刘海燕+李小明

摘 要： 雾霾环境是影响光电系统作战效能的重要因素。外场环境下雾霾条件不可控，难以满足光电系统雾霾条件下性能测试重复性要求。设计并实现了一种浓度可控雾霾环境仿真系统，可生成水雾、尘雾、烟雾等不同种类雾霾，采用浓度百分比控制方法，实现了薄雾、中雾、浓雾等不同浓度雾霾的定量化控制。实验表明：该仿真系统可生成能见度50～1 000 m的雾霾，能模拟大气透过率为0.35～1自然雾霾环境。 在此创新地采用内外场环境等效模型方法，实现了内外场不同雾霾粒子大小对光电系统影响效果的等效，在内场实现了可控的定量化雾霾环境。

关键词： 光电系统； 雾霾环境仿真； 浓度可控方法； 仿真雾霾生成

中图分类号： TN911?34； TP273.5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）18?0133?04

Design and realization of haze environment simulation system with

concentration control capacity

LIU Hai?yan1， LI Xiao?ming2， 3

（1. Unit 73101 of PLA， Xuzhou 221008， China； 2. Military Optoelectronics Engineering Department， Army Officer Academy， Hefei 230031， China；

3. Anhui Key Laboratory of Polarization Imaging Detection Technology， Army Officer Academy， Hefei 230031， China）

Abstract： Haze environment is an important factor affecting the operational effectiveness of photoelectric systems. The haze condition in external environment is uncontrollable， and is hard to meet the testing repeatability requirement of photoelectric system. A haze environment simulation system with concentration control capacity was designed and realized， which can generate the mist， dust， smoke and other different types of haze. The quantitative control of haze in different concentrations （mist， fog， heavy fog） was implemented by means of the concentration percentage control method. The experimental results show the simulation system can generate the haze whose visibility is 50～1000 m， and can simulate the natural haze environment whose atmospheric transmittance is 0.35～1. An innovatory method of environment equivalent model of internal and external field was used. The equivalent of different particle size effect to haze influence result on the optoelectronic system was realized. The controllable quantification haze environment was achieved.

Keywords： photoelectric system； haze environment simulation； concentration； simulation haze generation

0 引 言

随着光电成像技术的不断快速发展，其在武器装备中的应用越来越广泛的，各种光学侦察相机、光学制导武器、光电预警装备被大量应用，发挥着重要作用[1]。

光电成像系统的性能受光照变化、雾霾天气等影响大，在理想条件下测试试验验证的性能指标，但在恶劣天气条件下有较大变化，不能全面、真实地表征光电成像系统在恶劣天气条件下的性能。因此，对光电成像系统性能的测试试验验证，不仅需要在晴好的天气条件下进行，更需要在阴天、雾霾等恶劣天气下展开[2]。

外场恶劣天气条件下的测试试验，需要不同光照变化条件、不同雾霾天气条件（不同种类雾、不同浓度雾等），但外场条件下雾霾浓度和透过率等实验条件不可控，环境数据不便定量化，难以进行重复性实验，很难利用外场实测试验数据对光电成像系统的性能进行客观定量测试验证[3]。研制了一种可控雾霾环境仿真系统，可以生成水雾、尘雾、烟雾等不同种类，薄雾、中雾、浓雾等不同浓度的定量化的雾霾试验环境，为光电成像系统性能的测试试验提供支持。

1 可控雾霾环境仿真原理

可控雾霾环境仿真系统主要用来产生接近真实的雾环境。自然雾和人造雾形成的机理完全不同，在雾粒子浓度、半径等微物理特性上差别较大，自然雾浓度较小，粒子半径大，而人造雾浓度大，粒子半径小[4]；为了真实模拟不同雾天环境对光电成像系统的影响，可控雾霾环境仿真系统基于大气光学理论，建立光电池成像系统性能内场仿真测试等效模型，通过雾粒子的浓度控制来定量化仿真自然界不同雾对光电成像系统的影响效果[5?6]。从光电成像效果影响因素角度考虑，主要考虑水雾、尘雾和烟雾三类雾霾的仿真。

1.1 水雾仿真方法

水雾产生采用超声波雾化法，利用高频电子电路，使陶瓷谐振片上产生谐振而形成超声波，超声波在溶液中传播会产生局部的超高温、超高压，使溶液中的微气泡（空化核）在声场的作用下振动，使气泡迅速膨胀然后突然闭合并产生冲击波[7]。在这种空化作用下激发出空化水柱，撕破水的张力，产生微米级的雾状水滴，然后通过雾化器中管路压力将水雾粒子从喷嘴中喷出。图1为水雾生成系统原理图。

