封亞歐，朱晨光，謝 曉

（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094）

單透向煙幕干擾材料及其干擾機(jī)理研究

封亞歐，朱晨光，謝 曉

（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094）

基于二氧化硅（SiO2)具有良好的紅外透光和散射性質(zhì)，探索其在單向透射煙幕配方中的應(yīng)用?；诿资仙⑸淅碚摲治隽藷熌辉茍F(tuán)具有單向透視性能的干擾機(jī)理。其次，利用OPAG33傅立葉變換紅外遙測(cè)光譜儀測(cè)試含有不同晶型SiO2煙幕的紅外透過(guò)率。結(jié)果表明：SiO2可以作為中遠(yuǎn)距離的單向透射紅外煙幕材料，在15m距離內(nèi)，當(dāng)煙幕位置發(fā)生變化時(shí)，紅外透過(guò)率發(fā)生明顯變化。說(shuō)明SiO2粒子具有良好的前向散射性能，其衰減特性與粒子的粒徑和形狀有一定的關(guān)系。

煙幕；單向透視；透過(guò)率；散射；二氧化硅

煙幕是一種高效費(fèi)比的偽裝技術(shù)手段，也是光電對(duì)抗中最實(shí)用、最有效的手段之一[1]。傳統(tǒng)的煙霧劑雖然在可見(jiàn)光和紅外范圍有著很好的保護(hù)作用，但是同時(shí)阻礙我方偵查儀器的檢測(cè)。因此，在煙霧中我方可以有效地偽裝或改變自己的方位，同時(shí)能夠跟蹤對(duì)手并且做出及時(shí)的反應(yīng)非常重要。

國(guó)外關(guān)于單向可見(jiàn)煙幕有專利報(bào)道，Embury Jr[2]等發(fā)明了單向可見(jiàn)光煙幕，其實(shí)施方法是施放兩層煙霧，使它們均與空氣充分混合。第1層煙霧云團(tuán)含有可見(jiàn)光吸收材料，如碳黑或石墨片等材料。第2層云團(tuán)為含有一種白色的、無(wú)吸收性的可見(jiàn)煙霧，非吸收材料如二氧化鈦或霧油。可見(jiàn)性僅存在于從第1層云團(tuán)向第2層云團(tuán)方向看時(shí)。利用該方法產(chǎn)生的煙幕不僅可以有效遮蔽自己目標(biāo)，同時(shí)還可以使對(duì)方呈現(xiàn)單向透明性，便于我方能夠隨時(shí)掌握對(duì)方態(tài)勢(shì)。但是實(shí)際應(yīng)用中若兩層云團(tuán)混合后就沒(méi)有單向可見(jiàn)光的效果。Josef Schneider[3]等設(shè)計(jì)出可遮蔽可見(jiàn)光，而在紅外單向透射的復(fù)合型煙幕，研究結(jié)果表明分散粒子的粒徑在5～50μm內(nèi)特別適合紅外光的散射。目前國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到涉及該領(lǐng)域的研究報(bào)道，筆者開(kāi)展了單向透視煙幕的研究，既在沒(méi)有干擾光源時(shí)，在紅外波段表現(xiàn)為雙向可視，而使用干擾光源時(shí)，對(duì)方借助紅外探測(cè)儀無(wú)法觀察到己方，我方的前視效果不受影響，可以容易檢測(cè)到對(duì)方。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

鎂粉（Mg)、六氯乙烷（C2Cl6AR）、乙醇(C2H5OH 99.9％ AR)、硝化棉（C12H16N4O18），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；酚醛樹(shù)脂（C7H6O2），無(wú)錫新明化工有限公司；不同晶型的二氧化硅（SiO2），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；丙酮（C3H6O），上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器

OPAG33傅立葉變換紅外遙測(cè)光譜儀，分辨率優(yōu)于1cm-1；波數(shù)精度優(yōu)于0.03cm-1；檢測(cè)光譜范圍：中紅外12 500～600cm-1；采樣頻率：最大掃描頻率40kHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換96kHz。

