赤磷發煙劑/銅粉及其復合煙幕對紅外熱像儀的干擾性能研究

鄒佳歧，關 華

赤磷發煙劑/銅粉及其復合煙幕對紅外熱像儀的干擾性能研究

鄒佳歧，關 華

( 南京理工大學化工學院，江蘇 南京，210094）

為了提高赤磷發煙劑對遠紅外熱像儀的干擾效果，選擇赤磷發煙劑與銅粉發煙劑復合的方法，采用SC7000遠紅外熱像儀在煙箱中測試了赤磷發煙劑、銅粉發煙劑及其復合煙幕對遠紅外熱像儀的干擾效果。研究表明：將2.73g赤磷發煙劑分別和2.73g、5.46g、8.19g和10.92g的銅粉發煙劑復合，復合煙幕對7.7~9.3μm波段熱像儀的透過率從49.6%分別降低到20.1%、13.0%、7.3%、6.0%；復合煙幕對熱像儀圖像的干擾效果也有很大的提高。

復合煙幕；紅外熱像儀；干擾性能；透過率

煙幕作為一種有效的無源干擾物，可以起到隱蔽己方行動、妨礙敵方偵查和精確制導武器打擊的作用[1]。在多種煙幕材料中，赤磷作為一種常見的材料，點燃后會產生大量的白色煙霧，對可見光有著良好的遮蔽效果，但是對紅外波段的遮蔽效果明顯減弱，近年來研究者開展了赤磷在紅外波段的遮蔽性能的改性提高工作[2-3]。銅粉是銅鋅鋁等金屬的合金粉，由于銅微粒表面自由電子的存在，使其對紅外輻射有很強的吸收作用，銅粉煙幕在3~5μm紅外波段的遮蔽效果已有相關的研究[4]。對于赤磷發煙劑和銅粉復合煙幕對紅外波段光譜儀的遮蔽效果也有相關測試[5]。

隨著紅外制導武器的發展，煙幕對熱像儀的干擾效果越來越受到重視，有學者對紅外熱像儀用于煙幕性能測試的方法進行了研究[6-10]。本文對赤磷發煙劑和銅粉復合煙幕在煙箱中對遠紅外熱像儀的干擾性能進行了測試，同時對測試結果進行了分析和討論。

1 試驗條件及方法

1.1 儀器設備

試驗儀器設備包括煙幕箱（容積9.1m3，光程3.1m）、SC7000型遠紅外熱像（7.7~9.3μm）、黑體靶標。圖1為煙幕測試裝置示意圖。

圖1 煙幕測試裝置示意圖

1.2 試驗方法

試驗全部在煙幕箱中進行，設備按照圖1中的位置布置，黑體靶標溫度設置為60℃。首先開啟熱像儀開始采樣，采樣時間設定為3min。單獨測試赤磷發煙劑或銅粉煙幕時，直接點燃赤磷發煙劑或用液壓機將銅粉噴灑到煙幕箱中。測試復合煙幕時，先將赤磷發煙劑點燃，待赤磷發煙劑完全燃燒結束后，再噴入銅粉。然后開動風扇攪拌10s至煙霧均勻分散在煙幕箱中，熱像儀采樣結束后，打開煙箱排煙處蝶閥，啟動排煙裝置，等所有煙排出后，進行下一次測試。

1.3 數據處理方法

透過率計算方法為：使用熱像儀FLIR軟件，從熱像儀錄制的圖像中，分別選取環境溫度對應的電平值和熱源同一點在煙幕遮蔽前后對應的電平值，即可計算出煙幕對熱源任意點的透過率。即：

式（1）中：為透過率；1為煙幕遮蔽后熱源溫度對應的電平值；0為環境溫度對應的電平值；2為煙幕遮蔽前熱源溫度對應的電平值。

2 結果與討論

2.1 赤磷發煙劑對熱像儀干擾效果

試驗使用赤磷發煙劑的濃度分別為0.3g/m3、0.9g/m3、1.5g/m3、2.1g/m3、2.7g/m3。無煙幕干擾時熱源在熱像儀中顯示的圖像，以及各組煙幕充分均勻分散在煙幕箱中后熱源在熱像儀中顯示的圖像如圖2所示。

圖2 不同濃度赤磷發煙劑對熱像儀的干擾效果圖

無煙幕干擾時，熱源在熱像儀中清晰顯示，如圖2（a）所示，赤磷發煙劑產生煙幕干擾后，熱源圖像變的模糊。隨著赤磷發煙劑濃度的增加，煙幕遮蔽后的熱源圖像與周圍環境越來越接近。按照1.3節中數據處理方法，各組試驗數據處理結果如表1所示。

表1 不同濃度赤磷發煙劑對熱像儀的透過率

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

由表1可知，隨著赤磷發煙劑濃度的增加透過率值從49.6%降到3.9%，這是因為赤磷煙幕中的主要成分五氧化二磷在7.13μm，9.89μm，13.10μm有較強的吸收峰，但是從熱像儀中顯示的圖像結果來看，煙幕遮蔽后的熱源還是可以在熱像儀中清晰地顯示。

2.2 銅粉煙幕對熱像儀干擾效果

試驗使用銅粉濃度分別為0.3g/m3、0.6g/m3、0.9g/m3、1.2g/m3。無煙幕干擾時熱源在熱像儀中顯示的圖像，以及各組銅粉噴入煙箱且分散均勻后熱源在熱像儀中顯示的圖像如圖3所示。

