煙幕干擾效能評價(jià)方法及質(zhì)量消光系數(shù)的修正

李笑楠，李天鵬，高欣寶，崔 巖

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003；2.中國人民解放軍63936部隊(duì)，北京 102202；3.齊齊哈爾建華機(jī)械有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

1 引言

隨著基礎(chǔ)電子技術(shù)、探測技術(shù)、信號處理理論、控制理論以及大規(guī)模集成電路技術(shù)等的不斷發(fā)展，精確制導(dǎo)技術(shù)得到了極大突破，一系列先進(jìn)精確制導(dǎo)武器得到了列裝，以滿足戰(zhàn)場目標(biāo)打擊的各種需要，戰(zhàn)場目標(biāo)的生存能力受到了巨大威脅和挑戰(zhàn)[1]。以發(fā)煙彈、發(fā)煙車為代表的無源干擾手段主要通過爆炸分散或化學(xué)燃燒等方式在保護(hù)目標(biāo)與精確制導(dǎo)武器的路徑上形成煙幕云團(tuán)，通過減少入射電磁波的信號強(qiáng)度、改變保護(hù)目標(biāo)的電磁波反射特性、降低保護(hù)目標(biāo)與背景的電磁波反射或輻射差異等達(dá)到遮蔽和保護(hù)我方目標(biāo)的目的，已經(jīng)成為當(dāng)前新一代無源干擾技術(shù)發(fā)展的發(fā)展趨勢[2]。

干擾材料、發(fā)煙裝備、器材的發(fā)展離不開理論指導(dǎo)、科學(xué)試驗(yàn)和評價(jià)結(jié)果的支撐，如何客觀準(zhǔn)確評價(jià)干擾材料及煙幕的干擾效能，成為煙幕技術(shù)領(lǐng)域中的重要問題。目前應(yīng)用較多的干擾材料及煙幕干擾效能評價(jià)方法主要有紅外光譜法、煙箱測試法與外場測試法[3～5]，這些評價(jià)方法的廣泛應(yīng)用對煙幕領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要支撐。但這些方法都有各自的優(yōu)勢與局限，例如：紅外光譜法所需干擾材料樣品量極少但該測試方式與干擾材料的煙幕施放方式有較大的差異；煙箱測試法直接將干擾材料分散形成煙幕，可測得各波段干擾效果，但無法保證干擾材料在煙箱中均勻分布；外場測試法測試條件最接近發(fā)煙裝備、器材的使用環(huán)境，但受季節(jié)、氣象等因素影響較大；同時(shí)各種測試方法得到的結(jié)果之間相互驗(yàn)證也比較困難，上述問題是煙幕評價(jià)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文介紹了目前常用的3種干擾材料及煙幕干擾效能評價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)和近年來的主要研究進(jìn)展；干擾材料及煙幕干擾效能評價(jià)方法均用到了質(zhì)量消光系數(shù)這一評價(jià)指標(biāo)，結(jié)合介質(zhì)中電磁波吸收的基本定律提出了評價(jià)方法有待深入探討的問題：質(zhì)量消光系數(shù)計(jì)算公式的正確性及適用條件，結(jié)合朗伯-比爾定律的推導(dǎo)得出了修正后的煙幕質(zhì)量消光系數(shù)計(jì)算公式，并發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量消光系數(shù)僅適用于均勻非散射煙幕體系這一限制條件。最后總結(jié)了干擾材料及煙幕干擾效能評價(jià)方法的發(fā)展趨勢，希望能對干擾材料及煙幕干擾效能評價(jià)研究提供有益信息。

2 干擾效能評價(jià)方法

為了客觀準(zhǔn)確評價(jià)干擾材料及煙幕的干擾效能，經(jīng)過研究者多年實(shí)踐，紅外光譜法、煙箱測試法與外場測試法逐漸成熟并得到了廣泛應(yīng)用，對干擾材料、發(fā)煙裝備、器材的發(fā)展提供了重要支撐。這3種方法的應(yīng)用順序?yàn)椋菏紫韧ㄟ^紅外光譜法對干擾材料進(jìn)行篩選，選取透過率較低的材料進(jìn)行煙箱測試研究其成煙后煙幕的干擾效能，最后應(yīng)用外場測試法測試其實(shí)際成煙效果。

