摘 要:烟幕对红外成像制导系统有较好的干扰效果,研究烟幕对于对抗红外成像制导具有重要的现实意义。本文主要对红外烟幕的消光机理进行了分析,并对消光性能进行了理论计算。
关键词:烟幕;消光机理;消光性能;理论计算
Abstrac:Smoke screen has a good jamming effectiveness to infrared imaging guided system, it is important signification to study smoke screen to against infrared imaging system.In this paper,the extinction mechanism of Infrared Smoke Screen to Light is mainly analyzed,as well as theoretical calculation the capability of extinction.
Key words:smoke screen;extinction mechanism;capability of extinction; theoretical calculation
1 引言
随着红外器件技术的不断发展,红外侦察和红外制导技术得到了越来越广泛的应用。在红外制导方面,红外成像制导由于其分辨率高和抗干扰能力强而倍受重视,各国竞相将这一技术应用于精确制导武器。另外,工作在红外波段的激光侦察和制导装备也得到迅速发展。因此,红外与激光探测与制导,对军事目标构成了极大的威胁,尤其是对于固定目标或低速运动的目标,只要被发现就意味着要被摧毁,因此对抗红外成像与激光探测与制导,对于防御的一方来说,是一个紧迫的课题,红外烟幕是对抗红外成像与激光探测和制导的比较有效的方法,对保护目标具有特别重要的意义。 红外烟幕的消光机理分析 烟幕对光信号的衰减也叫消光,消光是由烟幕中的颗粒对光能量的吸收和散射而形成的。
2.1 烟幕对红外线的吸收衰减机理
烟幕对红外线的吸收实际上是将入射红外能量转化为颗粒其它形式能量(如热能、化学能等)的一个过程。
与其他物质一样,烟幕颗粒是由大量的分子构成的,根据量子理论,分子的总能量可以写成
其中、和分别表示运动能量、分子振动能量和分子转动能量;、和分别表示电子运动与分子振动、电子运动与分子转动以及分子振动与分子转动之间互相作用的能量。由于电子运动速度比分子振动和转动的速度大得多,因此在电子运动的某一个瞬间,可以把原子核看成静止的,也就是说,电子运动与分子振动和转动之间的互相作用能量也很小。同样,分子振动比转动速度也大得多,因而它们之间的相互作用能量也很小。我们把项并入中,和项并入中,则可将分子总能量简单地写成,这里、和分别表示包含了相互作用的电子运动、分子振动和分子转动能量。通常有。当分子的能量状态发生改变时,将吸收或发射电磁辐射,该辐射的频率为其中h为Planck常数。
通常为几到十几电子伏特,通常为电子伏特,约为电子伏特,因此分子的电子—振动—转动光谱通常在可见或紫外区,分子的转动—振动光谱通常红外区,而分子的转动光谱通常在红外和微波区。
当红外光入射到烟幕颗粒上时,烟幕物质的分子转动—振动跃迁能量如果与入射的能量相当,则会引起对入射红外线的吸收。因吸收而引起的衰减服从 Beer 定律,即:
式中:τ为烟幕的红外透过率,为烟幕的吸收消光系数,c为烟幕的质量浓度,dl为烟幕的单元厚度。这就是烟幕吸收红外线的机理。 烟幕对红外线的散射衰减机理 烟幕微粒对红外传输的散射衰减是烟幕微粒截获入射红外线能量形成次生波,再向四周辐射,从而使入射红外在原传输方向上能量减少的一个过程。影响烟幕微粒散射的因素很多,如烟幕微粒的数密度越多,消光性能越好,能直接透过的红外线就越少,就越难看清目标。另外,还取决于烟幕微粒的大小,因为烟幕微粒的大小不一样,烟幕微粒对红外传输的散射衰减服从的微观规律就会有所不同,这又分为以下三种情况:为了描述问题直观起见,引进一个尺寸因子 x:
式中:λ为入射红外的波长。
第一,当烟幕微粒半径远大于入射红外波长时,烟幕微粒使光的散射只发生反射和折射。即入射的红外,一部分由其烟幕微粒表面反射,另一部分被折射。由于烟幕微粒的大小和形状不同,使反射的角度和折射的方向也各不相同。因而可以说在这种条件下,散射强度随微粒的增大而减小。
第二,当烟幕微粒的尺寸很小时,通常指 x<0.3或 0.1 时,散射服从瑞利定律。由光的电磁场理论知道,此时散射强度与入射红外波长的四次方成反比。其散射效率因素为:
若用尺寸参数 x 表示,则:
式中:n 为烟幕微粒的折射率。
第三,当烟幕微粒的参数 x 在 1~20 范围时,散射服从米氏规律。米氏散射将烟幕微粒看作是电介质小球,它们在光波电磁场中发生极化而向外辐射电磁波。其特点是:散射光强不是与波长λ的四次方成反比,而是与λ的较低次幂成反比,因而,散射光强与红外波长关系不如瑞利散射那么密切。由于这种散射问题需要把麦克斯韦方程用于散射微粒之内和之外的介质中,并使其解在微粒的界面上一致,因此,其数值解非常复杂,我们仅对球形烟幕微粒的解作一下介绍。对折射率为 n 的微粒在折射率为1的介质中的衰减效率因素的解为:
式中:J(x)为贝塞尔函数,是包括微粒的吸收和散射在内的衰减系数。若折射率为实数,则 =。对于球形烟幕微粒,则可计算出烟幕微粒的消光系数为:
式中:ρ为烟幕微粒的密度。
3 烟幕消光性能的理论计算
3.1 问题简化
在二流解模型下,假设此烟幕为冷烟幕,即不考虑颗粒的发射,忽略烟幕自身的红外辐射对探测器和跟踪系统的影响,忽略各种环境对烟幕的影响,消光是由吸收和散射两种机制造成的,假设它们是互相独立的,并假设目标的辐射亮度与方位角无关。