單透向煙幕干擾材料及其干擾機理研究

封亞歐，朱晨光，謝 曉

（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094）

單透向煙幕干擾材料及其干擾機理研究

封亞歐，朱晨光，謝 曉

（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094）

基于二氧化硅（SiO2)具有良好的紅外透光和散射性質(zhì)，探索其在單向透射煙幕配方中的應(yīng)用。基于米氏散射理論分析了煙幕云團具有單向透視性能的干擾機理。其次，利用OPAG33傅立葉變換紅外遙測光譜儀測試含有不同晶型SiO2煙幕的紅外透過率。結(jié)果表明：SiO2可以作為中遠距離的單向透射紅外煙幕材料，在15m距離內(nèi)，當(dāng)煙幕位置發(fā)生變化時，紅外透過率發(fā)生明顯變化。說明SiO2粒子具有良好的前向散射性能，其衰減特性與粒子的粒徑和形狀有一定的關(guān)系。

煙幕；單向透視；透過率；散射；二氧化硅

煙幕是一種高效費比的偽裝技術(shù)手段，也是光電對抗中最實用、最有效的手段之一[1]。傳統(tǒng)的煙霧劑雖然在可見光和紅外范圍有著很好的保護作用，但是同時阻礙我方偵查儀器的檢測。因此，在煙霧中我方可以有效地偽裝或改變自己的方位，同時能夠跟蹤對手并且做出及時的反應(yīng)非常重要。

國外關(guān)于單向可見煙幕有專利報道，Embury Jr[2]等發(fā)明了單向可見光煙幕，其實施方法是施放兩層煙霧，使它們均與空氣充分混合。第1層煙霧云團含有可見光吸收材料，如碳黑或石墨片等材料。第2層云團為含有一種白色的、無吸收性的可見煙霧，非吸收材料如二氧化鈦或霧油?？梢娦詢H存在于從第1層云團向第2層云團方向看時。利用該方法產(chǎn)生的煙幕不僅可以有效遮蔽自己目標(biāo)，同時還可以使對方呈現(xiàn)單向透明性，便于我方能夠隨時掌握對方態(tài)勢。但是實際應(yīng)用中若兩層云團混合后就沒有單向可見光的效果。Josef Schneider[3]等設(shè)計出可遮蔽可見光，而在紅外單向透射的復(fù)合型煙幕，研究結(jié)果表明分散粒子的粒徑在5～50μm內(nèi)特別適合紅外光的散射。目前國內(nèi)尚未見到涉及該領(lǐng)域的研究報道，筆者開展了單向透視煙幕的研究，既在沒有干擾光源時，在紅外波段表現(xiàn)為雙向可視，而使用干擾光源時，對方借助紅外探測儀無法觀察到己方，我方的前視效果不受影響，可以容易檢測到對方。

1 實驗部分

1.1 試劑

鎂粉（Mg)、六氯乙烷（C2Cl6AR）、乙醇(C2H5OH 99.9％ AR)、硝化棉（C12H16N4O18），國藥集團化學(xué)試劑有限公司；酚醛樹脂（C7H6O2），無錫新明化工有限公司；不同晶型的二氧化硅（SiO2），國藥集團化學(xué)試劑有限公司；丙酮（C3H6O），上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器

OPAG33傅立葉變換紅外遙測光譜儀，分辨率優(yōu)于1cm-1；波數(shù)精度優(yōu)于0.03cm-1；檢測光譜范圍：中紅外12 500～600cm-1；采樣頻率：最大掃描頻率40kHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換96kHz。

1.3 配方的設(shè)計

產(chǎn)生的煙幕要滿足單向紅外透射煙幕的要求，既在可見光波段有很好的遮蔽性能，而在紅外波段具有良好的透過性。因此，主要考慮無機散射粒子作為發(fā)煙劑的功能添加劑，如常見的玻璃、石英、碳酸鈣等材料。經(jīng)過一系列的篩選配方，最終實驗確定Mg+ C2Cl6+酚醛樹脂作為煙幕劑的主要配方，二氧化硅作為功能添加劑。實驗中為了二氧化硅的有利分散和試驗工作的開展，優(yōu)先選擇傳統(tǒng)的燃燒模式來施放煙幕。為了SiO2在燃燒過程中更好地分散到煙幕當(dāng)中，對其進行處理，最后設(shè)計正交試驗，確定煙幕劑的配比。

1.4 實驗方法

為了研究不同晶型SiO2的紅外散射性能，同時消除吸收的影響，設(shè)計出儀器布局圖，如圖1所示。在中遠距離上，倘若煙幕材料的前向折射率較大，使用球形煙幕粒子時，表現(xiàn)為良好的前向色散特性，這樣距離儀器遠的煙幕因為散射作用，光輻射強度衰減相對更多，從而在透過率譜圖上直觀看出前后的差距，進而確定不同晶型SiO2的紅外散射性能，從而用于單向透射煙幕材料之中。

