金良安 王吉心 遲 衛(wèi) 苑志江

（海軍大連艦艇學院航海系，遼寧大連116018）

艦船泡沫-水兩用幕的電磁波干擾特性研究

金良安 王吉心 遲 衛(wèi) 苑志江

（海軍大連艦艇學院航海系，遼寧大連116018）

針對泡沫型干擾幕難以同時滿足留空時間長和施放距離遠這兩大關鍵指標，且易受風、雨等影響的固有不足，提出了艦船泡沫水兩用幕（Foam-Water Dual-Purpose Curtain，F(xiàn)WDC）干擾技術.利用艦船水幕系統(tǒng)的現(xiàn)有管系，通過在其水泵后并入特定的泡沫化模塊，既可生成泡沫幕籠罩艦船以干擾電磁波的傳播，也可直接施放傳統(tǒng)水幕.實驗結(jié)果表明：FWDC可有效干擾多波段電磁波，且氣體含量越高時干擾效果越明顯（可見光、紅外、毫米波與微波在干擾前后的輻射強度之比T最低達18.1%、0.7%，18.6%和28.8%），有效干擾的時間也越長（停止施放1min后T最低仍可達69.0%、23.0%、66.1%和75.8%），證明了艦船利用FWDC進行多波段干擾這一技術的可行性和高效性.研究結(jié)論可為艦船多波段干擾技術的進一步豐富完善以及相應裝備的研制提供必要的理論基礎和實驗依據(jù).

多波段干擾；泡沫水兩用幕；實驗；泡沫

Key words multi-band Interference；foam-water dual-purpose curtain；experiment；foam

引 言

同時可以高效干擾可見光、紅外、激光和雷達的多波段（全波段）干擾技術，一直是軍事科技研究中的熱點和難點［1］.雖然研究的投入很大，近來也相繼出現(xiàn)了可燃組合型多波段遮蔽煙幕、Sibyl組合型多波段反艦導彈誘餌系統(tǒng)、微波紅外復合箔條和組合型多波段艦外干擾誘餌彈、不可燃組合型多波段遮蔽煙幕、成像化假目標等多種組合式多波段干擾技術［1－6］，以及通過撒布多種尺寸粒子來同時達到對可見光、紅外、毫米波干擾的多波段煙霧劑等非組合式多波段干擾技術［7］，但上述技術普遍存在有效作用時間短、難以實現(xiàn)真正意義上的多波段干擾等“瓶頸”問題［1］.泡沫型干擾幕［8－9］這一新型多波段無源干擾技術，以其可同時高效干擾激光、可見光（含電視成像）、點源紅外、成像紅外、毫米波、厘米波等各種常用頻段電磁波，且有效干擾時間長、環(huán)境友好的特性，使得它有效地克服了現(xiàn)有主要多波段干擾技術普遍存在的有效干擾時間過短、難以滿足現(xiàn)代寬譜干擾需求、對環(huán)境往往具有嚴重污染等明顯不足，充分顯示了對其進行深入研究的巨大價值.然而，泡沫自身密度低、易破碎的材料特性決定了其留空時間與施放距離兩個指標難以同時滿足，同時其施放效果受氣象條件，如風速、降雨等因素的強烈影響，大大限制了泡沫幕的戰(zhàn)術應用.

鑒于此，本文提出基于艦船水幕系統(tǒng)施放大范圍、高強度、受氣象條件影響更小的泡沫-水兩用幕（Foam-Water Dual-Purpose Curtain，F(xiàn)WDC）干擾技術思想，通過理論分析與實驗研究其電磁波干擾特性，旨在為艦船多波段干擾技術發(fā)展提供相應的理論和實驗基礎.

1 FWDC干擾原理

FWDC利用泡沫幕的多波段干擾特性［8－9］和艦船水幕系統(tǒng)管路廣泛分布［10－11］的天然優(yōu)勢，通過并入泡沫生成模塊而在全艦或局部范圍形成泡沫幕干擾電磁波的傳播，也可以施放水幕實現(xiàn)防光輻射等水幕系統(tǒng)的固有功能.