1.3 配方的設(shè)計(jì)

產(chǎn)生的煙幕要滿足單向紅外透射煙幕的要求，既在可見(jiàn)光波段有很好的遮蔽性能，而在紅外波段具有良好的透過(guò)性。因此，主要考慮無(wú)機(jī)散射粒子作為發(fā)煙劑的功能添加劑，如常見(jiàn)的玻璃、石英、碳酸鈣等材料。經(jīng)過(guò)一系列的篩選配方，最終實(shí)驗(yàn)確定Mg+ C2Cl6+酚醛樹(shù)脂作為煙幕劑的主要配方，二氧化硅作為功能添加劑。實(shí)驗(yàn)中為了二氧化硅的有利分散和試驗(yàn)工作的開(kāi)展，優(yōu)先選擇傳統(tǒng)的燃燒模式來(lái)施放煙幕。為了SiO2在燃燒過(guò)程中更好地分散到煙幕當(dāng)中，對(duì)其進(jìn)行處理，最后設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，確定煙幕劑的配比。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

為了研究不同晶型SiO2的紅外散射性能，同時(shí)消除吸收的影響，設(shè)計(jì)出儀器布局圖，如圖1所示。在中遠(yuǎn)距離上，倘若煙幕材料的前向折射率較大，使用球形煙幕粒子時(shí)，表現(xiàn)為良好的前向色散特性，這樣距離儀器遠(yuǎn)的煙幕因?yàn)樯⑸渥饔?，光輻射?qiáng)度衰減相對(duì)更多，從而在透過(guò)率譜圖上直觀看出前后的差距，進(jìn)而確定不同晶型SiO2的紅外散射性能，從而用于單向透射煙幕材料之中。

圖1 儀器布局圖Fig.1 The instrument layout

首先按照化學(xué)配比稱量，采用干混的方式，藥劑預(yù)混后，過(guò)90目的篩子使其混合均勻，稱取一定質(zhì)量的藥劑壓入到鐵殼中[4]；再利用OPAG33光譜儀來(lái)測(cè)定煙幕在紅外波段的衰減率。首先調(diào)整光譜儀和紅外輻射光源光路并保持15m的距離，使儀器輻射峰值處于最大值，以測(cè)試煙幕在固定體積煙箱中的紅外透過(guò)率；等煙幕分散均勻后，分別測(cè)試煙箱靠近紅外輻射光源和光譜儀的輻射圖（前后位置比值為1∶14，為了減少誤差，需要多次測(cè)量取平均值)；對(duì)比前后譜圖，并進(jìn)行理論分析。

1.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2為實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的紅外透過(guò)率譜圖。正如配方設(shè)計(jì)的要求，煙幕在紅外波段具有良好的透射性。由圖2（a）可見(jiàn)不含有功能添加劑SiO2時(shí)，試樣譜圖不受煙幕箱位置改變的影響；在3～5μm波段內(nèi)，只有圖2（e）含有玻璃態(tài)石英的配方譜圖差距明顯；而在8～14μm波段內(nèi)，除了圖2（d）含有不定型石英的配方譜圖沒(méi)有差距外，煙幕箱位置的改變對(duì)其它配方透過(guò)率的影響較大，其中1 250目玻璃態(tài)的SiO2在3～5 μm和8～14μm譜圖差值較為明顯，差值約2.5％。

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在煙幕云團(tuán)濃度與厚度、光源與測(cè)試光譜儀位置固定的條件下，變換煙幕云團(tuán)位置時(shí)透過(guò)率發(fā)生明顯變化，煙幕云團(tuán)越靠近測(cè)試光譜儀，顯示透過(guò)率越高，煙幕云團(tuán)越靠近光源，透過(guò)率越低。