圖1 儀器布局圖Fig.1 The instrument layout

首先按照化學(xué)配比稱量，采用干混的方式，藥劑預(yù)混后，過90目的篩子使其混合均勻，稱取一定質(zhì)量的藥劑壓入到鐵殼中[4]；再利用OPAG33光譜儀來測定煙幕在紅外波段的衰減率。首先調(diào)整光譜儀和紅外輻射光源光路并保持15m的距離，使儀器輻射峰值處于最大值，以測試煙幕在固定體積煙箱中的紅外透過率；等煙幕分散均勻后，分別測試煙箱靠近紅外輻射光源和光譜儀的輻射圖（前后位置比值為1∶14，為了減少誤差，需要多次測量取平均值)；對比前后譜圖，并進行理論分析。

1.5 實驗結(jié)果

圖2為實驗中測得的紅外透過率譜圖。正如配方設(shè)計的要求，煙幕在紅外波段具有良好的透射性。由圖2（a）可見不含有功能添加劑SiO2時，試樣譜圖不受煙幕箱位置改變的影響；在3～5μm波段內(nèi)，只有圖2（e）含有玻璃態(tài)石英的配方譜圖差距明顯；而在8～14μm波段內(nèi)，除了圖2（d）含有不定型石英的配方譜圖沒有差距外，煙幕箱位置的改變對其它配方透過率的影響較大，其中1 250目玻璃態(tài)的SiO2在3～5 μm和8～14μm譜圖差值較為明顯，差值約2.5％。

2 結(jié)果與討論

實驗結(jié)果表明，在煙幕云團濃度與厚度、光源與測試光譜儀位置固定的條件下，變換煙幕云團位置時透過率發(fā)生明顯變化，煙幕云團越靠近測試光譜儀，顯示透過率越高，煙幕云團越靠近光源，透過率越低。

煙幕是發(fā)煙劑產(chǎn)生大量的液體或固體微粒懸浮在空氣中而生成的氣溶膠體系，其輻射熱量被氣溶膠微粒通過吸收和散射作用而削弱，在保證外界條件不變的前提下，改變煙箱距離光譜儀和輻射光源的位置，則前后譜圖出現(xiàn)差距，說明粒子對光產(chǎn)生的前向散射起到了主要作用。靠近輻射光源一方的煙幕，由于粒子的散射，使得一部分的能量不能被儀器檢測到，其透過率低于靠近光譜儀的透過率。

注：圖中A1～H1代表煙幕云團靠近紅外輻射光源時煙幕的透過率，A2～H2代表煙幕云團靠近光譜儀時煙幕的透過率。圖2 紅外透過率譜圖Fig.2 The spectra of infrared transmittance of smoke agents

煙幕微粒對紅外傳輸?shù)纳⑸渌p是煙幕微粒截獲入射紅外線能量形成次生波, 再向四周輻射, 從而使入射紅外在原傳輸方向上能量減少的一個過程。為了直觀地描述問題，引進尺寸因子a ：

式（1）中：λ為入射紅外波長；r為粒子半徑。

當(dāng)煙幕粒徑與入射波長相近時，粒子的散射服從米氏散射理論。均勻介質(zhì)構(gòu)成的單個球形粒子吸收、散射和消光截面，可以用米氏散射理論進行分析。米氏散射理論提供了復(fù)雜但非常通用的解，對于吸收和非吸收球形氣溶膠粒子，從分子大小的粒子到用幾何光學(xué)處理的大粒子都是有效的[5]。米氏散射有3個特點：散射光強與入射光波長的低次冪成反比；散射光是偏振光；散射光強度的角分布隨w/λ而變，其前向散射加強，后向散射減弱。

結(jié)合上面分析，選用1 250目玻璃態(tài)的SiO2來進行理論分析，該粒子的半徑r=10μm，目前大多數(shù)的觀測儀器工作范圍在3～5μm 、8～14μm波段內(nèi)，為了方便分析，選用入射波長λ=10μm作為參考波長，則其尺寸因子a=6.28，粒子服從米氏散射，且其在特定波長下的復(fù)折射率為m(λ)=2.67-0.05 i。根據(jù)米氏散射經(jīng)典理論，散射光垂直于散射面和平行于散射面的兩個分量的振幅函數(shù)為[6-7]：

式（2）～（3）中：an，bn稱為 Mie系數(shù)；πn和τn是與一階n次第1類締合勒讓德函數(shù)Pn(1)cos(θ) 有關(guān)的函數(shù)，其表達式為：

式（2）～（7）中：

J（n+1）/2(z)和Y（n+1）/2(z)分別為半整數(shù)階的第1類， 第2類貝塞爾函數(shù)。Pn(1)cos(θ)為一階n次第1類締合勒讓德函數(shù)；Pn(cosθ)為第1類勒讓德函數(shù)。在數(shù)值模擬過程中選取初始條件如下：

運用Matlab軟件來求出an和bn、系數(shù)πn和τn，同時Mishchenko Michael I 在文獻中給出了非偏振狀態(tài)下散射相位函數(shù)的表達式：