1.1 FWDC干擾技術基礎

泡沫型干擾幕由漂浮于空中的大量泡沫滴和附著于目標上方的膜狀泡沫層組成.由于泡沫中氣體以氣泡形式分散在液體中，形成具有復雜氣液界面的分散體系［12］，使得電磁波在穿過泡沫幕時不可避免地在上述界面發(fā)生極為復雜的折射、反射、全反射、散射、色散與吸收等現(xiàn)象，導致能夠穿透泡沫幕層并沿原方向傳播的電磁波能量大大衰減，這一效應被稱為泡沫幕干擾電磁波傳播的透射銳減作用［2］.

顯然，泡沫幕的宏觀厚度越厚、空中泡沫滴的數(shù)量越多、泡沫內(nèi)部包含的氣液界面數(shù)越多，其透射銳減作用就越強，對電磁波的干擾效果也就越好.

艦船水幕系統(tǒng)是一種能產(chǎn)生細微水流籠罩本艦船甲板和上層建筑的噴水系統(tǒng)，其主要由消防泵、供水管路和噴頭構(gòu)成［10］.作為三防系統(tǒng)的一部分，水幕系統(tǒng)廣泛裝備于各型艦船，其管路和噴頭分布于艦船表面各處，形成的水幕可以有效覆蓋艦船絕大部分區(qū)域，對戰(zhàn)時提高艦船生命力有重要作用［11］.1.2 FWDC干擾技術思想的提出

盡管泡沫型干擾幕具有優(yōu)良的電磁波干擾效果，然而其需要專門的裝置生成與施放［1，8］，因而該裝置的數(shù)量和位置決定了其作用的范圍；同時，泡沫留空時間越長，則需要其密度越小、受空氣曳力［13］影響越大，而這大大限制了泡沫幕的施放距離，并且更易受氣象因素，如風、雨的影響.鑒于上述問題，我們提出了泡沫-水兩用幕干擾技術思想：通過在水幕系統(tǒng)管路中并入泡沫生成模塊，將所產(chǎn)生的泡沫經(jīng)水幕系統(tǒng)管路向全艦各處輸送，由水幕噴頭施放而迅速形成大范圍泡沫幕覆蓋艦船表面，對電磁波的傳播產(chǎn)生強烈干擾［14－15］，或者飄離艦船形成假目標干擾［16］，也可以關閉泡沫生成模塊以施放純水幕.

在泡沫生成模塊中，通過多種添加劑的配方和原料配比控制，可依環(huán)境條件和所干擾波段而生成特定性能的泡沫.由于FWDC主要原料來自取之不竭的天然海水與空氣，并且系統(tǒng)動力由艦船直接供應，可以確保泡沫幕具有足夠的的施放強度和持續(xù)時間.由艦船持續(xù)施放的FWDC顯然受風、雨等天氣條件的影響更小、環(huán)境適應性更強，并且FWDC由艦船全角度施放的特性使得其對不同探測方向的電磁波均可形成有效干擾.

1.3 FWDC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

FWDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要包含水幕系統(tǒng)和泡沫生成模塊（圖中虛線部分）.其中，水幕系統(tǒng)由水泵、水幕管路、水幕噴頭等組成；泡沫生成模塊由混合器、壓縮氣瓶、添加劑、相應管路和控制閥門共同組成，并入水幕管路中.

當啟用FWDC系統(tǒng)時，海水、壓縮氣體和不同種類的添加劑依特定的配方和比例在混合器中混合生成泡沫，使用時視情況開啟局部或全艦水幕管路，即可由相應的水幕噴頭噴出而在探測方向上形成泡沫幕干擾多波段電磁波的傳播；當關閉泡沫生成模塊時，F(xiàn)WDC系統(tǒng)可施放水幕，實現(xiàn)水幕系統(tǒng)的原有功能.

2 原理性驗證實驗

2.1 實驗原理與方法

以如圖2所示的裝置生成FWDC，施放至一有機玻璃材質(zhì)的透明隔板，并以白光、650nm、532nm和405nm激光、8～14μm紅外線、3mm、8mm和3cm電磁波輻射源測量FWDC的電磁波干擾特性.