图1 水雾生成系统

雾化器产生的雾粒子通过高压气源产生的压力送入管道，经过各个喷嘴送出。喷嘴流量的调节采用能调节水流量大小的电动单向阀来实现。单向阀通过接收激光测雾装置输出的控制信号，调节流量大小，控制水雾浓度。为避免管道超压，在旁路中安装一个调压阀，通过设置该阀门的压力值，当管路中的压力达到设定值时，阀门开启泄压，维持管路中的压力在一个稳定的范围。

1.2 尘雾生成方法

尘雾采用高压气体推动方法产生，采用双压力容器方式保证生成的尘雾粒子浓度满足系统设计指标。

尘雾生成过程是首先将灰尘和碳灰按照5∶1比例混合的尘雾粒子放入到双压力容器中的过滤网上，开启高压气源，产生16个大气压的高压气体，将尘雾粒子经单向阀后送入管路，由喷嘴喷洒产生均匀的尘雾。为了防止气压过大对管路安全造成的危险，在进入管路之前安装压力表，实时测量管路压力，一旦超过设定的阈值，调压阀启动，开启阀门进行泄压，确保管路安全。

1.3 烟雾生成方法

按照火药实际成分和比例，制成发烟药柱，将其放入容器（发烟罐）中，通过三路直流驱动电路点燃点火头，火药点燃后，产生烟雾。启动直流风压电机，将其吹入管路，并经喷嘴喷洒产生均匀的烟雾。

2 基于浓度百分比的雾霾环境控制技术

雾霾环境仿真主要通过控制人造雾浓度大小来实现自然雾等效[8]。因此，首先需要计算出不同雾天环境内外场雾浓度的对应关系[9]；然后，针对内场生成最大雾浓度要求，计算出系统各项指标。由于雾浓度与雾停留（蒸发）时间、管道数目、喷嘴个数及口径等密切相关，所以在对雾停留时间理论分析的基础上，计算出系统的管道数目、喷嘴个数及口径大小等参数；最后，通过百分比控制流量大小实现不同雾浓度生成与控制。

2.1 雾粒子停留时间

雾粒子从喷嘴被喷出后，主要受重力、空气阻力和浮力的作用，其中空气阻力方向与运动方向相反，因此，三种力的代数和应等于雾滴质量与其加速度的乘积，即：

[-mdvdt=Fz-mgcosα+Ffcosα] （1）

式中：Ff为空气浮力，一般忽略不计；[α]为喷管方向与重力方向的夹角；Fz为空气阻力：

[Fz=12CAρg] （2）

式中：C为为阻力系数，为雷诺数Re的函数；[ρg]为空气密度（单位：[g/m3]）；A为雾滴颗粒在运动方向的投影面积（单位：m2）；代入式（1）可得：

[-dvdt=9μr2v-gcosα] （3）

式（3）为雾粒子速度变化关系式。其中：[μ]为空气粘度（单位[kg·s/m2]）；r为粒子半径。

当v=0时，可以认为雾粒子被蒸发，即初始速度v0的雾粒子停留时间T：

[T=-v00dv9μr2v-gcosα] （4）

雾滴的初速度[v0]可由式（5）计算：

[v0=ξ2gP] （5）

式中：[ξ]为速度系数，通常取0.98；g为重力加速度；P为超声波雾化器的压降。

2.2 雾浓度内外场等效及百分比控制方法

内场与外场等效模型可用式（6）描述：

[Ln=qnkLw] （6）

式中[qnk]为内外场浓度等效系数：

[qnk=σswMwσsnMn] （7）

式中：[Mw]为外场环境粒子浓度；[Mn]为内场环境粒子浓度；[σsw]，[σsn]为散射截面，有：

[σs?fc（0）2πγc] （8）

式中：[fc（θ=0）]为散射角等于0时的粒子散射相函数；[γc=2.5（Dλ）2]为比例系数。

假设内场粒子的半径为[an]，外场粒子的半径的[aw]，内外场粒子的成分一致，折射率一样，则式（7）可近似为：

[qnk=an2Mwaw2Mn] （9）

将式（9）代入式（6），可得：

[Mn=a2wMwL2wa2nL2n] （10）

系统实际空间为：长度为6 m，宽度为4.5 m，高度为4 m，则可以计算出内场最大距离Ln_max：

[Ln_max=KL2+Kw2+Kh2=8.5] （11）

将其代入式（10），则可以得到不同雾条件下内场模拟的雾浓度最大数值，由最大雾浓度以及光电成像系统性能内场仿真测试等效模型，可以计算出需要生成雾粒子的浓度。根据不同雾类型的内场等效浓度，设定生成该浓度所需要的控制百分比如表1所示。