試驗所用熱源背景與2.1節相同，但所使用銅粉煙幕的濃度低于赤磷發煙劑所用的濃度。對比圖2與圖3，可以看出圖3中銅粉煙幕干擾后的熱源圖像與環境更加接近，更難辨別。各組試驗數據處理結果如表2所示。

圖3 不同濃度銅粉對熱像儀的干擾效果圖

表2 不同濃度銅粉對熱像儀的透過率

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

從表2中可以看出，試驗所用銅粉煙幕最高濃度為1.2g/m3，在低于赤磷發煙劑最高用量2.7g/m3的情況下，透過率就可以降低到10%以下，且對熱像儀成像的干擾效果也要優于赤磷發煙劑。

2.3 復合煙幕對熱像儀干擾效果

由表1可知赤磷發煙劑的質量達到2.73g時，對熱像儀的透過率降到50%以下，因此選擇在2.73g赤磷發煙劑的基礎上加入銅粉組成復合煙幕，測試其對熱像儀的遮蔽能力。試驗所用赤磷發煙劑與銅粉質量比P:Cu分別為1:0、1:1、1:2、1:3、1:4。無煙幕干擾時熱源在熱像儀中顯示的圖像，以及各組復合煙幕均勻分散在煙箱中后熱源在熱像儀中顯示的圖像如圖4所示。

復合煙幕對熱像儀的干擾效果圖規律與單獨赤磷發煙劑煙幕和銅粉煙幕的規律一致，與圖3中銅粉煙幕的干擾圖對比，相同銅粉用量的情況下，加入赤磷發煙劑后的復合煙幕對熱源的干擾效果更好。對比圖4（e）與圖4（f），當復合煙幕中赤磷發煙劑與銅粉的比例達到1:3后，復合煙幕對熱源的干擾效果已經飽和。復合煙幕各組試驗數據處理結果如表3所示。

圖4 不同濃度復合煙幕對熱像儀的干擾效果圖

表3 不同濃度復合煙幕對熱像儀的透過率

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

從表3中可以看出，赤磷發煙劑與銅粉比例為1:3和1:4時，復合煙幕對熱像儀的透過率分別為7.3%和6.0%，數值很接近，這與熱像儀成像結果一致。將表2~3中數據作圖，如圖5所示。

圖5 單獨銅粉煙幕與復合煙幕對熱像儀透過率圖

從圖5中可以看出，在相同質量的銅粉發煙劑中加入少量赤磷發煙劑后，復合煙幕對熱像儀的透過率均有降低，隨著銅粉發煙劑用量的增加，降低的程度在逐漸減小，當銅粉質量達到10.92g，此時復合煙幕與單獨銅粉發煙劑產生的煙幕，對熱像儀的遮蔽效果相當，透過率都在6%左右。因此當銅粉發煙劑的量達到一定的程度后，再加入的赤磷發煙劑，對復合煙幕在遠紅外熱像儀中的遮蔽已不再起作用，這一結果也與熱像儀成像的結果規律相符合。

3 結論

本研究測試了不同濃度的赤磷煙幕、銅粉煙幕和二者復合煙幕對熱像儀成像的干擾效果和透過率，試驗結果表明，在體積為9.1m3的煙箱中，赤磷發煙劑對熱像儀的透過率降到5%以下后，熱源在熱像儀中依然可以清晰顯示。在一定質量赤磷發煙劑的基礎上加入銅粉形成復合煙幕，可以對熱像儀的干擾形成協同作用，使煙幕對熱像儀的透過率降到標準以下的同時，又有效地干擾熱源在熱像儀中的成像。

[1] 沈國柱,徐政,李澄俊.含氟聚合物在赤磷基抗紅外發煙劑中的應用[J].同濟大學學報(自然科學版),2005(03):355-357.

[2] 周明善,徐銘,沈瑞琪,閔軍,李澄俊.均勻設計法在赤磷發煙劑紅外消光性能中的應用[J].含能材料,2009,17(03):353- 356.

[3] 王玄玉,潘功配.紅磷煙幕對10.6μm激光的消光系數測試研究[J].紅外與激光工程,2005(06):636-640.

[4] 白林,李寧,郭永利.銅粉煙幕的消光特性及其紅外遮蔽效果對比試驗[J].艦船電子工程,2009,29(05):161-163.

[5] 徐銘,李澄俊.赤磷發煙劑、銅粉組合煙霧的紅外消光性能[J].火工品,2002(3):1-3.

[6] 汪家春,時家明,姚冰,等.紅外熱像儀用于遮蔽煙幕材料性能的測試研究[J].紅外與激光工程,2006(S1):211-215.

[7] 劉香翠,程翔,張良,任麗娜,郭建廣.煙幕對紅外熱像儀遮蔽效果的定量表征[J].紅外與激光工程,2012,41(01):37-42.

[8] 周利存,李斌.基于紅外成像探測器的煙幕遮蔽率測試方法研究[J].光電技術應用,2018,33(03):70-73.

[9] Tang Runze, Zhang Tonglai, Chen Yongpeng, et al. Infrared thermography approach for effective shielding area of field smoke based on background subtraction and transmittance interpolation.[J]. Sensors,2018,18(5): 1 450.

[10] Bo X, Jiaming S, Jiachun W, et al. Measurement of infrared transmissivity of smoke using a thermal imager[J]. Defence Science Journal, 2006, 56(5):785-790.

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

鄒佳歧（1994-），男，在讀碩士研究生，主要從事軍事化學與煙火技術研究。