2.1 紅外光譜法

紅外光譜法現(xiàn)行測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 6040—2019《紅外光譜分析方法通則》[6]、GB/T 37969—2019《近紅外光譜定性分析通則》[7]等。紅外光譜法實(shí)質(zhì)上是一種根據(jù)樣品分子內(nèi)部原子間的相對振動(dòng)和分子轉(zhuǎn)動(dòng)等信息來鑒別化合物和確定分子結(jié)構(gòu)的分析方法。紅外光譜有紅外發(fā)射光譜和紅外吸收光譜兩種類型，目前較常用的是紅外吸收光譜。紅外吸收光譜是由分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷所引起的，處在較低能級E1的樣品分子吸收一個(gè)能量為hv的光子后，可躍遷到較高的能級E2，整個(gè)躍遷過程滿足能量守恒定律E2-E1=hv。可導(dǎo)致紅外吸收的躍遷過程包括分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷，分子中組成化學(xué)鍵或官能團(tuán)的原子處于不斷振動(dòng)(或轉(zhuǎn)動(dòng))的狀態(tài)，當(dāng)樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時(shí)，若某個(gè)化學(xué)鍵或官能團(tuán)的振動(dòng)(轉(zhuǎn)動(dòng))頻率與紅外光頻率一致，便可發(fā)生振動(dòng)(轉(zhuǎn)動(dòng))吸收。不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)振動(dòng)(轉(zhuǎn)動(dòng))吸收頻率不同，在紅外吸收光譜上將處于不同位置，從而可確定分子中含有的化學(xué)鍵或官能團(tuán)。

利用紅外吸收光譜可進(jìn)行的化合物定性分析有兩種：一是官能團(tuán)定性分析，主要可依據(jù)紅外吸收光譜的特征頻率來鑒別含有哪些官能團(tuán)，以確定未知化合物的類別；二是結(jié)構(gòu)分析，即利用紅外吸收光譜提供的官能團(tuán)信息，結(jié)合未知化合物的各種性質(zhì)和其他結(jié)構(gòu)分析手段(如紫外-可見吸收光譜、核磁共振波譜、質(zhì)譜等)提供的信息，來確定未知化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)式或立體結(jié)構(gòu)。

干擾材料的紅外吸收光譜測試，可使用溴化鉀(KBr)壓片法與液體石蠟法。其中，針對可以研細(xì)的干擾材料，常用KBr壓片法。KBr晶體對紅外線基本不吸收、不會(huì)產(chǎn)生干擾譜線，是重要的紅外窗口材料之一，故KBr壓片法廣泛用于紅外定性分析和結(jié)構(gòu)分析。對于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、吸水性很強(qiáng)、有可能與KBr發(fā)生反應(yīng)的干擾材料，可用液體石蠟法。將干擾材料樣品與液體石蠟混合制成糊劑后測量其吸收光譜，扣除液體石蠟的吸收峰后可得到干擾材料的紅外吸收光譜。樣品分子的紅外吸收有兩種度量方式，均是結(jié)合了入射、出射電磁波的信號強(qiáng)度差異：透過率T和吸光度A，轉(zhuǎn)換方式如下：

(1)

結(jié)合朗伯-比爾定律，可以通過紅外吸收光譜來計(jì)算干擾材料質(zhì)量消光系數(shù)αe，公式為

(2)