煙幕是發(fā)煙劑產(chǎn)生大量的液體或固體微粒懸浮在空氣中而生成的氣溶膠體系，其輻射熱量被氣溶膠微粒通過(guò)吸收和散射作用而削弱，在保證外界條件不變的前提下，改變煙箱距離光譜儀和輻射光源的位置，則前后譜圖出現(xiàn)差距，說(shuō)明粒子對(duì)光產(chǎn)生的前向散射起到了主要作用。靠近輻射光源一方的煙幕，由于粒子的散射，使得一部分的能量不能被儀器檢測(cè)到，其透過(guò)率低于靠近光譜儀的透過(guò)率。

注：圖中A1～H1代表煙幕云團(tuán)靠近紅外輻射光源時(shí)煙幕的透過(guò)率，A2～H2代表煙幕云團(tuán)靠近光譜儀時(shí)煙幕的透過(guò)率。圖2 紅外透過(guò)率譜圖Fig.2 The spectra of infrared transmittance of smoke agents

煙幕微粒對(duì)紅外傳輸?shù)纳⑸渌p是煙幕微粒截獲入射紅外線能量形成次生波, 再向四周輻射, 從而使入射紅外在原傳輸方向上能量減少的一個(gè)過(guò)程。為了直觀地描述問(wèn)題，引進(jìn)尺寸因子a ：

式（1）中：λ為入射紅外波長(zhǎng)；r為粒子半徑。

當(dāng)煙幕粒徑與入射波長(zhǎng)相近時(shí)，粒子的散射服從米氏散射理論。均勻介質(zhì)構(gòu)成的單個(gè)球形粒子吸收、散射和消光截面，可以用米氏散射理論進(jìn)行分析。米氏散射理論提供了復(fù)雜但非常通用的解，對(duì)于吸收和非吸收球形氣溶膠粒子，從分子大小的粒子到用幾何光學(xué)處理的大粒子都是有效的[5]。米氏散射有3個(gè)特點(diǎn)：散射光強(qiáng)與入射光波長(zhǎng)的低次冪成反比；散射光是偏振光；散射光強(qiáng)度的角分布隨w/λ而變，其前向散射加強(qiáng)，后向散射減弱。

結(jié)合上面分析，選用1 250目玻璃態(tài)的SiO2來(lái)進(jìn)行理論分析，該粒子的半徑r=10μm，目前大多數(shù)的觀測(cè)儀器工作范圍在3～5μm 、8～14μm波段內(nèi)，為了方便分析，選用入射波長(zhǎng)λ=10μm作為參考波長(zhǎng)，則其尺寸因子a=6.28，粒子服從米氏散射，且其在特定波長(zhǎng)下的復(fù)折射率為m(λ)=2.67-0.05 i。根據(jù)米氏散射經(jīng)典理論，散射光垂直于散射面和平行于散射面的兩個(gè)分量的振幅函數(shù)為[6-7]：

式（2）～（3）中：an，bn稱為 Mie系數(shù)；πn和τn是與一階n次第1類締合勒讓德函數(shù)Pn(1)cos(θ) 有關(guān)的函數(shù)，其表達(dá)式為：

式（2）～（7）中：

J（n+1）/2(z)和Y（n+1）/2(z)分別為半整數(shù)階的第1類， 第2類貝塞爾函數(shù)。Pn(1)cos(θ)為一階n次第1類締合勒讓德函數(shù)；Pn(cosθ)為第1類勒讓德函數(shù)。在數(shù)值模擬過(guò)程中選取初始條件如下：

運(yùn)用Matlab軟件來(lái)求出an和bn、系數(shù)πn和τn，同時(shí)Mishchenko Michael I 在文獻(xiàn)中給出了非偏振狀態(tài)下散射相位函數(shù)的表達(dá)式：

帶入相關(guān)參數(shù)得出其散射相位圖，如圖3所示，圖3中0≤θ＜π/2為前向散射，π/2≤θ＜ π為后向散射，可以看出前向散射大于后向散射，為研究單向透射煙幕提供理論基礎(chǔ)。

