68 2.29×102 7.89 — — 2.59×102 209.09 9.60×101
NXZY-7 铝球 空药盒 2.71 2.10×102 9.46 — — 6.90 383.33 2.46×101
NXZY-8 铝球 空药盒 5.25 1.41×102 11.76 — — 3.15×101 177.45 5.00×101
NXZY-9 铝球 空药盒 6.13 2.15×103 10.82 0.92×102 1.31 1.44×102 183.29 6.76×101
NXZY-10 铝球+PC 药盒 7.03 3.87×104 0.75 4.60×103 0.71 6.99×103 134.87 6.41×101
NXZY-11 铝球 药盒 5.01 2.29×102 0.12 — — 3.61×103 132.87 8.99×101
NXZY-12 铝球+PC 药盒 5.06 5.56×103 0.60 4.41×102 0.73 6.42×103 141.03 6.71×101
NXZY-13 铝球 裸药 5.27 4.70×102 2.87 0.97×102 1.08 1.34×103 509.08 1.43×103
NXZY-14 铝球+PC 裸药 5.14 2.59×102 3.33 1.78×102 2.09 3.20×103 439.54 1.24×103
NXZY-15 铝球+PC 空药盒 5.21 1.02×103 0.39 2.40×102 0.54 3.12×103 147.67 4.27×101
NXZY-16 铝球+PC 药盒 2.75 4.80×102 0.64 0.73×102 0.42 3.56×103 129.56 8.38×101
NXZY-17 铝球+PC 空药盒 2.96 4.28×102 1.02 0.40×102 0.60 4.58×102 56.37 2.89×101
NXZY-18 铝球 药盒 7.27 2.68×102 0.30 — — 3.36×103 130.69 1.52×102
NXZY-19 铝球 裸药 7.18 1.70×103 4.73 — — 1.38×103 395.78 1.44×103
NXZY-20 铝球 空药盒 7.22 1.19×103 0.92 — — 1.47×103 63.81 2.06×101
NXZY-21 铝球+PC 空药盒 7.02 1.41×104 0.93 1.77×103 0.92 6.76×103 130.93 3.92×101
图5给出了试验NXZY-1、NXZY-3和NXZY-4的800.0 nm辐射强度时间演化曲线。图5中时间段为撞击接触后的8 μs内的辐射强度曲线变化情况。
图 5 在不同撞击速度下第一辐射峰辐射变化情况（800.0 nm）

Fig.5 Radiation variation of the first radiation peak under different impact velocities (800.0 nm)

图5中，第一辐射尖峰出现在这个时间段内。其中，时间轴以辐射探测值大于10 mW·sr−1·nm−1时作为起始零点。不同试验状态可能会存在几微秒的对齐差异，但并不影响本文的分析结果。
图5中虚线为辐射强度数据，采用式（4）对应的拟合结果用实线表示。在文献[5]中，通过实验分析总结得出，碰撞闪光辐射最大强度与撞击速度存在幂指数关系：$ H∝{V}^{\beta } $。然而，从图5中给出的试验状态可以看出，NXZY-1、NXZY-3和NXZY-4均为铝球撞击裸药过程，且靶室压强相近。NXZY-3试验的撞击速度为6.19 km/s，其第一辐射尖峰辐射强度明显大于撞击速度为2.73 km/s的NXZY-1试验结果；而与NXZY-3的撞击速度接近的NXZY-4，其辐射尖峰强度却与NXZY-1相差不大。试验后查看NXZY-3和NXZY-4的靶标损伤程度，也存在一定差异，表明裸药靶标存在一定的性状不稳定性，导致在相近的撞击速度下，第一辐射尖峰强度具有不确定性。可见，这种差异会对辐射强度与碰撞速度的幂指数关系产生影响，导致这种变化规律不显著。同时，观察发现，当撞击速度增大时，辐射尖峰的上升速率也变快。相比之下，这一特征变化规律表现得更为明显，所以被本文采用。
通过第一辐射峰的上升速率来分析辐射特征与撞击速度之间的关联规律。第一辐射峰的上升速率可以通过辐射峰高H除以辐射峰宽L来表示。事实上，第一辐射峰与撞击物质溅射过程相关，这样处理可能更符合实际物理规律。这是因为撞击速度越高，物质的溅射速度越高，使得辐射过程的变化越快，辐射峰上升速率也越大。另一方面，表1涉及的试验状态包含两种发射模型：铝球和PC与铝球的组合体。不同的发射模型则导致撞击动能有较大差异。为了降低撞击动能的差异对碰撞辐射特征的影响，并便于不同发射模型之间对比分析，在计算上升速率特征时，用辐射峰高H除以发射模型质量。因此，根据表2可知，不同试验状态下的第一辐射峰上升速率特征量为$ k\text{=}\dfrac{H}{ML} $，其中M为发射模型质量。
图6给出了裸药、空药盒和药盒三组试验的第一辐射峰上升速率特征量k随撞击速度的变化结果，同时给出了$ k∝{V}^{\beta } $的拟合曲线。图6中红色圆圈标记铝弹丸单独撞击靶标的试验数据，黑色菱形为铝球与PC组合体撞击靶标的数据。对于裸药弹丸撞击的结果，k值与碰撞速度呈现出正相关关系，即撞击速度越高，辐射峰强度增长速率越快。对于393.4 nm和800.0 nm两个通道，分别通过拟合给出$ \beta =1.6105 $和$ \beta =1.4508 $，拟合曲线在图6中用虚线表示。与拟合曲线的趋势相比，k值的增长趋势基本一致。由于铝球与PC组合模型的试验状态有限，未能给出随速度的变化趋势，但对于裸药靶标而言，组合模型的k值结果要小于铝球弹丸单独撞击结果。
图 6 裸药、空药盒和药盒的辐射k值随撞击速度的分布结果

