赤磷发烟剂/铜粉及其复合烟幕对红外热像仪的干扰性能研究

邹佳歧，关 华

赤磷发烟剂/铜粉及其复合烟幕对红外热像仪的干扰性能研究

邹佳歧，关 华

( 南京理工大学化工学院，江苏 南京，210094）

为了提高赤磷发烟剂对远红外热像仪的干扰效果，选择赤磷发烟剂与铜粉发烟剂复合的方法，采用SC7000远红外热像仪在烟箱中测试了赤磷发烟剂、铜粉发烟剂及其复合烟幕对远红外热像仪的干扰效果。研究表明：将2.73g赤磷发烟剂分别和2.73g、5.46g、8.19g和10.92g的铜粉发烟剂复合，复合烟幕对7.7~9.3μm波段热像仪的透过率从49.6%分别降低到20.1%、13.0%、7.3%、6.0%；复合烟幕对热像仪图像的干扰效果也有很大的提高。

复合烟幕；红外热像仪；干扰性能；透过率

烟幕作为一种有效的无源干扰物，可以起到隐蔽己方行动、妨碍敌方侦查和精确制导武器打击的作用[1]。在多种烟幕材料中，赤磷作为一种常见的材料，点燃后会产生大量的白色烟雾，对可见光有着良好的遮蔽效果，但是对红外波段的遮蔽效果明显减弱，近年来研究者开展了赤磷在红外波段的遮蔽性能的改性提高工作[2-3]。铜粉是铜锌铝等金属的合金粉，由于铜微粒表面自由电子的存在，使其对红外辐射有很强的吸收作用，铜粉烟幕在3~5μm红外波段的遮蔽效果已有相关的研究[4]。对于赤磷发烟剂和铜粉复合烟幕对红外波段光谱仪的遮蔽效果也有相关测试[5]。

随着红外制导武器的发展，烟幕对热像仪的干扰效果越来越受到重视，有学者对红外热像仪用于烟幕性能测试的方法进行了研究[6-10]。本文对赤磷发烟剂和铜粉复合烟幕在烟箱中对远红外热像仪的干扰性能进行了测试，同时对测试结果进行了分析和讨论。

1 试验条件及方法

1.1 仪器设备

试验仪器设备包括烟幕箱（容积9.1m³，光程3.1m）、SC7000型远红外热像（7.7~9.3μm）、黑体靶标。图1为烟幕测试装置示意图。

图1 烟幕测试装置示意图

1.2 试验方法

试验全部在烟幕箱中进行，设备按照图1中的位置布置，黑体靶标温度设置为60℃。首先开启热像仪开始采样，采样时间设定为3min。单独测试赤磷发烟剂或铜粉烟幕时，直接点燃赤磷发烟剂或用液压机将铜粉喷洒到烟幕箱中。测试复合烟幕时，先将赤磷发烟剂点燃，待赤磷发烟剂完全燃烧结束后，再喷入铜粉。然后开动风扇搅拌10s至烟雾均匀分散在烟幕箱中，热像仪采样结束后，打开烟箱排烟处蝶阀，启动排烟装置，等所有烟排出后，进行下一次测试。

1.3 数据处理方法

透过率计算方法为：使用热像仪FLIR软件，从热像仪录制的图像中，分别选取环境温度对应的电平值和热源同一点在烟幕遮蔽前后对应的电平值，即可计算出烟幕对热源任意点的透过率。即：

式（1）中：为透过率；1为烟幕遮蔽后热源温度对应的电平值；0为环境温度对应的电平值；2为烟幕遮蔽前热源温度对应的电平值。

2 结果与讨论

2.1 赤磷发烟剂对热像仪干扰效果

试验使用赤磷发烟剂的浓度分别为0.3g/m3、0.9g/m3、1.5g/m3、2.1g/m3、2.7g/m3。无烟幕干扰时热源在热像仪中显示的图像，以及各组烟幕充分均匀分散在烟幕箱中后热源在热像仪中显示的图像如图2所示。

图2 不同浓度赤磷发烟剂对热像仪的干扰效果图

无烟幕干扰时，热源在热像仪中清晰显示，如图2（a）所示，赤磷发烟剂产生烟幕干扰后，热源图像变的模糊。随着赤磷发烟剂浓度的增加，烟幕遮蔽后的热源图像与周围环境越来越接近。按照1.3节中数据处理方法，各组试验数据处理结果如表1所示。

表1 不同浓度赤磷发烟剂对热像仪的透过率

Tab.1 Transmittance of red phosphorus smoke agents with different concentrations to thermal imager

由表1可知，随着赤磷发烟剂浓度的增加透过率值从49.6%降到3.9%，这是因为赤磷烟幕中的主要成分五氧化二磷在7.13μm，9.89μm，13.10μm有较强的吸收峰，但是从热像仪中显示的图像结果来看，烟幕遮蔽后的热源还是可以在热像仪中清晰地显示。

