单透向烟幕干扰材料及其干扰机理研究

封亚欧，朱晨光，谢 晓

（南京理工大学化工学院，江苏 南京，210094）

单透向烟幕干扰材料及其干扰机理研究

封亚欧，朱晨光，谢 晓

（南京理工大学化工学院，江苏 南京，210094）

基于二氧化硅（SiO2)具有良好的红外透光和散射性质，探索其在单向透射烟幕配方中的应用。基于米氏散射理论分析了烟幕云团具有单向透视性能的干扰机理。其次，利用OPAG33傅立叶变换红外遥测光谱仪测试含有不同晶型SiO2烟幕的红外透过率。结果表明：SiO2可以作为中远距离的单向透射红外烟幕材料，在15m距离内，当烟幕位置发生变化时，红外透过率发生明显变化。说明SiO2粒子具有良好的前向散射性能，其衰减特性与粒子的粒径和形状有一定的关系。

烟幕；单向透视；透过率；散射；二氧化硅

烟幕是一种高效费比的伪装技术手段，也是光电对抗中最实用、最有效的手段之一[1]。传统的烟雾剂虽然在可见光和红外范围有着很好的保护作用，但是同时阻碍我方侦查仪器的检测。因此，在烟雾中我方可以有效地伪装或改变自己的方位，同时能够跟踪对手并且做出及时的反应非常重要。

国外关于单向可见烟幕有专利报道，Embury Jr[2]等发明了单向可见光烟幕，其实施方法是施放两层烟雾，使它们均与空气充分混合。第1层烟雾云团含有可见光吸收材料，如碳黑或石墨片等材料。第2层云团为含有一种白色的、无吸收性的可见烟雾，非吸收材料如二氧化钛或雾油。可见性仅存在于从第1层云团向第2层云团方向看时。利用该方法产生的烟幕不仅可以有效遮蔽自己目标，同时还可以使对方呈现单向透明性，便于我方能够随时掌握对方态势。但是实际应用中若两层云团混合后就没有单向可见光的效果。Josef Schneider[3]等设计出可遮蔽可见光，而在红外单向透射的复合型烟幕，研究结果表明分散粒子的粒径在5～50μm内特别适合红外光的散射。目前国内尚未见到涉及该领域的研究报道，笔者开展了单向透视烟幕的研究，既在没有干扰光源时，在红外波段表现为双向可视，而使用干扰光源时，对方借助红外探测仪无法观察到己方，我方的前视效果不受影响，可以容易检测到对方。

1 实验部分

1.1 试剂

镁粉（Mg)、六氯乙烷（C2Cl6AR）、乙醇(C2H5OH 99.9％ AR)、硝化棉（C12H16N4O18），国药集团化学试剂有限公司；酚醛树脂（C7H6O2），无锡新明化工有限公司；不同晶型的二氧化硅（SiO2），国药集团化学试剂有限公司；丙酮（C3H6O），上海凌峰化学试剂有限公司。

1.2 仪器

OPAG33傅立叶变换红外遥测光谱仪，分辨率优于1cm-1；波数精度优于0.03cm-1；检测光谱范围：中红外12 500～600cm-1；采样频率：最大扫描频率40kHz，模数转换96kHz。

1.3 配方的设计

产生的烟幕要满足单向红外透射烟幕的要求，既在可见光波段有很好的遮蔽性能，而在红外波段具有良好的透过性。因此，主要考虑无机散射粒子作为发烟剂的功能添加剂，如常见的玻璃、石英、碳酸钙等材料。经过一系列的筛选配方，最终实验确定Mg+ C2Cl6+酚醛树脂作为烟幕剂的主要配方，二氧化硅作为功能添加剂。实验中为了二氧化硅的有利分散和试验工作的开展，优先选择传统的燃烧模式来施放烟幕。为了SiO2在燃烧过程中更好地分散到烟幕当中，对其进行处理，最后设计正交试验，确定烟幕剂的配比。