式中:c為干擾材料在KBr壓片或液體石蠟糊劑中的濃度，g/m3；d為KBr壓片或液體石蠟糊劑的厚度，m。

紅外光譜法所需干擾材料樣品量極少(毫克級)，測試重復(fù)性較好，分析速度快且操作簡便。但因該測試方式與干擾材料的煙幕施放方式有較大的差別，測量結(jié)果對材料干擾性能的評價(jià)說服力不強(qiáng)，目前常用于干擾材料在科研階段的選型。李旺昌等[8]使用KBr壓片法測試了摻雜錳、鈷、鎳的含鋅鐵磁體/碳復(fù)合納米材料在中遠(yuǎn)紅外波段的透過率和質(zhì)量消光系數(shù)，王玄玉等[9]使用KBr壓片法測試了氧化鋁粉體樣品的紅外透過率。陳澤等[10]使用KBr壓片法測試了二氧化硅氣凝膠/硝化棉、二氧化硅氣凝膠/NaNO3在紅外波段的透過率，喬小晶、暴麗霞等通過液體石蠟法測試了鍍銅碳纖維[11]、碳/鐵磁體復(fù)合材料[12-13]在遠(yuǎn)紅外波段的透過率和質(zhì)量消光系數(shù)。在上述研究中，通過紅外光譜法測得的質(zhì)量消光系數(shù)測試值遠(yuǎn)小于煙箱測試法的結(jié)果，另外紅外光譜儀光源強(qiáng)度低、定量分析誤差大等缺點(diǎn)也制約著紅外光譜法在干擾材料干擾性能評價(jià)中的應(yīng)用。

2.2 煙箱測試法

與紅外光譜法不同的是，煙箱測試法與外場測試法直接模擬無源攻防對抗過程中干擾材料被分散在保護(hù)目標(biāo)與精確制導(dǎo)武器的路徑上形成的氣溶膠或煙幕云團(tuán)，通過測量入射、出射電磁波的信號強(qiáng)度差異來評價(jià)材料的干擾性能。

煙箱測試法現(xiàn)行測試標(biāo)準(zhǔn)為GJB 8684—2015《煙火藥性能試驗(yàn)方法》[14]、GJB 5214—2003《特種彈效應(yīng)試驗(yàn)方法》[15]、GJB 5323—2004《煙幕對熱像儀的遮蔽/干擾性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》[16]等。煙箱測試法可對干擾材料的紅外、毫米波、可見光波段干擾特性進(jìn)行測量，煙箱內(nèi)部設(shè)有數(shù)個(gè)攪拌風(fēng)扇，內(nèi)部襯有吸波海綿，可視為微波暗室，排除入射電磁波在煙箱內(nèi)壁上雜亂反射的影響。干擾材料對紅外波段的干擾特性采用工作波段1～3 μm、3～5 μm和8～14 μm的紅外輻射計(jì)及紅外光源進(jìn)行測量，對毫米波波段的干擾特性采用3 mm波和8 mm波測試系統(tǒng)(由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成)進(jìn)行測量，對可見光波段(0.4～0.8 μm)的干擾特性采用可見光照度計(jì)及白熾燈光源進(jìn)行測量。煙霧固態(tài)微粒質(zhì)量濃度的測定采用濾膜稱重法，取玻璃纖維濾膜在烘箱(120 ℃)內(nèi)烘干20 min，稱量濾膜質(zhì)量后裝入濾膜質(zhì)量濃度測試儀，煙幕穩(wěn)定后啟動(dòng)濾膜質(zhì)量濃度測試儀，調(diào)節(jié)至穩(wěn)定的流量采集煙幕固態(tài)微粒。測試結(jié)束排煙后取出濾膜并放入烘箱(120 ℃)烘干20 min后稱量濾膜質(zhì)量，根據(jù)通過濾膜的煙幕體積與濾膜質(zhì)量差計(jì)算煙霧固態(tài)微粒質(zhì)量濃度。

煙箱測試法測試過程如下。將紅外測試系統(tǒng)、毫米波測試系統(tǒng)、可見光測試系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端布設(shè)于煙箱光程兩端的光學(xué)窗口(如圖1所示)，對各測試系統(tǒng)的發(fā)射端進(jìn)行調(diào)試使發(fā)射信號穩(wěn)定后可施放煙幕。在>0.5 MPa的壓力下下將干擾材料噴入煙箱，同時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇攪拌使干擾材料分散均勻、完全成煙。靜置穩(wěn)定干擾材料的濃度后測量干擾材料的干擾性能，同時(shí)啟動(dòng)濾膜質(zhì)量濃度測試儀采集煙幕固態(tài)微粒。

