釋放點(diǎn)排布方式對(duì)水霧紅外遮蔽性能的影響

徐東翔

(解放軍91404部隊(duì)93分隊(duì),河北秦皇島　066000)

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釋放點(diǎn)排布方式對(duì)水霧紅外遮蔽性能的影響

徐東翔

(解放軍91404部隊(duì)93分隊(duì),河北秦皇島066000)

水霧作為一種優(yōu)良的紅外偽裝措施,受到了越來(lái)越多的關(guān)注。水霧遮蔽性能的仿真研究也成為了關(guān)注的焦點(diǎn),但是始終沒(méi)有一種有效的仿真途徑來(lái)探討水霧釋放點(diǎn)排布產(chǎn)生的影響。針對(duì)這一問(wèn)題,基于高斯擴(kuò)散理論與Mie散射理論,提出了一種空間劃分的建模方案,解決了這一問(wèn)題,并根據(jù)仿真結(jié)果,簡(jiǎn)單分析了相同條件下不同釋放點(diǎn)排布方式對(duì)其紅外輻射遮蔽性能的影響。所得結(jié)論對(duì)制定有效的紅外對(duì)抗策略有一定的參考價(jià)值。

水霧;高斯擴(kuò)散;Mie理論;點(diǎn)源排布

水霧作為一種良好的紅外偽裝手段,有成本低、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)受到各界的廣泛關(guān)注。早在1960年,S.W.Kurnick[1]等測(cè)量了波長(zhǎng)為1μm～11μm的紅外輻射在霧區(qū)中的衰減情況,通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了建模分析。此后,國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)水霧的紅外輻射衰減性能進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究,如Carlon、Naboulsi、Wu、Chen等[2-7]。

在利用現(xiàn)有仿真軟件處理水霧紅外輻射衰減問(wèn)題時(shí),無(wú)法體現(xiàn)出不同水霧釋放點(diǎn)排布方式對(duì)水霧遮蔽性能的影響。針對(duì)這一問(wèn)題,本文提出了一種基于高斯擴(kuò)散理論的水霧紅外輻射消光模型,并利用該模型對(duì)不同的水霧釋放點(diǎn)排布方式的影響進(jìn)行了仿真研究。

1　水霧仿真模型的建立

1.1Mie散射理論

由B-L定律可知,入射強(qiáng)度為I0的紅外輻射過(guò)霧區(qū)衰減后,輻射強(qiáng)度I可表示為

I=I0e-G·L

(1)

式中，L(m)為入射輻射所經(jīng)過(guò)的路程;G(m)為消光系數(shù)。

在電磁波傳播理論中,霧滴形狀假定為圓球狀,當(dāng)紅外輻射穿過(guò)霧區(qū)時(shí),霧滴會(huì)引起紅外輻射的能量衰減。這其中發(fā)生的多種現(xiàn)象中,散射是紅外輻射能量衰減最主要的原因。特別是在紅外輻射波長(zhǎng)小于或相當(dāng)于霧滴球直徑時(shí),利用Mie理論,可以求出消光截面和消光系數(shù)[8]。

G=∫rNπr2Qextn(r)dr

(2)

式中，N(個(gè)/m-3)為霧滴密度;n(r)是霧滴半徑r(μm)的分布函數(shù),本文采用正態(tài)分布模型;Qext為霧滴截面消光系數(shù)。正態(tài)分布函數(shù)的表達(dá)式為

(3)

式中，σ為霧滴半徑標(biāo)準(zhǔn)差;rm為霧滴平均半徑。

消光系數(shù)Qext可由式(4)計(jì)算:

(4)

式中，x=2πr/λ,λ(μm)為波長(zhǎng);an、bn、n與波長(zhǎng)λ和霧滴半徑r有關(guān)。另外由于霧滴半徑與紅外輻射波長(zhǎng)相當(dāng),所以可以采用Mie理論進(jìn)行計(jì)算。

1.2高斯擴(kuò)散模型

若地面不會(huì)吸收和吸附水霧霧滴,水霧本身無(wú)沉降成分,地面相對(duì)水霧是一個(gè)全反射體,風(fēng)速大于1m/s,風(fēng)向恒定,則高斯正態(tài)型濃度模式可以通過(guò)梯度傳送理論及統(tǒng)計(jì)理論可以推出[9]

(5)

式中,C(x,y,z,H)為點(diǎn)(x,y,z)處的水霧濃度(g/m3);Q為水霧釋放速率(g/s);u為釋放水霧時(shí)噴嘴口的霧滴噴出平均速度(m/s);h為水霧對(duì)紅外輻射衰減的有效高度(m);σy、σz為y方向和z方向的大氣擴(kuò)散方差,與大氣穩(wěn)定度及地形參數(shù)有關(guān)。

