徐东翔

(解放军91404部队93分队,河北秦皇岛　066000)



释放点排布方式对水雾红外遮蔽性能的影响

徐东翔

(解放军91404部队93分队,河北秦皇岛066000)

水雾作为一种优良的红外伪装措施,受到了越来越多的关注。水雾遮蔽性能的仿真研究也成为了关注的焦点,但是始终没有一种有效的仿真途径来探讨水雾释放点排布产生的影响。针对这一问题,基于高斯扩散理论与Mie散射理论,提出了一种空间划分的建模方案,解决了这一问题,并根据仿真结果,简单分析了相同条件下不同释放点排布方式对其红外辐射遮蔽性能的影响。所得结论对制定有效的红外对抗策略有一定的参考价值。

水雾;高斯扩散;Mie理论;点源排布

水雾作为一种良好的红外伪装手段,有成本低、持续时间长的优点,近年来受到各界的广泛关注。早在1960年,S.W.Kurnick[1]等测量了波长为1μm～11μm的红外辐射在雾区中的衰减情况,通过实验数据进行了建模分析。此后,国内外诸多学者对水雾的红外辐射衰减性能进行了大量的实验研究,如Carlon、Naboulsi、Wu、Chen等[2-7]。

在利用现有仿真软件处理水雾红外辐射衰减问题时,无法体现出不同水雾释放点排布方式对水雾遮蔽性能的影响。针对这一问题,本文提出了一种基于高斯扩散理论的水雾红外辐射消光模型,并利用该模型对不同的水雾释放点排布方式的影响进行了仿真研究。

1　水雾仿真模型的建立

1.1Mie散射理论

由B-L定律可知,入射强度为I0的红外辐射过雾区衰减后,辐射强度I可表示为

I=I0e-G·L

(1)

式中，L(m)为入射辐射所经过的路程;G(m)为消光系数。

在电磁波传播理论中,雾滴形状假定为圆球状,当红外辐射穿过雾区时,雾滴会引起红外辐射的能量衰减。这其中发生的多种现象中,散射是红外辐射能量衰减最主要的原因。特别是在红外辐射波长小于或相当于雾滴球直径时,利用Mie理论,可以求出消光截面和消光系数[8]。

G=∫rNπr2Qextn(r)dr

(2)

式中，N(个/m-3)为雾滴密度;n(r)是雾滴半径r(μm)的分布函数,本文采用正态分布模型;Qext为雾滴截面消光系数。正态分布函数的表达式为

(3)

式中，σ为雾滴半径标准差;rm为雾滴平均半径。

消光系数Qext可由式(4)计算:

(4)

式中，x=2πr/λ,λ(μm)为波长;an、bn、n与波长λ和雾滴半径r有关。另外由于雾滴半径与红外辐射波长相当,所以可以采用Mie理论进行计算。

1.2高斯扩散模型

若地面不会吸收和吸附水雾雾滴,水雾本身无沉降成分,地面相对水雾是一个全反射体,风速大于1m/s,风向恒定,则高斯正态型浓度模式可以通过梯度传送理论及统计理论可以推出[9]

(5)

式中,C(x,y,z,H)为点(x,y,z)处的水雾浓度(g/m3);Q为水雾释放速率(g/s);u为释放水雾时喷嘴口的雾滴喷出平均速度(m/s);h为水雾对红外辐射衰减的有效高度(m);σy、σz为y方向和z方向的大气扩散方差,与大气稳定度及地形参数有关。

1.3子空间消光系数的计算

现有仿真软件Vega、Lowtran等处理水雾对红外衰减时、往往将雾区做为一个整体处理。使用这类软件时,输入参数后得出的水雾的消光系数Gext往往是某一局部空间区域的消光数值,很难代表整个雾区的消光特性,同时很难体现水雾的扩散特性而导致的雾滴密度空间分布不均的问题,所以一般来说计算结果也存在较大误差。

为了解决以上问题,本建模方案采取了空间分割的方法,即将水雾影响区域均分为多个正方体子空间,独立计算每个子空间的水雾特性参数,最后求得每个空间的消光系数。利用高斯扩散模型,理论上可以求出空间中每个点的雾滴密度数,但这样计算,会导致计算量过大,而且计算结果也不具有任何意义。所以在建模过程中,将水雾干扰空间划分为多个子空间,每个子空间是一个独立的小正方体,用每个小正方体中心点的水雾参数来表示这个正方体内的水雾的消光特性。需要注意的是,以上所说的雾滴特性参数主要指所在空间的雾滴密度数目,因为同一台造雾设备,产生的雾滴微粒形状、大小等特征基本不会发生太大变化,所以造成消光特性变化的主要原因就是雾滴密度的不同。根据上文所述,结合体积密度公式,雾滴密度数计算公式可以改写为

(6)

原透过率公式也可改写为

(7)

式中，n为辐射所穿过的正方体子空间个数,Gexti为第i个正方体内水雾的消光系数,Li为在第i个正方体内目标红外辐射穿过的距离。

1.4传输光程的计算方法选择

由上文可知,采用空间分割的建模方法后,准确计算出不同子空间内的红外辐射传输光程也是计算红外辐射透过率的关键因素。在光程计算中,不妨先假设目标红外辐射的光程是一条直线。

为了解决辐射光程的求解问题,本文提出了两种解决方案:第一种首先确定红外辐射所穿过的路径,然后分别求出与每个划分好的子空间的交点,最后利用简单的两点间距离公式求解每条线段的长度。第二种同样先确定光程路径,然后求解辐射光程与水雾遮蔽仿真区域的第一个交点,计算出红外辐射在仿真雾区内穿过的总行程L,将这段光程平均分为n段,每段的长度为l,最后确定每段光程所在的子空间消光系数即可。