圖1 煙箱測試法示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of smoke screen test method

根據(jù)紅外輻射計(jì)、毫米波接收機(jī)、可見光照度計(jì)在施放煙幕前后的信號強(qiáng)度差異，可計(jì)算干擾材料所成煙幕的透過率T。

結(jié)合朗伯-比爾定律，可以通過煙幕透過率來計(jì)算干擾材料質(zhì)量消光系數(shù)αe，公式為

(3)

式中:c為煙箱中煙霧固態(tài)微粒質(zhì)量濃度，g/m3；l為煙箱的光程，m。

煙箱測試法所需干擾材料樣品量較少(克級)，可測得各波段(紅外、可見光、毫米波等)干擾效果，重復(fù)測試時(shí)條件可控，但限于煙箱尺寸、攪拌方式等局限條件，無法保證干擾材料在煙箱中均勻分布，測量結(jié)果與材料實(shí)際應(yīng)用的干擾效果有一定差異。另外，朗伯-比爾定律的前提是吸光物質(zhì)在體系中均勻分散，該定律其實(shí)無法適用于干擾材料不均勻分布的情況。

關(guān)華等[17]在煙箱中測試了赤磷、銅粉發(fā)煙劑對7.7～9.3 μm波段的透過率，陳浩等[18-19]測試了石墨烯、碳納米管和碳復(fù)合材料對3～5 μm、8～14 μm中遠(yuǎn)紅外波段的透過率和質(zhì)量消光系數(shù)，時(shí)家明等[20]測量了不同粒徑石墨粉和鋁粉在中紅外(3.7～4.8 μm)和遠(yuǎn)紅外(7.5～14 μm)的質(zhì)量消光系數(shù)，顧有林等[21]測試了生物材料真菌孢子的紫外、紅外波段平均透過率及質(zhì)量消光系數(shù)，劉清海等[22]對石墨烯煙幕在對3～5 μm和8～14 μm紅外質(zhì)量消光系數(shù)進(jìn)行了測試，彭文聯(lián)等對制備的片狀碳-銅-鐵復(fù)合材料[23]、納米石墨基煙幕材料[24]在3～5 μm和8～14 μm紅外透過率進(jìn)行了測試，劉禹廷等[25]測試了碳?xì)饽z干擾劑對紅外(1～3 μm、3～5 μm、8～14 μm)、10.6 μm激光及毫米波(3 mm、8 mm)的衰減性能。Yang等[26]測試了澆鑄型紅磷發(fā)煙劑在煙箱中的透過率及煙幕濃度。Li等[27]測試了改性銅粉在紅外波段的透過率和質(zhì)量消光系數(shù)。通過煙箱測試法取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在干擾材料制備、改性過程中可提供有價(jià)值的指導(dǎo)，已廣泛應(yīng)用于干擾材料研制的科研階段。

2.3 外場測試法

除煙箱測試法能得到的透過率、質(zhì)量消光系數(shù)等測試結(jié)果外，外場測試法還可驗(yàn)證干擾材料在爆炸分散后的成煙與實(shí)際遮蔽效果，分散效果最接近發(fā)煙裝備、器材在真實(shí)野外環(huán)境下形成的煙幕云團(tuán)?，F(xiàn)行測試標(biāo)準(zhǔn)為GJB 8670—2015《特種彈效應(yīng)試驗(yàn)方法》[15]、GJB 6224—2008《野外煙幕對可見光有效遮蔽面積試驗(yàn)方法》[28]、GJB 6092—2007《地面光電無源干擾設(shè)備試驗(yàn)場試驗(yàn)方法》[29]等。

外場測試法測試過程如下。在外場令發(fā)煙裝備、器材發(fā)煙，模擬其在實(shí)際應(yīng)用中的成煙過程。采用“攝像法”、“照相法”對發(fā)煙裝備、器材的有效煙幕寬度、高度、時(shí)間特性進(jìn)行測試，使用紅外熱像儀、可見光錄像機(jī)、毫米波測試系統(tǒng)對煙幕干擾性能進(jìn)行測試，如圖2所示。