1.3子空間消光系數(shù)的計(jì)算

現(xiàn)有仿真軟件Vega、Lowtran等處理水霧對(duì)紅外衰減時(shí)、往往將霧區(qū)做為一個(gè)整體處理。使用這類軟件時(shí),輸入?yún)?shù)后得出的水霧的消光系數(shù)Gext往往是某一局部空間區(qū)域的消光數(shù)值,很難代表整個(gè)霧區(qū)的消光特性,同時(shí)很難體現(xiàn)水霧的擴(kuò)散特性而導(dǎo)致的霧滴密度空間分布不均的問(wèn)題,所以一般來(lái)說(shuō)計(jì)算結(jié)果也存在較大誤差。

為了解決以上問(wèn)題,本建模方案采取了空間分割的方法,即將水霧影響區(qū)域均分為多個(gè)正方體子空間,獨(dú)立計(jì)算每個(gè)子空間的水霧特性參數(shù),最后求得每個(gè)空間的消光系數(shù)。利用高斯擴(kuò)散模型,理論上可以求出空間中每個(gè)點(diǎn)的霧滴密度數(shù),但這樣計(jì)算,會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量過(guò)大,而且計(jì)算結(jié)果也不具有任何意義。所以在建模過(guò)程中,將水霧干擾空間劃分為多個(gè)子空間,每個(gè)子空間是一個(gè)獨(dú)立的小正方體,用每個(gè)小正方體中心點(diǎn)的水霧參數(shù)來(lái)表示這個(gè)正方體內(nèi)的水霧的消光特性。需要注意的是,以上所說(shuō)的霧滴特性參數(shù)主要指所在空間的霧滴密度數(shù)目,因?yàn)橥慌_(tái)造霧設(shè)備,產(chǎn)生的霧滴微粒形狀、大小等特征基本不會(huì)發(fā)生太大變化,所以造成消光特性變化的主要原因就是霧滴密度的不同。根據(jù)上文所述,結(jié)合體積密度公式,霧滴密度數(shù)計(jì)算公式可以改寫(xiě)為

(6)

原透過(guò)率公式也可改寫(xiě)為

(7)

式中，n為輻射所穿過(guò)的正方體子空間個(gè)數(shù),Gexti為第i個(gè)正方體內(nèi)水霧的消光系數(shù),Li為在第i個(gè)正方體內(nèi)目標(biāo)紅外輻射穿過(guò)的距離。

1.4傳輸光程的計(jì)算方法選擇

由上文可知,采用空間分割的建模方法后,準(zhǔn)確計(jì)算出不同子空間內(nèi)的紅外輻射傳輸光程也是計(jì)算紅外輻射透過(guò)率的關(guān)鍵因素。在光程計(jì)算中,不妨先假設(shè)目標(biāo)紅外輻射的光程是一條直線。

為了解決輻射光程的求解問(wèn)題,本文提出了兩種解決方案:第一種首先確定紅外輻射所穿過(guò)的路徑,然后分別求出與每個(gè)劃分好的子空間的交點(diǎn),最后利用簡(jiǎn)單的兩點(diǎn)間距離公式求解每條線段的長(zhǎng)度。第二種同樣先確定光程路徑,然后求解輻射光程與水霧遮蔽仿真區(qū)域的第一個(gè)交點(diǎn),計(jì)算出紅外輻射在仿真霧區(qū)內(nèi)穿過(guò)的總行程L,將這段光程平均分為n段,每段的長(zhǎng)度為l,最后確定每段光程所在的子空間消光系數(shù)即可。

綜上兩種解決方案,第一種可以精確求出紅外輻射穿過(guò)不同子空間內(nèi)的光程,但是計(jì)算量較大,計(jì)算速度較慢。第二種方案雖然不能準(zhǔn)確計(jì)算出光程,但是計(jì)算速度較快,在多種復(fù)雜的條件下可以很快計(jì)算出結(jié)果,所以下文中均采用了第二種方法計(jì)算光程。

2　仿真結(jié)果與分析

在計(jì)算過(guò)程中,為了降低存在的誤差,可以將子光程的長(zhǎng)度l遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于每個(gè)子空間的邊長(zhǎng)。一方面,由于子光程長(zhǎng)度較短,可以有效降低由于一段子光程同時(shí)處于不同子空間而產(chǎn)生的誤差；另一方面,通過(guò)消光系數(shù)的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),相鄰子空間的消光系數(shù)差異并不大,所以這也進(jìn)一步降低了透過(guò)率計(jì)算時(shí)的誤差。

仿真條件設(shè)置如下:1)紅外波長(zhǎng)λ=10.6μm(m=1.178+0.071j),霧滴平均半徑r=10μm,霧滴半徑標(biāo)準(zhǔn)差取σ=1.10,霧滴密度取ρ=1g/cm3;水霧釋放速率Q=20g/s;釋放水霧時(shí)噴嘴口的霧滴噴出平均速度u=15m/s;有效高度h=0。2)水霧釋放點(diǎn)分布于xoy平面,霧區(qū)體積為30m×5m×6m(長(zhǎng)、寬、高),每個(gè)小正方體邊長(zhǎng)為0.25m,仿真時(shí)光程L分為k=1000段。

