水雾和雾状油的消光性能

水雾和雾状油的消光性能

1遮蔽性的应用由于水雾和雾轴的双重辐射，可以用来隐藏目标的红外辐射。通常雾状油是通过向专用的发动机的热排气导入少量的重油使其汽化,重油蒸汽在大气中冷凝的气溶胶。由于具有分散性好、产生方便等优点,被广泛用于一些重要的大型军事或经济目标的红外遮蔽,如美军的XM57和XM58多频谱烟幕系统就是采用这种方法来产生遮蔽烟幕的。在《美陆军烟幕使用规范》中还有专门的与雾状油使用有关的规定。而水雾由于具有取材方便、价格低廉的特点,特别适用于舰艇、船只和桥梁等的遮蔽。本文将在讨论气溶胶的消光理论的基础上,重点对水雾和雾状油的消光特性进行计算,以定量地分析它们的红外消光能力。2粒子尺度不均匀时气溶胶密度的变化考虑一个厚度L的气溶胶层,一平行辐射束照射并穿透之(如图1),根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定理可知透射的辐射强度It=I0exp[∫L00Lβ(λ)dx](1)其中I0是入射辐射强度,β(λ)为消光系数,当粒子尺度不均匀时β(λ)=∫∞0Nσe(λ,r)n(r)dr(2)其中n(r)是粒子半径r的分布函数,N为气溶胶粒子数密度,σe(λ,r)是指半径为r的粒子在波长为λ处的消光截面,可以利用Mie散射理论求出。在研究物质的红外消光问题时,我们通常用单位体积内单位质量气溶胶的消光系数βm(λ)(又称质量消光系数)来度量其消光性能。对于由密度为ρ的物质组成的气溶胶而言,其质量消光系数βm(λ)=∫∞0σe(λ,r)n(r)drρ∫∞0(4π/3)r3n(r)dr(3)βm(λ)=∫0∞σe(λ,r)n(r)drρ∫0∞(4π/3)r3n(r)dr(3)将式(2)、(3)带入式(1)得It=I0exp[-∫L00LΜβm(λ)dx]其中M为单位体积的空间内气溶胶颗粒的总质量。可见,βm(λ)越大,要达到同样的衰减效果所需气溶胶的质量越少。3粒径分布函数nr对于水雾和雾状油粒子,我们可认为其为圆球。根据Mie散射理论,半径为r、折射率为m=m1-im2的均匀圆球,对于波长为λ的入射电磁波,其消光截面为σe=2πκ2∑l=1∞(2l+1)(|αl|2)(|bl|2)σe=2πκ2∑l=1∞(2l+1)(|αl|2)(|bl|2)其中αl=[Al(mx)/m+l/x]Re[ζl(x)]−Re[ζl−1(x)][Al(mx)/m+l/x][ζl(x)]−[ζl−1(x)]αl=[Al(mx)/m+l/x]Re[ζl(x)]-Re[ζl-1(x)][Al(mx)/m+l/x][ζl(x)]-[ζl-1(x)]bl=[mAl(mx)+l/x]Re[ζl(x)]−Re[ζl−1(x)][mAl(mx)+l/x][ζl(x)]−[ζl−1(x)]bl=[mAl(mx)+l/x]Re[ζl(x)]-Re[ζl-1(x)][mAl(mx)+l/x][ζl(x)]-[ζl-1(x)]这里Re表示取实部,k=2πλ,x=krk=2πλ,x=kr而Al(y)=−1y+11y−Al−1(y)Al(y)=-1y+11y-Al-1(y)A0(y)=cosysinyA0(y)=cosysinyζl(x)=2l−1xζl−1(x)−ζl−2(x)ζl(x)=2l-1xζl-1(x)-ζl-2(x)ζ0(x)=sinx+icosxζ-1(x)=cosx-isinx对于粒径分布函数n(r),我们通常认为其服从对数正态分布,即n(r)=12πr√lnb0exp[−12(lnr−lnr0lnb0)2]n(r)=12πrlnb0exp[-12(lnr-lnr0lnb0)2]其中r0为几何平均粒径、b0为几何平均标准差。利用以上公式,应用Matlab语言进行编程,计算了雾状油和水雾在4μm和10.6μm处的质量消光系数。4μm处于中红外窗口的中间,其计算结果在中红外窗口具有代表性;而10.6μm不仅在远红外窗口具有代表性,而且是常用的激光波长。计算结果如下图2~图5。在计算时采用了以下参数(见表1):从图2到图5可以看出,对于这两个波长,水雾和雾状油气溶胶的质量消光系数每条曲线都具有一个峰值,且随着几何平均差b0的减小,峰值向r0增大的方向移动并增大。这表明在应用水雾和雾状油时,为获得更好的消光特性,应尽量使气溶胶的粒径趋于一致。对于同一粒径均值、同一波长,雾状油的质量消光系数比水雾的大,特别是在10.6μm处前者达到后者的三倍以上。这表明雾状油比水雾在这两个波长处的红外消光性能优越。对于雾状油和水雾本身,在10.6μm处的质量消光系数均远小于在4μm处的值。其中雾状油的质量消光系数在10.6μm处的值比在4μm处减少了一半;而水雾的值则下降到1/5。这表明这两种气溶胶在远红外波段的消光性能远不及中红外波段。因此雾状油和水雾气溶胶多用于中红外波段的红外遮蔽。另外,即使在4μm处雾状油的质量消光系数也远小于在该点石墨气溶胶的值(在该波长处,石墨气溶胶的质量消光系数约为3.2)。所以用雾状油和水雾进行红外遮蔽时,要想达到好的遮蔽效果必须增大粒子密度,并加大气溶胶的厚度。4原料和原料供应溶剂外辐射受热从上面的分析可以看出,在一定的粒径分布下水雾和雾状