Fig.6 Distribution results of radiation k value with impact velocity of medicine, empty box and medicine box

图6展示了空药盒和药盒的撞击辐射情况。弹丸和弹丸+PC撞击结果显示，k值在速度达到3.0 km/s后显著增大，上升速率k与撞击速度呈现出较快的增长关系，其$ \beta $值为4.86~10.58，均大于裸药的撞击结果。可能原因是，发射模型撞击铝盒的过程使撞击辐射显著增强。铝质药盒的材料密度和应力强度高于裸药材料，这提高了撞击动能转化为冲击波能量的转化率，从而使第一辐射峰辐射过程相比裸药辐射更强。
另外，不同发射模型的撞击结果显示，药盒的撞击情况与裸药结果存在差异。对于药盒靶标，组合体发射模型产生辐射特征量k值要大于铝球撞击结果，这点与裸药的撞击结果给出的规律相反。考虑到k值是辐射强度除以发射模型质量后的辐射特征量，这表明药盒可以使质量较大的组合体模型产生的碰撞辐射强度显著增大。
上述试验分析结果表明，第一辐射峰与撞击速度、撞击质量等撞击过程参量相关，这说明在试验中测量得到的第一辐射峰源于撞击导致的高温物质辐射过程。同时，由图2可知，这种特征的辐射峰主要在20 μs以内出现。相比而言，在800.0 nm通道存在持续时间较长的辐射峰结构，持续时间达到100 μs以上。而且，这种辐射峰主要出现在裸药和装药药盒的试验工况中，所以可以判定这种辐射主要源于炸药反应过程。值得注意的是，裸药与装药药盒相比，在800.0 nm通道的持续较长的辐射峰出现位置要明显滞后。产生这样结果的原因可能是，裸药在受到撞击后产生了未完全反应的裸药碎片云，这样的碎片云快速膨胀，与靶室壁面等周围环境发生二次碰撞，导致裸药能量进一步释放，并形成强烈的辐射峰。这样的二次碰撞过程与周围环境结构布局相关，存在一定的飞行时间，使得辐射峰出现时间滞后。试验结束后，查看靶室内存在部分溅落的裸药碎片，而装药药盒相对于裸药，试验后未观察到明显的药片残渣。这说明裸药在受到撞击后未完全反应，而装药药盒由于有药盒壳体的作用，炸药反应相对更充分。试验探测结果也从另一方面表明，含能材料靶标的超高速撞击辐射特征与靶标的结构布局相关。裸药与靶室等环境结构可近似看作一种整体的含能结构，与紧密包围的装药药盒结构相比，这种裸药撞击辐射峰具有滞后特征。这样的靶标结构差别会体现到辐射特征中。
对比分析相同试验状态不同波长辐射测量通道的结果，从图6可以看出，对于药盒靶标和空药盒靶标，虽然393.4 nm通道与800.0 nm通道的特征量k值具有相近规律，但393.4 nm通道的辐射强度高一个量级左右，且图2显示393.4 nm通道的辐射强度同样强于800.0 nm通道后续的炸药反应辐射强度。对比结果表明，撞击过程产生的辐射与炸药反应过程的辐射强度在不同波段具有明显差异，可利用不同波段的观测来分辨和提取这两个过程的特征信息。