1.4 实验方法

为了研究不同晶型SiO2的红外散射性能，同时消除吸收的影响，设计出仪器布局图，如图1所示。在中远距离上，倘若烟幕材料的前向折射率较大，使用球形烟幕粒子时，表现为良好的前向色散特性，这样距离仪器远的烟幕因为散射作用，光辐射强度衰减相对更多，从而在透过率谱图上直观看出前后的差距，进而确定不同晶型SiO2的红外散射性能，从而用于单向透射烟幕材料之中。

图1 仪器布局图Fig.1 The instrument layout

首先按照化学配比称量，采用干混的方式，药剂预混后，过90目的筛子使其混合均匀，称取一定质量的药剂压入到铁壳中[4]；再利用OPAG33光谱仪来测定烟幕在红外波段的衰减率。首先调整光谱仪和红外辐射光源光路并保持15m的距离，使仪器辐射峰值处于最大值，以测试烟幕在固定体积烟箱中的红外透过率；等烟幕分散均匀后，分别测试烟箱靠近红外辐射光源和光谱仪的辐射图（前后位置比值为1∶14，为了减少误差，需要多次测量取平均值)；对比前后谱图，并进行理论分析。

1.5 实验结果

图2为实验中测得的红外透过率谱图。正如配方设计的要求，烟幕在红外波段具有良好的透射性。由图2（a）可见不含有功能添加剂SiO2时，试样谱图不受烟幕箱位置改变的影响；在3～5μm波段内，只有图2（e）含有玻璃态石英的配方谱图差距明显；而在8～14μm波段内，除了图2（d）含有不定型石英的配方谱图没有差距外，烟幕箱位置的改变对其它配方透过率的影响较大，其中1 250目玻璃态的SiO2在3～5 μm和8～14μm谱图差值较为明显，差值约2.5％。

2 结果与讨论

实验结果表明，在烟幕云团浓度与厚度、光源与测试光谱仪位置固定的条件下，变换烟幕云团位置时透过率发生明显变化，烟幕云团越靠近测试光谱仪，显示透过率越高，烟幕云团越靠近光源，透过率越低。

烟幕是发烟剂产生大量的液体或固体微粒悬浮在空气中而生成的气溶胶体系，其辐射热量被气溶胶微粒通过吸收和散射作用而削弱，在保证外界条件不变的前提下，改变烟箱距离光谱仪和辐射光源的位置，则前后谱图出现差距，说明粒子对光产生的前向散射起到了主要作用。靠近辐射光源一方的烟幕，由于粒子的散射，使得一部分的能量不能被仪器检测到，其透过率低于靠近光谱仪的透过率。

注：图中A1～H1代表烟幕云团靠近红外辐射光源时烟幕的透过率，A2～H2代表烟幕云团靠近光谱仪时烟幕的透过率。图2 红外透过率谱图Fig.2 The spectra of infrared transmittance of smoke agents

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。为了直观地描述问题，引进尺寸因子a ：

式（1）中：λ为入射红外波长；r为粒子半径。

当烟幕粒径与入射波长相近时，粒子的散射服从米氏散射理论。均匀介质构成的单个球形粒子吸收、散射和消光截面，可以用米氏散射理论进行分析。米氏散射理论提供了复杂但非常通用的解，对于吸收和非吸收球形气溶胶粒子，从分子大小的粒子到用几何光学处理的大粒子都是有效的[5]。米氏散射有3个特点：散射光强与入射光波长的低次幂成反比；散射光是偏振光；散射光强度的角分布随w/λ而变，其前向散射加强，后向散射减弱。

结合上面分析，选用1 250目玻璃态的SiO2来进行理论分析，该粒子的半径r=10μm，目前大多数的观测仪器工作范围在3～5μm 、8～14μm波段内，为了方便分析，选用入射波长λ=10μm作为参考波长，则其尺寸因子a=6.28，粒子服从米氏散射，且其在特定波长下的复折射率为m(λ)=2.67-0.05 i。根据米氏散射经典理论，散射光垂直于散射面和平行于散射面的两个分量的振幅函数为[6-7]：