2.2 铜粉烟幕对热像仪干扰效果

试验使用铜粉浓度分别为0.3g/m3、0.6g/m3、0.9g/m3、1.2g/m3。无烟幕干扰时热源在热像仪中显示的图像，以及各组铜粉喷入烟箱且分散均匀后热源在热像仪中显示的图像如图3所示。

试验所用热源背景与2.1节相同，但所使用铜粉烟幕的浓度低于赤磷发烟剂所用的浓度。对比图2与图3，可以看出图3中铜粉烟幕干扰后的热源图像与环境更加接近，更难辨别。各组试验数据处理结果如表2所示。

图3 不同浓度铜粉对热像仪的干扰效果图

表2 不同浓度铜粉对热像仪的透过率

Tab.2 Transmittance of copper powder with different concentrations to thermal imager

从表2中可以看出，试验所用铜粉烟幕最高浓度为1.2g/m3，在低于赤磷发烟剂最高用量2.7g/m3的情况下，透过率就可以降低到10%以下，且对热像仪成像的干扰效果也要优于赤磷发烟剂。

2.3 复合烟幕对热像仪干扰效果

由表1可知赤磷发烟剂的质量达到2.73g时，对热像仪的透过率降到50%以下，因此选择在2.73g赤磷发烟剂的基础上加入铜粉组成复合烟幕，测试其对热像仪的遮蔽能力。试验所用赤磷发烟剂与铜粉质量比P:Cu分别为1:0、1:1、1:2、1:3、1:4。无烟幕干扰时热源在热像仪中显示的图像，以及各组复合烟幕均匀分散在烟箱中后热源在热像仪中显示的图像如图4所示。

复合烟幕对热像仪的干扰效果图规律与单独赤磷发烟剂烟幕和铜粉烟幕的规律一致，与图3中铜粉烟幕的干扰图对比，相同铜粉用量的情况下，加入赤磷发烟剂后的复合烟幕对热源的干扰效果更好。对比图4（e）与图4（f），当复合烟幕中赤磷发烟剂与铜粉的比例达到1:3后，复合烟幕对热源的干扰效果已经饱和。复合烟幕各组试验数据处理结果如表3所示。

图4 不同浓度复合烟幕对热像仪的干扰效果图

表3 不同浓度复合烟幕对热像仪的透过率

Tab.3 Transmittance of compound smoke with different concentrations to thermal imager

从表3中可以看出，赤磷发烟剂与铜粉比例为1:3和1:4时，复合烟幕对热像仪的透过率分别为7.3%和6.0%，数值很接近，这与热像仪成像结果一致。将表2~3中数据作图，如图5所示。

图5 单独铜粉烟幕与复合烟幕对热像仪透过率图

从图5中可以看出，在相同质量的铜粉发烟剂中加入少量赤磷发烟剂后，复合烟幕对热像仪的透过率均有降低，随着铜粉发烟剂用量的增加，降低的程度在逐渐减小，当铜粉质量达到10.92g，此时复合烟幕与单独铜粉发烟剂产生的烟幕，对热像仪的遮蔽效果相当，透过率都在6%左右。因此当铜粉发烟剂的量达到一定的程度后，再加入的赤磷发烟剂，对复合烟幕在远红外热像仪中的遮蔽已不再起作用，这一结果也与热像仪成像的结果规律相符合。

3 结论

本研究测试了不同浓度的赤磷烟幕、铜粉烟幕和二者复合烟幕对热像仪成像的干扰效果和透过率，试验结果表明，在体积为9.1m³的烟箱中，赤磷发烟剂对热像仪的透过率降到5%以下后，热源在热像仪中依然可以清晰显示。在一定质量赤磷发烟剂的基础上加入铜粉形成复合烟幕，可以对热像仪的干扰形成协同作用，使烟幕对热像仪的透过率降到标准以下的同时，又有效地干扰热源在热像仪中的成像。

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Study on Interference Performance of Red Phosphorus Smoke Agent/Copper Powder and Their Composite Smoke on Infrared Thermal Imager

ZOU Jia-qi，GUAN Hua

(Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，210094)

In order to improve the obscuring effect of red phosphorus smoke agent on far infrared thermal imager, the red phosphorus smoke agent and copper powder was compounded. The obscuring effect of red phosphorus smoke agent, copper powder smoke agent and their composite smoke on far infrared thermal imager was tested in smoke box, by SC7000 far infrared thermal imager. The results show that as 2.73g red phosphorus smok agent was compounded with 2.73g, 5.46g, 8.19g and 10.92g copper powder, the transmittance of composite smoke agent to 7.7~9.3μm band thermal imager was decreased from 49.6% to 20.1%, 13.0%, 7.3% and 6.0%,respectively.The interference effect of composite smoke screen on thermal imager image is also greatly improved.

Composite smoke；Infrared thermal imager；Interference performance；Transmittance

TQ567.5

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.06.011

1003-1480（2019）06-0043-04

2019-09-27

邹佳歧（1994-），男，在读硕士研究生，主要从事军事化学与烟火技术研究。