3.2 结构靶标类型的表征量提取及分类预测

本文试验状态设置的结构靶标类型分为裸药、空药盒和药盒三类。从图2可以看出，这三种类型在800.0 nm通道的辐射测量结果存在显著差异：裸药和药盒靶标的撞击辐射曲线存在较大的辐射峰，辐射峰持续数百微秒，且裸药的辐射峰出现位置靠后；空药盒的辐射峰与裸药、药盒相比较弱。
图2中的辐射曲线存在多个辐射峰，本文以辐射峰高乘以半高宽作为判定最大辐射峰的依据。从最大辐射峰出现的时间来看，裸药的辐射峰出现最晚，药盒与空药盒出现时间相对较为接近，但药盒的辐射峰出现时间相对滞后。造成这种差异的原因为炸药能量释放过程不同：药盒在撞击后，炸药在局域空间内反应，导致能量释放过程更剧烈和迅速；而裸药由于撞击碎裂，炸药反应不充分，使得能量释放更滞后、更缓慢，因此辐射峰相对靠后。从辐射强度的角度分析，裸药和药盒的撞击情况中，最大辐射峰值都相对较高，而空药盒由于没有炸药参与，辐射相对较弱。
为了通过辐射特征来表征不同结构类型靶标，本文主要选取800.0 nm辐射波段的最大辐射峰的辐射峰高Hmax、半高宽Lmax、出现时间tmax和393.4 nm通道的第一辐射峰强度H1作为辐射特征量，对撞击靶标类型进行归类分析，并建立分类评估模型。
针对800.0 nm辐射测量得到的曲线，第一辐射峰与撞击速度和碰撞材料相关[5]，后续的辐射峰主要与炸药反应过程相关。靶标是否包含炸药，其特征主要体现在后续辐射峰结构上，可将辐射峰高Hmax、半高宽Lmax和出现时间tmax作为主要的区分表征量。其中，393.4 nm通道的第一辐射峰作为辐射强度基准参考值，用于量化后续炸药反应产生火光强度。为了简化判定条件和归类判断，将相应的辐射演化特征量映射成二维平面表征量，进行二维平面分类分析，其映射关系为：
$ \left({L}_{\text{H}},T\right)=\left(\frac{{H}_{\text{max}}⋅{L}_{\text{max}}}{{H}_{1}},{t}_{\text{max}}\right) $
式中，（LH,T）为辐射曲线的二维表征量。利用式（6）对试验结果进行特征量化计算，计算结果如图7所示。在图7中，蓝色、黑色和红色分别为裸药、药盒和空药盒撞击辐射的二维表征量数据点。根据试验数据计算的二维表征量（LH,T）（见图7），不同类型靶标的数据点在二维图上聚集相对集中。其中，空药盒映射点集中在坐标原点附近；装药药盒的映射点横坐标与空药盒类似，但纵坐标的分布值远大于空药盒；裸药的映射点的纵坐标分布范围与药盒相似，而横坐标远大于空药盒和装药药盒。依据试验数据映射点的分布规律，可对二维平面进行归类分析。本文选用朴素贝叶斯分类模型和宽神经网络分类模型进行训练，训练得到的二维表征量分类评估区域划分如图7所示。从图7可以看出，二维表征量空间被划分为三个区域，分别对应裸药、药盒和空药盒。这两种模型都能较好地对现有试验二维表征量进行归类，表明采用二维表征量（LH,T）可以有效表征不同辐射强度的时序信号，借助该特征量能够评估本文试验中被撞靶标类型。然而，由于两种分类模型本身对特征量理解和分类策略不同，导致预测的分类区域存在较大差异。这一结果也反映出试验样本量还不充足，使得分类模型无法对训练集以外的数据进行有效的分类判别。后续解决则需要获取尽可能完备的试验特征数据集，或者研究建立更宽范围的理论预测模型。
图 7 不同靶标类型的分类评估

