1、引言
超高速碰撞过程中产生的冲击闪光现象包含着关键机制、撞击材料和撞击环境特征[1]等重要信息。通过对碰撞过程中的撞击闪光图、辐射特征曲线、等离子体[2]等的研究，可以揭示碰撞过程中的弹体撞击姿态、弹靶成分、辐射演化过程等重要信息。这对于推进深空探测研究、反导系统、目标毁伤效果评价等领域都具有重要意义。
在过去的几十年里，撞击闪光已成功应用于星体探测[3]、武器毁伤评估[4]、材料分析[5]等领域，美国国家航空航天局艾姆斯研究中心完成了“Tempel1”的深度碰撞实验，揭示了“Tempel1”彗星的物质组成成分[3][6]。美国陆军研究实验室开展了一系列武器撞击产生可见光和红外光实验，通过对采集的不同波长光谱信号的分析，推断出弹丸对目标靶板的毁伤情况[4]。Lawrence等人分别使用二级、三级轻气炮和Z装置加载不同材质的弹丸以不同速度碰撞铝靶，测量了碰撞发光可见光及红外光谱，并对连续和间断光谱辐射的演化特征进行了研究[7][8]。国内的黄雪刚、石安华[9]等人提出一种空间碎片冲击损伤评估方法，为提高轨道飞行器在空间碎片冲击下的生存能力奠定基础。薛一江[10]等人采用轻气枪进行了一系列冲击闪光实验，揭示了冲击闪光机制。杜雪飞[11]开展铝弹丸撞击铝靶的高速碰撞实验，并对撞击产生的气化产物冲击波的运动速度进行了测量，建立了适用于研究气化产物运动特性的理论模型。
董文朴[12]等人揭示了撞击过程中出现的辐射强度峰值与靶室压强的关系。司宇[13]等人对侵彻过程中选取高速摄影的最佳可见光波段进行了研究测量。龚良飞[14]等对高速碰撞闪光光谱的辐射模型进行了阐述。刘立恒[15]等人对黑索金（RDX）靶材超高速撞击辐射特征进行了研究，得到了不同靶材辐射特性之间的差异。苏海鑫[16]等对静态TNT爆炸闪光随时间演化过程进行了分析。
目前高速碰撞实验大都集中在室内轻气炮装置上铝、铜弹靶的碰撞角度、速度、靶式压强对光谱辐射特征的影响，或弹丸撞击非金属靶材料时，靶板的挥发性及孔隙度对光谱辐射强度的衰减影响，缺少弹丸对不同金属靶材的外场实验数据。基于此，设计了瞬态闪光光谱采集测量系统，开展了钢弹丸高速撞击钛合金靶、铝合金靶及特钢靶3种靶材的辐射特性实验，分析了弹丸撞击不同靶材的特征谱线与辐射强度，为评估撞击材料目标毁伤特性提供依据。
2、瞬态光谱探测方案设计
2.1探测系统整体设计
目前国内对于高速冲击实验大都集中在探测环境良好、实验条件可控的室内轻气炮装置上，然而实际的外场实验环境干扰因素多、光照强，基于此提出一种适用于复杂外场环境下的瞬态光谱采集方案，设计原理如图1所示。弹丸碰撞靶板经过延时提供触发信号，瞬态光谱采集测量系统开始测量。探测时，冲击闪光通过光纤准直系统，当光强过高时，由可调节光衰减器完成光强调节，再由触发器控制光纤光谱仪进行光谱信号采集，上位机软件记录瞬态光谱信息，最后利用专用软件完成数据分析。
2.2瞄准成像光路设计
实验采用的光纤纤芯很细，其可探测的范围很小，所以要想探测到整个靶面，光谱信号就需要通过扩束镜头来达到实验目的。将激光光源瞄准在需探测区域，通过光纤连接至扩束镜头，根据光源信号瞄准的光谱采集位置调节扩束镜头的位置、焦距及光圈大小等参数。待激光光源瞄准完毕后，稳定扩束镜头并接入光谱仪，完成光谱信号的采集。利用这种光纤准直系统，既可以保证采集系统的远距离瞄准，又可以扩大可探测范围。如图2所示为光纤扩束镜头结构图。