综上两种解决方案,第一种可以精确求出红外辐射穿过不同子空间内的光程,但是计算量较大,计算速度较慢。第二种方案虽然不能准确计算出光程,但是计算速度较快,在多种复杂的条件下可以很快计算出结果,所以下文中均采用了第二种方法计算光程。

2　仿真结果与分析

在计算过程中,为了降低存在的误差,可以将子光程的长度l远远小于每个子空间的边长。一方面,由于子光程长度较短,可以有效降低由于一段子光程同时处于不同子空间而产生的误差；另一方面,通过消光系数的仿真结果可以发现,相邻子空间的消光系数差异并不大,所以这也进一步降低了透过率计算时的误差。

仿真条件设置如下:1)红外波长λ=10.6μm(m=1.178+0.071j),雾滴平均半径r=10μm,雾滴半径标准差取σ=1.10,雾滴密度取ρ=1g/cm3;水雾释放速率Q=20g/s;释放水雾时喷嘴口的雾滴喷出平均速度u=15m/s;有效高度h=0。2)水雾释放点分布于xoy平面,雾区体积为30m×5m×6m(长、宽、高),每个小正方体边长为0.25m,仿真时光程L分为k=1000段。

在所有参数设置相同的情况下,本文设置了四种水雾释放点排布方式,如图1所示。

1)X型:4个水雾释放点分布在矩形的四个角,第5个释放点位于在矩形中心。

2)十字型:4个水雾释放点分布在矩形每条边的中点,第5个释放点位于在矩形中心。

3)M型:3个水雾释放点位于矩形的底边,2个释放点位于矩形的顶边。

4)凸型:2个水雾释放点位于矩形的顶边,2个水雾释放点位于矩形的底边,1个释放点位于左边的中点。

图1　点源分布方式分类

从仿真结果(图2)可以看出,在所有排列方式中,X型分布(图2(a))的红外遮蔽效果最差,无论是α改变还是β改变,红外辐射的透过率都偏高,而且振荡的幅度较大,所以红外伪装效果较差。十字型分布方式(图2(b))较X型分布方式的遮蔽效果有了一定的提升,特别随着α的增加时,水雾透过率仍能保持在一个较低的水平,也就是说在相同条件下十字型分布方式较X型分布方式的遮蔽面积更大。M型水雾释放点分布方式(图2(c))的仿真结果,与其他排布方式最大的区别在于当α较大时,透过率仍能保持一个相对较低的水平,α的不断增大虽然可能导致透过率产生振荡现象,但这种振荡说明在某一特定角度范围内,水雾雾区仍有良好的遮蔽效果,这也是其他分部方式所无法做到的。凸型排布(图2(d))虽然与X型排布的仿真结果相类似,但是凸型排布与X型排布相比,凸型排布纵向遮蔽效果较好,但是横向遮蔽效果较差。总体来讲,凸型排布与M型排布相比,水雾的遮蔽效果并不令人满意。

图2　多点源释放水雾仿真结果

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

当取α=45°时,随着β的变化,红外辐射透过率的变化如表1所示。通过表1能够更加清晰地显示出M型排布方式较其他几种方式有着更加理想的红外辐射遮蔽效果。

总体来说,各种排列方式都存在随着角度变化水雾透过率会出现不同程度振荡情况,虽然改变水雾释放点的排布方式可以稍微降低这种影响,但在实际应用中仍需要注意水雾存在遮蔽盲区。

3　结束语

本文首先根据Mie散射理论与高斯扩散理论建立了水雾对红外遮蔽的仿真模型,然后对不同释放点排布方式的影响进行了仿真研究和简要的分析。所得结论对制定有效的红外对抗策略有一定的参考价值。

[1]Kurnick S W,Zitter R N,Williams D B.Attenuation of infrared radiation by fogs[J].JOSA,1960,50(6): 578.

[2]Carlon H R.Infrared emission by fine water aerosols and fogs[J].Applied optics,1970,9(9): 2000-2006.

[3]Al Naboulsi M.Fog attenuation prediction for optical and infrared waves[J].Optical Engineering,2004,43(2): 319-329.

[4]Wu Z S,Ren K F,Wang Y P.10.6 micron wave propagation in cloud,fog,and haze[J].International journal of infrared and millimeter waves,1990,11(4): 499-504.

[5]Chen Z,Li C,Zhang L,et al.Water spray parameters study with the minimum infrared transmission in the atmospheric windows[C].International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2011.International Society for Optics and Photonics,2011: 819314-819314-7.

[6]Chen Z,Zhang L,Liang C,et al.Stair phenomenon study in spectrum infrared transmission of water spray[C].ISPDI 2013-Fifth International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging.International Society for Optics and Photonics,2013: 89070V-89070V-9.

[7]Chen Z W,Liang X,Xu X H,et al.Infrared attenuation analysis of lognormal distribution water mist in the atmosphere windows[C].International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2009.International Society for Optics and Photonics,2009: 738337-738337-10.

[8]E.J.麦卡特尼.大气光学:分子和粒子散射[M].北京:科学出版社,1988:142-151.

[9]姚禄玖,高钧麟,肖凯涛,等.烟幕理论与测试技术[M].北京:国防工业出版社,2004:9-28.

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

徐东翔(1989-),男,山东青岛人,硕士,研究方向为红外仿真。

TJ630.3+4；E917

ADOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.05.014