Fig.7 Classification prediction map for different target types

4 结 语

本文研究了裸药、空药盒和药盒三类靶标的393.4 nm和800.0 nm两个波长通道的碰撞辐射时序信号数据，开发了辐射强度特征量提取方法，并利用辐射特征量化方法对辐射时序信号中的第一辐射峰和最大辐射峰进行特征分析，主要结论如下：
（1）碰撞辐射强度时序数据中持续十几微秒的第一辐射峰与撞击速度存在关联，其辐射强度的上升速率与撞击速度呈正相关变化规律，这种正相关关系可以用幂指数增长关系描述。其中，裸药的上升速率的幂指数值要明显小于空药盒和药盒的情况。
（2）针对裸药、药盒和空药盒碰撞辐射过程，分别分析了393.4 nm和800.0 nm测量通道的第一辐射峰和最大辐射峰特征，结果表明，撞击过程产生的辐射与炸药反应过程的辐射强度在不同波段存在明显差异，可利用不同波段的观测来分辨和提取这两个过程的特征信息。
（3）通过将提取的辐射演化特征量映射成二维平面表征量，可以对裸药、药盒和空药盒靶标碰撞辐射进行表征。结合分类方法对试验数据特征量进行训练，可实现对不同类型靶标碰撞过程的评估判别，但这种评估方法仍需进一步拓展试验数据和理论模型的状态范围才能有效应用。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
1
PRATER R F. Hypervelocity impact material strength effects on crater formation and shock propagation in three aluminum alloys[D]. Ohio: Air Force Materials Laboratory, 1970.

2
刘志祥, 张庆明. 铝超高速碰撞产生等离子体相变潜热的理论研究[J]. 兵工学报, 2014, 35 ( 2 ) : 347-352.

LIU Z X, ZHANG Q M. Theoretical study of plasma latent heat of aluminum during hypervelocity impact[J]. Acta Armamentarii, 2014, 35 ( 2 ) : 347-352.

3
郑克勤, 张庆明, 龙仁荣, 等. 超高速撞击波阻抗梯度材料形成的碎片云相变特性[J]. 兵工学报, 2021, 42 (4): 773- 780.

ZHENG K Q, ZHANG Q M, LONG R R, et al. Phase transition characteristics of debris cloud of Ti /Al /Mg wave impedance gradient material subjected to hypervelocity impact[J]. Acta Armamentarii, 2021, 42 (4): 773- 780.

4
张凯, 张庆明, 龙仁荣, 等. 铝—铝超高速碰撞产生电磁波机制探讨[J]. 兵工学报, 2014, 35 (2): 268- 274.

ZHANG K, ZHANG Q M, LONG R R, et al. The discussion on mechanism of electromagnetic radiation produced by Al-Al hypervelocity impac[J]. Acta Armamentarii, 2014, 35 (2): 268- 274.

5
EICHHORN G. Analysis of the hypervelocity impact process from impact flash measurements[J]. Planet Space Science, 1976, 24, 771- 781.

DOI

6
ANG J A. Impact flash jet initiation phenomenology[J]. International Journal of Impact Engineering, 1990, 10, 23- 33.

DOI

7
FUSE R, ABE S, YANAGISAWA M, HASEGAWA S. An experimental study of the impact flash: The relationship between luminous efficiency and vacuum level[J]. Planetary and Space Science, 2020, 187, 104921.

DOI

8
YANAGISAWA M, KUROSAWA K, HASEGAWA S. Ultra-high-speed photography and optical flash measurement of nylon sphere impact phenomena[J]. Procedia Engineering, 2015, 103, 657- 662.

DOI

9
. [J].

10
. [J].

11
MA Z X, SHI A H, LI J L, et al. Radiation mechanism analysis of hypervelocity impact ejecta cloud[J]. International Journal of Impact Engineering, 2020, 141(1): 103560.

12
. [J].

13
TANDY J D, MIHALY J M, ADAMS M A, et al. Examining the temporal evolution of hypervelocity impact phenomena via high-speed[J]. Journal of Applied Physics, 2014, 116, 034901.

DOI

14
. [J].

15
. [J].

16
CAI P C, LI S, SHI J, et al. Inversion of spectral information obtained during hypersonic impact[J]. Applied Optics, 2021, 60, 291- 295.

DOI

17
LIU L H, MA Z X, DU X F, et al. Measurements of optical radiation characteristics in tests of impacting RDX at hypervelocity[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2022, 43 (09): 291- 298.

18
KRAMIDA A, RALCHENKO Y, READER J, et al. NIST atomic spectra database (ver. 5.0)[OL]. National Institute of Standards and Technology, (2018-3-8)[2025-9-20]. http: //physics. nist. gov/ asd.

19
张红, 王开明, 朱正和. 含铝RDX炸药爆温的理论计算[J]. 兵工学报, 2002, 23 (1): 136- 138.

DOI

ZHANG H, WANG K M, ZHU Z H. Theoretical explosion temperature of aluminiferous RDX obtained by thermochemistry calculation[J]. Acta Armamentarii, 2002, 23 (1): 136- 138.

DOI

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