如圖2所示，在連接水泵的管路中并入連有空壓機的泡沫混合器，將預先添加0.5%體積陰離子表面活性劑的實驗用水經(jīng)水泵輸入，同時開啟空壓機，調(diào)節(jié)不同的水流量和空氣流量以生成特定的FWDC，經(jīng)由水幕噴頭施放至有機玻璃隔板，后者用以模擬艦船甲板.將電磁波輻射源與相應的傳感器分別置于隔板兩側(cè)，測量經(jīng)FWDC干擾后的電磁波輻射強度與未干擾時的強度之比記作輻射強度比T／%.

實驗中調(diào)節(jié)氣體含量ρ（即氣體體積／泡沫體積）為0%、50%和67%，測量FWDC施放1min內(nèi)的T值，繼而停止施放FWDC并在1min內(nèi)繼續(xù)測量T隨時間的變化規(guī)律.

2.2 實驗結(jié)果

FWDC干擾白光T隨施放時間t變化關系如圖3所示，紅外輻射溫度W隨t變化關系如圖4所示.

由于紅外傳感器測得的輻射強度為FWDC自身輻射與透射的疊加，由斯蒂芬-波爾茲曼定律，輻射強度M與其絕對溫度WA／K的關系服從

式中：σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；ε為熱源的發(fā)射率.則T近似為

式中：WB、W0與Wt分別為背景水溫、0時刻與t時刻所測得的目標絕對溫度.如在ρ＝67%組中：t＝60s，F(xiàn)WDC穩(wěn)定施放時WB＝287.1K，W60＝287.9K，計算可得T60＝0.7%；t＝120s時W120＝311.1K，T120＝23.0%.

激光、毫米波與微波輻射下T的變化趨勢與圖3相似，均在t≥10s后即大幅降低，而在FWDC停止施放后明顯回升.各波段下穩(wěn)定施放時T60和停止施放后1min的T120值列于表1.

2.3 分析與討論

各組實驗中，T均隨t的增加而迅速降低，約在t＝10s時即達到穩(wěn)定狀態(tài)并一直保持在該數(shù)值附近，直到停止施放后，T明顯提高.ρ越高則FWDC穩(wěn)定施放時T值越低、停止施放后干擾效果維持的時間越長、相同時間后T值越低.

上述現(xiàn)象是因為FWDC施放時，在電磁波傳播路徑上大量泡沫滴／液滴具有的復雜氣液界面使電磁波發(fā)生強烈散射，并且由于電磁波在液層內(nèi)部的多次反射而大大增加其在液相介質(zhì)的傳播距離，導致吸收衰減而使穿過FWDC沿原方向傳播的輻射強度急劇下降.FWDC降落至透明隔板表面形成一定堆積厚度的泡沫或液膜，其中ρ越高，泡沫層越厚，對電磁波的傳播干擾更強，使得T值更小.當停止施放FWDC后，泡沫或液膜依然存留在隔板上，而ρ越高存留的泡沫層越厚，泡沫流失和氣泡破裂、聚并越慢，故ρ＝0時液膜極薄并迅速流失，T立即回升至100%；ρ為50%和67%時，T逐漸回升，且ρ＝67%時T回升更慢，相同時刻T更低.

由表1可知，相同ρ值的FWDC對不同波段電磁波的T值亦有所不同，可見光波段的激光波長λ的變化對T的影響并不明顯，而在毫米波和微波波段隨著λ的提高，T有較明顯的提高，這是由于電磁波散射理論，施放于空中的泡沫滴／液滴直徑d明顯小于λ時，其對電磁波的干擾效果隨長徑比λ／d的增大而迅速減小，相比之下隔板表面的層狀泡沫對電磁波干擾效果改變較小，因而總體表現(xiàn)出T隨λ的增加而呈一定程度的提高.