圖2 外場測試法示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of explosion experiment method

外場測試法是材料干擾性能評價(jià)最可信的測量方法，測試條件最接近發(fā)煙裝備、器材的使用環(huán)境，是其科研階段中的關(guān)鍵手段。但外場測試中需耗費(fèi)大量的人力、物力，所需干擾材料樣品量較多(千克級)，且受季節(jié)、氣象等因素影響，測試重復(fù)性較差。理論上，煙箱測試法與外場測試法測得的透過率、遮蔽時(shí)間等結(jié)果有一定的相似性。肖凱濤等[30]在外場測試了銅粉對3～5 μm紅外波段的遮蔽效果，陸斌等[31]利用可見光、中、遠(yuǎn)紅外波段成像傳感器對野外施放煙幕條件下的透過率進(jìn)行了測量并得到了傳感器的實(shí)時(shí)跟蹤誤差，徐路程等[32]通過“攝像法”、“照相法”對爆炸型赤磷煙幕彈的煙幕寬度和高度進(jìn)行了測量，李一[33]對外場測試方法進(jìn)行了優(yōu)化，使用陣列黑體代替面源黑體作為紅外光源實(shí)現(xiàn)了煙幕透過率、有效遮蔽面積、形成時(shí)間及有效遮蔽時(shí)間的連續(xù)測量。李笑楠等[34]在外場通過攝像法對裝填多頻譜干擾劑的發(fā)煙組件的有效遮蔽寬度及時(shí)間進(jìn)行了測量。外場測試法目前廣泛應(yīng)用于干擾材料科研階段的最終評價(jià)，是其研制、定型、生產(chǎn)過程中的必要環(huán)節(jié)。

目前，干擾材料的遮蔽性能測試方法并不統(tǒng)一，紅外光譜法、煙箱測試法與外場測試法等多種測試方法測得的結(jié)果數(shù)值偏差較大，多種測試方法間相互對比、驗(yàn)證困難。

3 煙幕中的朗伯-比爾定律應(yīng)用的修正

朗伯-比爾定律不僅適用于可見光，也適用于紅外、紫外等電磁輻射，是干擾效能評價(jià)核心指標(biāo)質(zhì)量消光系數(shù)的基礎(chǔ)。以上3種常用的干擾效能評價(jià)方法均用到了質(zhì)量消光系數(shù)這一評價(jià)指標(biāo)。

3.1 朗伯-比爾定律

朗伯-比爾定律是電磁波吸收的基本定律，是描述物質(zhì)對電磁波吸收的強(qiáng)弱與吸光物質(zhì)的濃度及其厚度間的關(guān)系。適用于所有的電磁波吸收和所有的吸光物質(zhì)，包括氣體、固體、液體、分子、原子和離子，且光被介質(zhì)吸收的比例與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。朗伯-比爾定律由兩位學(xué)者提出的觀點(diǎn)合并而來：1760年朗伯(Lambert)指出光被介質(zhì)吸收的比例與介質(zhì)厚度成正比，此即朗伯定律；1852年比爾(Beer)指出光被介質(zhì)吸收的比例與光程中產(chǎn)生光吸收的分子數(shù)目(溶液濃度)成正比，此即比爾定律。這兩個(gè)定律均為經(jīng)驗(yàn)公式，將二者合并起來就是朗伯-比爾定律，其表達(dá)式為

(4)

式中：A為吸光度；K為比例系數(shù)；b為吸光介質(zhì)的厚度；c為吸光物質(zhì)的濃度；I0為入射光強(qiáng)度；I為出射光強(qiáng)度。

3.2 朗伯-比爾定律的推導(dǎo)