表1 不同类型雾内外场等效情况

系统按照所需的雾类型得到控制百分比，首先计算雾化器流量，并启动雾化器产生雾粒子；同时启动激光测雾装置，实时测量雾浓度，并将测量出的雾浓度与设定的雾浓度进行比对，若实际测量结果大于设定的百分比，则减小雾化器的流量；雾化器流量减小后，如果实小于设定的百分比，则增加雾化器的流量，最终实现雾浓度的动态平衡。

2.3 管道参数设计

系统设计的雾生成空间管道如图2所示。

图2 雾生成空间管道图

雾浓度主要与雾生成器生成雾的流量、喷嘴大小以及雾粒子飞行时间决定的。设喷嘴直径为d，雾粒子的半径为r，雾粒子通过喷嘴的速度为v，对于球形雾粒子，该喷嘴单位时间内可供通过的粒子数为：

[N=d2v8r3] （12）

对于长度为[KL]，宽度为[Kw]，高度为[Kh]的封闭空间，T为粒子停留时间（单位：s），[np]为喷嘴数目，[ng]为管道数目，可以得到：

[d2npng=8NmaxKLKwKhr3Tξ2gP] （13）

由表1可知，最大雾浓度 [Nmax=86 863]g/cm3，并将实际空间的相关尺寸、雾化器压降、粒子半径、粒子停留时间等数据代入式（13），可以得到：

[d2npng=0.1] （14）

为使雾分布尽量均匀，管道和喷嘴数目应该为偶数，喷嘴间距L应不小于20 cm，考虑到空间的宽度为5 m。因此，设计管道数目为6，每个管道上布置26个喷嘴，每个喷嘴间隔为20 cm，喷嘴的口径为8 mm。每个喷嘴与垂直方向的夹角满足：

[α=arctanK2Kh] （15）

3 可控雾霾环境测试试验

可控雾霾环境测试试验主要进行可控雾霾仿真环境雾霾粒子生成能力和雾霾浓度控制能力的测试。

3.1 雾霾粒子尺寸测试试验

雾霾粒子特性指标测试对象为生成的水雾粒子尺寸、尘雾粒子尺寸和烟雾粒子尺寸[4?6]。试验通过OPC?06多通道光学粒子计数器测量不同类型雾霾的颗粒尺寸。由粒子计数器测得系统的烟雾、水雾和尘雾的谱分布如图3所示。由图3可见烟雾粒子谱分布基本上是正态分布，由该系统生成的烟雾粒子平均半径在2.2 μm附近，水雾粒子平均半径在1.2 μm附近，尘雾粒子平均半径在3.0 μm和10 μm附近，试验结果满足设计要求。

图3 系统雾粒子谱分布图

3.2 雾霾浓度测试试验

雾霾浓度测试试验内容包括：

（1） 激光测雾。利用650 nm波长的激光穿过介质照射到接收装置，通过接收装置检测到的电压来反映介质浓度的大小；

（2） 成像测雾。利用可见光相机采集的白板图像，计算不同雾霾浓度下的透过率值[10]：

① 雾浓度和粒子浓度的关系

根据实测的雾浓度和光学粒子计数器所测粒子谱分布可得出雾浓度和粒子浓度之间的关系如图4所示，其中烟雾粒子的几何标准半径在2.2 μm附近，水雾粒子的几何标准半径在1.2 μm附近，尘雾粒子几何标准半径在3.0 μm附近。

图4 雾霾浓度与粒子浓度关系曲线

从测量结果来看，当雾浓度达到100%时，水雾、烟雾和尘雾粒子浓度可以达到9×104 个/cm3，满足最大雾浓度控制的需要，不同类型雾浓度控制百分比与对应粒子浓度的关系也比较吻合，验证系统实现了定量化控制，可以仿真外场不同雾天对光电成像系统影响。

② 不同雾霾浓度下的透过率值

实验得到的不同浓度雾霾白板图像经计算得到雾霾能见度和大气透过率的关系如图5所示。该系统生成的雾霾浓度变化范围在0～90 000个/cm3内。通过透过率测量试验发现，系统可生成能见度50～1 000 m的雾霾，能模拟大气透过率为0.35～1自然雾霾环境。

图5 可见光波段不同类型烟幕透过率变化曲线

4 结 语

本文基于大气光学理论，建立了雾霾环境浓度和透过率内外场等效模型，根据雾粒子停留时间和雾粒子运动特性研究，采用管道参数仿真，设计了一个雾霾浓度可控的雾霾环境仿真系统。该系统采用基于粒子浓度百分比控制的方法，实现了内外场雾霾环境的等效。通过雾霾粒子测试和雾霾浓度测试，设计的雾霾环境仿真系统可仿真透过率为0.35～1自然雾霾环境。

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