式（2）～（3）中：an，bn称为 Mie系数；πn和τn是与一阶n次第1类缔合勒让德函数Pn(1)cos(θ) 有关的函数，其表达式为：

式（2）～（7）中：

J（n+1）/2(z)和Y（n+1）/2(z)分别为半整数阶的第1类， 第2类贝塞尔函数。Pn(1)cos(θ)为一阶n次第1类缔合勒让德函数；Pn(cosθ)为第1类勒让德函数。在数值模拟过程中选取初始条件如下：

运用Matlab软件来求出an和bn、系数πn和τn，同时Mishchenko Michael I 在文献中给出了非偏振状态下散射相位函数的表达式：

带入相关参数得出其散射相位图，如图3所示，图3中0≤θ＜π/2为前向散射，π/2≤θ＜ π为后向散射，可以看出前向散射大于后向散射，为研究单向透射烟幕提供理论基础。

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

为了探索粒子的浓度对其散射性能是否有影响，在基础配方上增加1g的SiO2，研究发现随着烟幕浓度的提高，烟幕的透过率值降低幅度较小，但是其粒子的散射性能相对提高。由图2可见，随着SiO2从1g增加到2g，含有方石英烟幕的前后透过率差值在8～14 μm波段内从2％增加到5％，而含磷石英烟幕的透过率差值由1％增加到2.5％；含有玻璃态石英的烟幕随着浓度的提高，在3～5μm波段内差值由2.5％变为5％，8～14μm波段内差值由2.5％变为3％。

由以上分析可知，烟幕云团含有适当晶型和尺寸的石英粒子时会产生前向散射，并且按照一定的散射角呈现规律性发散。由于烟幕云团靠近我方，能量分散尚未展开，敌方装备尚能成像；而敌方距离烟幕云团较远，相对能量分散大。特别是外加干扰光源时，照亮了敌方，暗藏了自己，敌方对我方装备的探测难度必然加大。

3 结论

本文基于烟幕对红外能量的散射衰减机理。结合米氏散射相关理论，从散射角度分析了粒子的前向红外散射机理，研究了单向透射烟幕形成机理。得出以下结论：（1）通过MATALAB软件，对于粒径为10μ m的SiO2进行理论计算，结果表明其前向散射强度高于后向散射，在中远距离范围内，由于粒子的散射而影响其衰减程度，进而验证了当粒子尺寸参数符合米氏散射时，通过改变烟箱测量位置，辐射源透过率会出现变化。（2） 玻璃态石英的红外散射性能优于方石英、磷石英，其烟幕材料的前向折射率较大，表现为良好的前向散射特性，可以用于中远距离的红外单向透射烟幕配方。

[1]张冬梅,赵升红,乔衍华,等.国外军用烟幕隐身剂的现状和发展[J].红外技术,2008,30(7):376-383.

[2]Josef Schneider, Ernst-Christian Koch, Axel Dochanhl. Method of producing a screening smoke which is one-way transparent in the infrared spectrum:US,6484640[P].2002- 11-26.

[3]Janon F.Embury,Jr. Towson, Md. Method for creating a one way visible screening smoke:US 5682010[P].1997-10-28.

[4]Chenguang Zhu, Chungen Xu, Rui Xue. Study of the spatial distribution of burning particles in a pyrotechnic flame based on particle velocity[J].Journal of Energetic Materials,2014(4):252- 263.

[5]付伟.烟幕技术及其发展现状[J].军用光学仪器与技术，2002(1):28-31.

[6]袁易君,任德明,胡孝勇.Mie 理论递推计算散射相位函数[ J].光散射学报,2006 ,17(4):366-371 .

[7]王莲芬．球形粒子对平面偏振光散射的数值计算与分析[J].光电工程,2008,35(9):66-69.

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

封亚欧（1990 -），男，在读硕士研究生，主要从事单透向烟幕材料研究。

国家自然科学基金资助（51076066,51506222）。