紅外干擾實驗中由于FWDC對熱源的直接接觸產(chǎn)生熱交換，因而輻射溫度W隨時間的變化趨勢與其他各組實驗中T的變化相比有一定滯后.同時由于熱交換使得FWDC可以直接給目標表面降溫，且水和表面活性劑的分子振動對紅外線造成強烈的吸收，因而經(jīng)計算T最低達到0.7%，遠低于其他波段電磁波的T值.

3 結(jié) 論

鑒于現(xiàn)有泡沫型干擾幕技術難以同時滿足留空時間長和施放距離遠這兩大關鍵指標，且易受風、雨等影響的固有不足，提出了基于水幕系統(tǒng)的艦船泡沫-水兩用幕FWDC干擾技術思想，并通過實驗證實了這一技術可行性和高效性.結(jié)果表明施放FWDC對白光，可見光波段激光，8～14μm紅外線，3mm、8mm和3cm波等波段電磁波均可迅速形成干擾.

綜合本文分析可知：

1）實驗范圍內(nèi)ρ越高，施放FWDC使T降低的幅度越大，干擾效果越明顯.

2）實驗范圍內(nèi)ρ越高，當停止施放FWDC后，干擾作用維持的時間越長、干擾效果越好.

3）可見光波長λ的變化對T并無明顯影響，而毫米波和微波波段內(nèi)T隨λ的增加而明顯提高.

4）由于FWDC對紅外線的強烈吸收，以及直接接觸紅外熱源而傳熱降溫，使得FWDC的紅外干擾效果優(yōu)于其他波段電磁波.

當然，所得出的施放FWDC氣體含量越高則干擾效果越好、持續(xù)時間越長等結(jié)論，主要是表明了原理的可行性，而具體的工程應用，如FWDC泡沫化模塊的形狀與尺寸參數(shù)、水幕系統(tǒng)工況、添加劑組分與配比等因素對干擾效果的影響等問題，仍有待于后續(xù)的深入研究.

［1］ 金良安，王孝通，付建國，等.泡沫型干擾幕及其多波段干擾特性研究［J］.兵工學報，2006（2）：248-251.JIN Liang’an，WANG Xiaotong，F(xiàn)U Jianguo，et al.Study on special foam screen and its multi-band interfering performance［J］.Acta Armamentarii，2006（2）：248-251（in Chinese）

［2］ 喬小晶，王長福，任 慧.新概念無源干擾技術［J］.火工品，2001（1）：47-49.QIAO Xiaojing，WANG Changfu，REN Hui.New passive disturbing techniques［J］.Initiators ＆Pyrotechnic，2001（1）：47-49.（in Chinese）

［3］ 郝太吉.國外抗紅外發(fā)煙劑［J］.特種彈藥，1991（1）：24-28.HAO Taiji.Smoke chemicals of disturbing IR［J］.Special Ammunition，1991（1）：24-28.（in Chinese）

［4］ GIGLIA R D.Radar and Infared-detectable Structural Simulation Decoy：US，5092244［P］.1992.

［5］ EMBURY J F Jr.Method for Creating a One Way Visible Screening Smoke：US，5682010［P］.1997.

［6］ STEVENS W C，STURM E A.Metal-coated Substrate Articles Responsive to Electromagnetic Radiation，and Method of Making and Using the Same：US，6017628［P］.2000.

［7］ KRONE U.Pyrotechnic Smoke Generator for Camouflage Purposes［R］.DE4337071，1995：1-10.

［8］ 金良安，王孝通，童幼堂，等.基于特種泡沫云的紅外／毫米波復合制導干擾技術研究［J］.紅外與毫米波學報，2004，23（6）：413-417.JIN Liang’an，WANG Xiaotong，TONG Youtang，et al.New disturbing technique based on foam screen to IR／MMW guidance［J］.J Infrared Millim Wave，2004，23（6）：413-417.（in Chinese）

［9］ 金良安，王孝通，楊常清，等.泡沫型干擾幕的光學衰減性能研究［J］.光學學報，2005，25（2）：237-240.JIN Liang’an，WANG Xiaotong，YANG Changqing，et al.Study on optics attenuation with foam interfering screens［J］.Acta Optics Sinica，2005，25（2）：237-240（in Chinese）

［10］ 黃清談.中國軍事百科全書：軍事技術［M］.北京：軍事科學出版社，1997：530.