假設(shè)一束強(qiáng)度為I0的平行單色光垂直照射于圖3所示的一塊各向同性的均勻吸收介質(zhì)表面，在通過厚度為b的吸收介質(zhì)后，由于介質(zhì)中吸光質(zhì)點(diǎn)對入射光的吸收，出射光強(qiáng)度降低至I。吸收過程可以看作是吸光質(zhì)點(diǎn)對光子的俘獲過程，光子被俘獲的概率與所有吸光質(zhì)點(diǎn)的截面積之和成正比[35]。

圖3 朗伯-比爾定律推導(dǎo)示意圖Fig.3 Derivation diagram of Lambert-Beer’s law

對于一面積為S、厚度為無限小dx的截體，其中有dn個(gè)吸光質(zhì)點(diǎn)，每個(gè)吸光質(zhì)點(diǎn)俘獲光子的截面積均為a。若此截體中所有吸光質(zhì)點(diǎn)俘獲光子的總截面積(俘獲面積)以ds表示，則ds=adn。顯然，光子被俘獲的概率就是俘獲面積與總面積之比ds/S。

設(shè)照射在截面S上的光強(qiáng)度為Ix，通過截體Sdx后光強(qiáng)變化了dIx，則吸光質(zhì)點(diǎn)俘獲入射光的分?jǐn)?shù)為-dIx/Ix。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)觀點(diǎn)，俘獲分?jǐn)?shù)就是俘獲概率：

(5)

式中：因光強(qiáng)變化量dIx在光吸收過程中為負(fù)值，故在dIx/Ix前加負(fù)號以與俘獲概率符號保持一致。

當(dāng)光通過厚度為b，吸光質(zhì)點(diǎn)數(shù)量為n的吸收介質(zhì)時(shí)，對上式積分，俘獲分?jǐn)?shù)為

(6)

(7)

(8)

由吸收介質(zhì)的體積V=Sb及吸光質(zhì)點(diǎn)的濃度c=n/V可得：

(9)

(10)

其中:比例系數(shù)K值隨吸收介質(zhì)厚度b、吸光物質(zhì)濃度c單位不同而不同。當(dāng)厚度b以cm為單位、濃度c以mol·L-1為單位時(shí)，K為摩爾吸光系數(shù)，其單位為L·mol-1·cm-1。

由上述推導(dǎo)過程可知該定律的使用條件：入射光是平行單色光，吸光物質(zhì)是均勻透射體系(對光無散射)，溶液中若有多組分吸光物質(zhì)，而且吸光物質(zhì)相互不發(fā)生作用時(shí)，則總吸光度等于各組分吸光度之和。

3.3 基于朗伯-比爾定律的煙幕質(zhì)量消光系數(shù)

質(zhì)量消光系數(shù)(αe)是干擾材料紅外干擾性能的核心指標(biāo)，可由紅外透過率計(jì)算得到，質(zhì)量消光系數(shù)越大表示相同條件下完成煙幕干擾消耗的干擾材料越少。

經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[36-40]，目前質(zhì)量消光系數(shù)的常用計(jì)算公式(以下簡稱“常用公式”)為

(11)

(12)

其中:T為透過率；c為煙幕測試系統(tǒng)中煙幕濃度，g/m3；l為光程，m。

但是，根據(jù)朗伯-比爾定律的推導(dǎo)結(jié)果：

A=Kbc

(13)

又因?yàn)椋?/p>

(14)

故適用于煙幕中電磁波吸收的質(zhì)量消光系數(shù)的表達(dá)式應(yīng)為

T=10-αecl

(15)

(16)

這與“常用公式”存在差異，即式(15)以10為底，“常用公式”以自然常數(shù)e為底。

αe 真實(shí)值=0.434αe 常用公式計(jì)算值

(17)

另外，“常用公式”在前蘇聯(lián)希特洛夫斯基20世紀(jì)50年代所著的《煙火學(xué)原理》[35]中就已經(jīng)出現(xiàn)了。本文所做推導(dǎo)是否存在某些不完備之處，已經(jīng)通過研究確定質(zhì)量消光系數(shù)的干擾材料應(yīng)該如何修正并推廣(“常用公式”在質(zhì)量消光系數(shù)的計(jì)算中已經(jīng)得到了很廣泛的應(yīng)用，常用的銅粉、石墨、赤磷等干擾材料的質(zhì)量消光系數(shù)、新研干擾材料的質(zhì)量消光系數(shù)均采用此公式進(jìn)行計(jì)算)，這些問題在今后研究中值得繼續(xù)探討。