帶入相關(guān)參數(shù)得出其散射相位圖，如圖3所示，圖3中0≤θ＜π/2為前向散射，π/2≤θ＜ π為后向散射，可以看出前向散射大于后向散射，為研究單向透射煙幕提供理論基礎(chǔ)。

圖3 r=10μm，m(λ)=2.67-0.05i的米氏散射相位函數(shù)Fig.3 Mie scattering phase function of r=10μm，m(λ)=2.67-0.05i

為了探索粒子的濃度對其散射性能是否有影響，在基礎(chǔ)配方上增加1g的SiO2，研究發(fā)現(xiàn)隨著煙幕濃度的提高，煙幕的透過率值降低幅度較小，但是其粒子的散射性能相對提高。由圖2可見，隨著SiO2從1g增加到2g，含有方石英煙幕的前后透過率差值在8～14 μm波段內(nèi)從2％增加到5％，而含磷石英煙幕的透過率差值由1％增加到2.5％；含有玻璃態(tài)石英的煙幕隨著濃度的提高，在3～5μm波段內(nèi)差值由2.5％變?yōu)?％，8～14μm波段內(nèi)差值由2.5％變?yōu)?％。

由以上分析可知，煙幕云團含有適當(dāng)晶型和尺寸的石英粒子時會產(chǎn)生前向散射，并且按照一定的散射角呈現(xiàn)規(guī)律性發(fā)散。由于煙幕云團靠近我方，能量分散尚未展開，敵方裝備尚能成像；而敵方距離煙幕云團較遠，相對能量分散大。特別是外加干擾光源時，照亮了敵方，暗藏了自己，敵方對我方裝備的探測難度必然加大。

3 結(jié)論

本文基于煙幕對紅外能量的散射衰減機理。結(jié)合米氏散射相關(guān)理論，從散射角度分析了粒子的前向紅外散射機理，研究了單向透射煙幕形成機理。得出以下結(jié)論：（1）通過MATALAB軟件，對于粒徑為10μ m的SiO2進行理論計算，結(jié)果表明其前向散射強度高于后向散射，在中遠距離范圍內(nèi)，由于粒子的散射而影響其衰減程度，進而驗證了當(dāng)粒子尺寸參數(shù)符合米氏散射時，通過改變煙箱測量位置，輻射源透過率會出現(xiàn)變化。（2） 玻璃態(tài)石英的紅外散射性能優(yōu)于方石英、磷石英，其煙幕材料的前向折射率較大，表現(xiàn)為良好的前向散射特性，可以用于中遠距離的紅外單向透射煙幕配方。

[1]張冬梅,趙升紅,喬衍華,等.國外軍用煙幕隱身劑的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].紅外技術(shù),2008,30(7):376-383.

[2]Josef Schneider, Ernst-Christian Koch, Axel Dochanhl. Method of producing a screening smoke which is one-way transparent in the infrared spectrum:US,6484640[P].2002- 11-26.

[3]Janon F.Embury,Jr. Towson, Md. Method for creating a one way visible screening smoke:US 5682010[P].1997-10-28.

[4]Chenguang Zhu, Chungen Xu, Rui Xue. Study of the spatial distribution of burning particles in a pyrotechnic flame based on particle velocity[J].Journal of Energetic Materials,2014(4):252- 263.

[5]付偉.煙幕技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].軍用光學(xué)儀器與技術(shù)，2002(1):28-31.

[6]袁易君,任德明,胡孝勇.Mie 理論遞推計算散射相位函數(shù)[ J].光散射學(xué)報,2006 ,17(4):366-371 .

[7]王蓮芬．球形粒子對平面偏振光散射的數(shù)值計算與分析[J].光電工程,2008,35(9):66-69.

Study on Jamming Mechanism and Performance of Interference Materials with One-way Transparency

FENG Ya-ou , ZHU Chen-guang，XIE Xiao
(School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science & Technology，Nanjing，210094 )

Based on the good infrared transmission and scattering properties of SiO2, the application of SiO2to the interference material with one-way transparency was investigated. According to Mie′s scattered light theory, the interference mechanism of the smoke cloud with a one-way transparency is analyzed. OPAG 33 Fourier transform infrared spectrometer telemetry was used to detect the transmittance of smoke screen, which were placed in different positions. The experimental results show that SiO2can be used as the infrared smoke screen, which is one-way transparent in the infrared spectrum material at long-range. Within 15 meters range, when the smoke position is changed, the transmittance spectra is different, which shows the particles of SiO2have good scattering properties, its scattering characteristics are related with size and shape of particles.

Smoke screen；One-way transparent；Transmittance；Scattering；Silicon dioxide

TQ567.5

A

1003-1480（2016）06-0040-04

2016-07-18

封亞歐（1990 -），男，在讀碩士研究生，主要從事單透向煙幕材料研究。

國家自然科學(xué)基金資助（51076066,51506222）。