［11］ 胡建軍，寧紅兵.艦艇水幕系統(tǒng)及其戰(zhàn)術運用［J］.海軍軍事學術，2011（5）：32-33.HU Jianjun，NING Hongbing.Warship water curtain system and its tactical application［J］.Naval Military Academic，2011（5）：32-33.（in Chinese）

［12］ DURIAN D J，WEITZ D A，PINE D J.Multiple light-scattering probes of foam structure and dynamics［J］.Science，1991，252（5006）：686-688.

［13］ 戴干策，陳敏恒.化工流體力學［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

［14］ 陳嘉琪，陳如山，彭 華，等.降雨粒子電磁特性分析及雨區(qū)目標成像［J］.電波科學學報，2011，26（5）：888-893.CHEN Jiaqi，CHEN Rushan，PENG Hua，et al.A-nalysis of electromagnetic properties of precipitation particle and imaging simulation of target in rainfall environment［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，26（5）：888-893.（in Chinese）

［15］ 丁大志，沈 鵬，陳如山，等.降雨粒子群散射特性的高效分析［J］.電波科學學報，2012，27（1）：30-36 DING Dazhi，SHEN Peng，CHEN Rushan，et al.E-lectromagnetic scattering of precipitation particle group［J］.Chinese Journal of Radio Science，2012，27（1）：30-36（in Chinese）

［16］ 劉業(yè)民，劉 忠，代大海，等.散射波干擾對合成孔徑雷達成像干擾效果的分析［J］.電波科學學報，2011，26（2）：400-405.LIU Yemin，LIU Zhong，DAI Dahai，et al.Analysis of jamming effect on scatter wave jamming to SAR imaging［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，26（2）：400-405（in Chinese）

Interfering features of foam-water dual-purpose curtain for warship

JIN Liang’an WANG Jixin CHI Wei YUAN Zhijiang
（Dept of Navigation，Dalian Naval Academy，Dalian Liaoning116018，China）

A water curtain system based foam-water dual-purpose curtain（FWDC）approach was put forward to solve the problems of conventional foam interfering screens，such as the contradictory indexes of its firing range and floating time，and the influence by wind and rain.FWDC was generated by a foam generator embedded water curtain system and transported through the piping system on warship.Foam curtain and water curtain could be discharged to cover the ship.Results show that FWDC is effective in interfering multi-band electromagnetic waves such as visible light，IR，MMW and CMW，etc.In our experiment，interfering effect of FWDC enhanced with the increase of gas content.Transmitted intensity ratio（T）of visible light，IR，MMW and CMW reach to 18.1%，0.7%，18.6%and 28.8%，and T remains 69.0%，23.0%，66.1% and 75.8%at 1min after ceased.FWDC was proved to be feasible and effective in multi-wave interference for ship.The research can offer theoretical and experimental basis for improving technique and equipment of interfere foam curtain.

TN972；U698

A

1005-0388（2015）01-0016-05

金良安 （1966－），男，浙江人，海軍大連艦艇學院教授，博士研究生導師，主要從事艦船安全保障與防護技術研究.

王吉心 （1986－），男，遼寧人，海軍大連艦艇學院交通信息工程及控制專業(yè)博士研究生，主要從事艦船安全保障與防護技術研究.

遲 衛(wèi) （1962－），男，遼寧人，海軍大連艦艇學院教授，博士研究生導師，主要從事艦船安全保障與防護技術研究.

金良安，王吉心，遲 衛(wèi)，等.艦船泡沫-水兩用幕的電磁波干擾特性研究［J］.電波科學學報，2015，30（1）：16-20.

10.13443／j.cjors.2014032401

JIN Lianig’an，WANG Jixin，CHI Wei，et al.Interfering features of foam-water dual-purpose curtain for warship［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（1）：16-20.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014032401

2014-03-24

聯(lián)系人：金良安E-mail：jinliangan＠163.com