2.3实验条件
在相同碰撞角度下，采用14.5mm弹道枪，以1300~1500m/s速度分别撞击不同金属靶完成撞击实验，探测距离为5米，采用USB4000光纤光谱仪捕捉瞬态光谱信号，波长探测范围为350~900nm，实验状态参数表如表1所示。
其中a靶为钛合金靶，b靶为铝合金靶，c靶为特钢靶。
3、数据分析
3.1撞击闪光光谱
实验测得的钢弹丸分别撞击钛合金靶、铝合金靶及特钢靶在350~900nm波段内的撞击光谱结果对比图如图3、4所示。
由图3、4可知，碰撞光谱由线光谱和连续光谱组成。线光谱由撞击过程中的能级跃迁产生，其中原子发射光谱呈现为单峰形态。在撞击角度相同、速度相近的情况下，钢弹丸撞击铝合金靶时会产生明显的AlO[1][17]分子发射带，（图中颜色带），表明铝原子与环境中的氧发生了燃烧现象，AlO也是相对原子发射增加的新产物，且铝合金靶激发的强特征谱线明显比钛合金靶和特钢靶丰富，而特钢靶几乎没有激发出明显的线状谱线。
3.2光谱对比分析
将三种靶材的成分与获得的辐射光谱进行对应，利用LIBS技术分别对三种靶材进行本征光谱提取。如图5为实验所用的钛合金靶样品的本征光谱，其中标红部分为高速碰撞实验2激发出的与本征光谱相同的元素成分，碰撞光谱中有明显的钠、钾元素线光谱，根据金属活动性及元素所需的激发电位，钾元素与钠元素相比于钛合金中的主要元素（Ti）及其他微量元素（V、Fe、Sn、Cr等）更活泼，所以更容易激发出来。具体如表2所示。（其中光强值为实验2测得的相对光强值，并非实际光强。）图6为实验所用特钢靶样品的本征光谱，与实验6获得的实测光谱图对比分析，该实验条件下只激发出中心波长为438.27nm的Fe原子谱线（图中标红部分），其他波段并没有激发出明显线状谱。我们推测可能是因为在1300~1500m/s的速度范围内，没有足够的外界能量，使特征元素激发出来；撞击过程中产生的热辐射强度高于原子跃迁辐射强度致使线性谱淹没在连续谱中。此时，撞击过程中的电子能级跃迁释放光子的概率变小，线光谱强度大大减弱。后续将采用更高弹丸速度、更高灵敏度光纤光谱仪进行进一步研究。
图7为实验样品铝合金靶本征光谱图，经过与实验3实测光谱图对比分析，发现了AlⅡ谱线，AlⅡ的存在说明撞击过程中铝原子发生了电离，存在部分电离的等离子体，特征峰值元素对应表如表3所示。(其中光强值为实验3测得的相对光强值。）
4、结论
在90°撞击角、1300~1500m/s撞击速度的实验条件下，通过测量分析钢弹丸分别撞击钛合金靶、铝合金靶、特钢靶的350~900nm波段的光谱信号，实验发现：三种靶材相比，特钢靶难以激发出特征谱线，其性能较稳定，而铝合金靶则更容易受激发，其在撞击过程中产生的强辐射特征谱线最丰富，且在撞击过程中产生了明显的AlO分子发射带，表明撞击过程中Al元素发生了氧化反应；在撞击钛合金靶及铝合金靶过程中均发现了特征峰值明显的NaⅠ、KⅠ特征谱线，表明靶板中的杂质元素相比于主要元素更容易激发出来；从撞击同一靶材的两次实验结果发现，光谱曲线具有高度一致性，证明了实验数据的可重复性，且从撞击光谱中可以分析出与撞击材料有关的物质成分。
5、参考文献
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