圖3 r=10μm，m(λ)=2.67-0.05i的米氏散射相位函數(shù)Fig.3 Mie scattering phase function of r=10μm，m(λ)=2.67-0.05i

為了探索粒子的濃度對(duì)其散射性能是否有影響，在基礎(chǔ)配方上增加1g的SiO2，研究發(fā)現(xiàn)隨著煙幕濃度的提高，煙幕的透過(guò)率值降低幅度較小，但是其粒子的散射性能相對(duì)提高。由圖2可見(jiàn)，隨著SiO2從1g增加到2g，含有方石英煙幕的前后透過(guò)率差值在8～14 μm波段內(nèi)從2％增加到5％，而含磷石英煙幕的透過(guò)率差值由1％增加到2.5％；含有玻璃態(tài)石英的煙幕隨著濃度的提高，在3～5μm波段內(nèi)差值由2.5％變?yōu)?％，8～14μm波段內(nèi)差值由2.5％變?yōu)?％。

由以上分析可知，煙幕云團(tuán)含有適當(dāng)晶型和尺寸的石英粒子時(shí)會(huì)產(chǎn)生前向散射，并且按照一定的散射角呈現(xiàn)規(guī)律性發(fā)散。由于煙幕云團(tuán)靠近我方，能量分散尚未展開(kāi)，敵方裝備尚能成像；而敵方距離煙幕云團(tuán)較遠(yuǎn)，相對(duì)能量分散大。特別是外加干擾光源時(shí)，照亮了敵方，暗藏了自己，敵方對(duì)我方裝備的探測(cè)難度必然加大。

3 結(jié)論

本文基于煙幕對(duì)紅外能量的散射衰減機(jī)理。結(jié)合米氏散射相關(guān)理論，從散射角度分析了粒子的前向紅外散射機(jī)理，研究了單向透射煙幕形成機(jī)理。得出以下結(jié)論：（1）通過(guò)MATALAB軟件，對(duì)于粒徑為10μ m的SiO2進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果表明其前向散射強(qiáng)度高于后向散射，在中遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)，由于粒子的散射而影響其衰減程度，進(jìn)而驗(yàn)證了當(dāng)粒子尺寸參數(shù)符合米氏散射時(shí)，通過(guò)改變煙箱測(cè)量位置，輻射源透過(guò)率會(huì)出現(xiàn)變化。（2） 玻璃態(tài)石英的紅外散射性能優(yōu)于方石英、磷石英，其煙幕材料的前向折射率較大，表現(xiàn)為良好的前向散射特性，可以用于中遠(yuǎn)距離的紅外單向透射煙幕配方。

[1]張冬梅,趙升紅,喬衍華,等.國(guó)外軍用煙幕隱身劑的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].紅外技術(shù),2008,30(7):376-383.

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Study on Jamming Mechanism and Performance of Interference Materials with One-way Transparency

FENG Ya-ou , ZHU Chen-guang，XIE Xiao
(School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science & Technology，Nanjing，210094 )

Based on the good infrared transmission and scattering properties of SiO2, the application of SiO2to the interference material with one-way transparency was investigated. According to Mie′s scattered light theory, the interference mechanism of the smoke cloud with a one-way transparency is analyzed. OPAG 33 Fourier transform infrared spectrometer telemetry was used to detect the transmittance of smoke screen, which were placed in different positions. The experimental results show that SiO2can be used as the infrared smoke screen, which is one-way transparent in the infrared spectrum material at long-range. Within 15 meters range, when the smoke position is changed, the transmittance spectra is different, which shows the particles of SiO2have good scattering properties, its scattering characteristics are related with size and shape of particles.

Smoke screen；One-way transparent；Transmittance；Scattering；Silicon dioxide

TQ567.5

A

1003-1480（2016）06-0040-04

2016-07-18

封亞歐（1990 -），男，在讀碩士研究生，主要從事單透向煙幕材料研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助（51076066,51506222）。