4 煙幕中的朗伯-比爾定律應(yīng)用的限制條件與發(fā)展趨勢

4.1 僅適用于均勻非散射煙幕體系

從朗伯-比爾定律的推導(dǎo)過程可知，該定律適用于均勻非散射體系，而煙幕(例如鱗片銅粉、超細(xì)石墨)中顯然存在電磁波散射。另外，煙箱測試法與外場測試法中煙幕粒子也并非均勻分布，通過朗伯-比爾定律推導(dǎo)得到的質(zhì)量消光系數(shù)僅適用于煙幕粒子對電磁波僅有吸收作用且均勻分布的體系。因此在今后的研究中，對于煙幕中的朗伯-比爾定律而言，有必要明確電磁波散射和濃度分布對質(zhì)量消光系數(shù)的影響以及如何修正散射和濃度分布加入后的質(zhì)量消光系數(shù)計(jì)算。

4.2 實(shí)現(xiàn)各種評價(jià)結(jié)果相互驗(yàn)證

目前，干擾材料的遮蔽性能測試方法并不統(tǒng)一，紅外光譜法、煙箱測試法與外場測試法測得的結(jié)果數(shù)值偏差較大，多種測試方法間相互對比、驗(yàn)證困難，對測得的結(jié)果進(jìn)行對比的研究相對較少。因此，對多種測試方法測得的結(jié)果進(jìn)行科學(xué)轉(zhuǎn)換將成為干擾材料及煙幕干擾效能評價(jià)領(lǐng)域發(fā)展的重要趨勢。

近年來，仿真方法開始運(yùn)用于煙幕干擾效能評價(jià)領(lǐng)域，徐路程[32,41]等運(yùn)用CFD法仿真紅外煙幕遮蔽性能并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，王紅霞等[42]基于Mie散射理論和蒙特卡羅方法分析了顆粒物對0.86～20 μm波段紅外輻射的消光和衰減特性，夏仁杰[43]、陳心源[44]采用Navier-Stokes方程對煙幕的密度、溫度、壓強(qiáng)、輪廓等物理屬性和紅外輻射特性進(jìn)行了仿真求解，陳浩等[45]基于Truegrid與Autodyn混合仿真計(jì)算了煙幕初始云團(tuán)最大半徑并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果與實(shí)測值相對誤差小于10%。這些研究通過干擾材料物理參數(shù)來預(yù)測煙幕遮蔽性能，正朝著將多種干擾材料及煙幕評價(jià)方法進(jìn)行科學(xué)轉(zhuǎn)換的目標(biāo)推進(jìn)。目前，研究的薄弱之處在于干擾材料對電磁波透過率的仿真多針對單個(gè)粒子[46-47]，存在多次透射、散射的多粒子群對電磁波透過率研究較少。

5 結(jié)論

1) 深入的研究如何客觀準(zhǔn)確評價(jià)干擾材料及煙幕的干擾效能具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，也是煙幕技術(shù)領(lǐng)域豐富和發(fā)展的需要。本文分析了常用干擾效能評價(jià)方法，闡述了其原理、測試過程、優(yōu)缺點(diǎn)及研究進(jìn)展。

2) 結(jié)合本文對朗伯-比爾定律的推導(dǎo)，可以看出質(zhì)量消光系數(shù)常用計(jì)算公式的合理性存在疑問和爭議，需要進(jìn)行修正。

3) 質(zhì)量消光系數(shù)存在僅適用于均勻非散射煙幕體系這一限制條件，煙幕中的朗伯-比爾定律應(yīng)用的適用情況還需要進(jìn)一步研究，并進(jìn)一步完善干擾效能評價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)多種測試方法測得結(jié)果的相互驗(yàn)證與進(jìn)行科學(xué)轉(zhuǎn)換。