在所有參數(shù)設(shè)置相同的情況下,本文設(shè)置了四種水霧釋放點(diǎn)排布方式,如圖1所示。

1)X型:4個(gè)水霧釋放點(diǎn)分布在矩形的四個(gè)角,第5個(gè)釋放點(diǎn)位于在矩形中心。

2)十字型:4個(gè)水霧釋放點(diǎn)分布在矩形每條邊的中點(diǎn),第5個(gè)釋放點(diǎn)位于在矩形中心。

3)M型:3個(gè)水霧釋放點(diǎn)位于矩形的底邊,2個(gè)釋放點(diǎn)位于矩形的頂邊。

4)凸型:2個(gè)水霧釋放點(diǎn)位于矩形的頂邊,2個(gè)水霧釋放點(diǎn)位于矩形的底邊,1個(gè)釋放點(diǎn)位于左邊的中點(diǎn)。

圖1　點(diǎn)源分布方式分類

從仿真結(jié)果(圖2)可以看出,在所有排列方式中,X型分布(圖2(a))的紅外遮蔽效果最差,無(wú)論是α改變還是β改變,紅外輻射的透過(guò)率都偏高,而且振蕩的幅度較大,所以紅外偽裝效果較差。十字型分布方式(圖2(b))較X型分布方式的遮蔽效果有了一定的提升,特別隨著α的增加時(shí),水霧透過(guò)率仍能保持在一個(gè)較低的水平,也就是說(shuō)在相同條件下十字型分布方式較X型分布方式的遮蔽面積更大。M型水霧釋放點(diǎn)分布方式(圖2(c))的仿真結(jié)果,與其他排布方式最大的區(qū)別在于當(dāng)α較大時(shí),透過(guò)率仍能保持一個(gè)相對(duì)較低的水平,α的不斷增大雖然可能導(dǎo)致透過(guò)率產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象,但這種振蕩說(shuō)明在某一特定角度范圍內(nèi),水霧霧區(qū)仍有良好的遮蔽效果,這也是其他分部方式所無(wú)法做到的。凸型排布(圖2(d))雖然與X型排布的仿真結(jié)果相類似,但是凸型排布與X型排布相比,凸型排布縱向遮蔽效果較好,但是橫向遮蔽效果較差?？傮w來(lái)講,凸型排布與M型排布相比,水霧的遮蔽效果并不令人滿意。

圖2　多點(diǎn)源釋放水霧仿真結(jié)果

排布方式β=3°β=11°β=19°X型0.13%2.73%48.72%十字型1.24%12.65%13.17%M型0.17%3.49%5.76%凸型1.98%15.73%23.28

當(dāng)取α=45°時(shí),隨著β的變化,紅外輻射透過(guò)率的變化如表1所示。通過(guò)表1能夠更加清晰地顯示出M型排布方式較其他幾種方式有著更加理想的紅外輻射遮蔽效果。

總體來(lái)說(shuō),各種排列方式都存在隨著角度變化水霧透過(guò)率會(huì)出現(xiàn)不同程度振蕩情況,雖然改變水霧釋放點(diǎn)的排布方式可以稍微降低這種影響,但在實(shí)際應(yīng)用中仍需要注意水霧存在遮蔽盲區(qū)。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文首先根據(jù)Mie散射理論與高斯擴(kuò)散理論建立了水霧對(duì)紅外遮蔽的仿真模型,然后對(duì)不同釋放點(diǎn)排布方式的影響進(jìn)行了仿真研究和簡(jiǎn)要的分析。所得結(jié)論對(duì)制定有效的紅外對(duì)抗策略有一定的參考價(jià)值。

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Effects of Water Mist Release Point Arrangement on Infrared Shielding Performance

XU Dong-xiang

(Unit 91404 Division 93 of PLA,Qinghuangdao 066000,China)

As a kind of excellent infrared camouflage measures,water mist has increasingly attracted the attention of others.The simulation research of the water mist shielding performance has become the focus of attention,there is still no an effective simulation approach to study the impact of water mist release point arrangement.In order to solve this problem,this paper proposes a space partition modeling method,solving the problem based on the gauss diffusion theory and Mie scattering theory.And according to the simulation results,a simple analysis of the configuration of different release points in the same conditions affecting the performance of the infrared radiation shielding is presented.The conclusion has a certain reference value to make an effective infrared countermeasures strategy.

water mist; Gaussian dispersion model; MIE theory; point arrangement

1673-3819(2016)05-0066-04

2016-03-05

2016-05-08

徐東翔(1989-),男,山東青島人,碩士,研究方向?yàn)榧t外仿真。

TJ630.3+4；E917

ADOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.05.014