水幕光电干扰技术研究

水幕光电干扰技术研究
摘要：水幕是一种成本较低，但光电干扰效果非常好的光电干扰手段，有着较高的军用价值。

本文主要阐述了水幕对可见光与红外隐身效应，研究发现当水雾粒径在5μm-15μm之间时，不仅水雾可保持较长时间，而且对可见光、近红外以及中远红外波段的隐身效果也好。

同一水幕中遍布着尺寸范围很广的粒子，因而它对多种波段的红外辐射都具有强烈的散射作用。

关键词：水幕；可见光隐身效应；红外隐身效应
1.引言
早在第二次世界大战期间和第二次世界大战后的数次防空战冲突中，人们就已经认识到舰船可以利用海水防止空袭。

海水相对于空气的密度高出1000倍，如果能够将海水置于低空飞行器之前，那么，海水如此高的密度使之成为一个十分有吸引力的防空手段。

过去水幕防御技术的主要问题是，不能精确地将水幕置于这些低空飞行器飞行的路径中。

而新的水幕概念正是通过在防御舰船附近形成一堵水墙，用水墙在已知的导弹弹道点上拦截导弹来解决这一问题。

防御舰船必须离该水墙足够远，这样，舰船本身不会受到形成水幕时的爆炸冲击效应的影响，也能避免碎片或残骸(它们应散落到海水中)对舰船造成损伤。

水幕对红外辐射的所有波长几是一道屏障，几乎不可穿透。

实验表明，海水除了对蓝绿光(波段为0.45μm-0.55μm)有较好的透过系数之外，对其余波段都有相当大的衰减。

实验中选取20μm厚海水制成薄膜，在3μm-5μm波长的波段上，平均透过率小于40%。

如果在军舰热点部位用水膜形成一道水幕，使
水膜的平均厚度控制在5μm-100μm，则3μm-5μm波段的红外辐射透过率将在百分之几到千分之几范围内。

地面固定目标和水面舰艇很容易被卫星、机载红外遥感或热像仪侦察到，也容易受到红外成像制导导弹的攻击。

如果在军舰甲板和甲板以上的建筑、地面目标四周不时地用水浇，使其保持湿表面，不但使原来的红外辐射辐射不出去，而且由于水改变了物体表面的特性，使整个“热像”彻底改变，红外成像制导导弹不再能辨认其本来特征，从而达到了对抗红外成像制导导弹的目的。

现在就水雾粒子对不同波段的隐身效应分别进行简要描述。

2.可见光隐身效应
从直观的观察上看，蒙上一层水幕会影响我们的视线，这其实是水幕对可见光的不规则折射和散射所致，降低了被观测物体与周围环境之间色度和亮度的对标，使得观察者观测目标的距离大大缩减。

如果用视觉对比度来评价水幕的干扰效果，则
式中，和分别为目标和背景的亮度。

探测系统要想准确识别目标，就要求ξ(ξ是视觉对比阈值)时。

而当
ξ时，目标无法准确识别目标，此时的距离称之为能见距离，即
式中，为水雾的消光系数，；为水雾粒子的平均半径;N 为雾的浓度；视觉对比阈值ξ一般取0.02，将上式整理变形为
式中，表示雾中的含水量。

由此可以看出，雾中能见度收到粒子截面积和粒子浓度的影响，即与雾中含水粒子量成反比，与水粒子半径成正比。

所以，水粒子的半径越小、浓度越高，观测距离就越小，使得水幕对目标的掩盖作用就越好。

对水雾生成及隐身机理的研究表明，当水雾粒子直径在5μm-15μm区间时，水雾可以保持最常的时间，此时对可见光、近红外、中红外、远红外都有较好的隐蔽作用。

除此之外，大气环境的温度、湿度，以及大气溶胶等因子对有水雾时的能见度也有很大影响。

3.红外隐身效应
对于红外隐身，温度干扰显得十分重要，由于水雾的比热容较大，可以吸收目标散发的部分热量，从而降低目标表面温度，使得目标的红外辐射发射变化，并接近背景温度，从而使目标与背景能够达到更好的融合。

水雾的吸收作用是由水分子被入射光辐射激发，由低能级跃迁到高能级，在此情形下，其吸收的辐射能量等于两能级之间的能量差。

每一个跃迁产生一条吸收线，许多连在一起的吸收线就成了一个较宽的吸收带，所有的跃迁组成
水雾的吸收光谱。

由于水分子的能级是确定的，因而水雾的吸收具有明显的选择性。

其吸收带主要有：0.941μm, 1.1μm, 1.38μm, 1.87μm, 2.66μm, 2.7μm, 3.2μm，6.27μm 。

因此在水雾的作用下，近红外与中红外波段的目标辐射信号受到很强的衰减。

水雾粒子对红外光的散射也是造成目标红外信号降低的重要原因之一。

水雾粒子的散射，使得来自目标的红外辐射改变了原来的传输方向。

所以虽然目标在空间总的辐射能量没有减少，但到达对方探测设备所观察方向上的能量有所降低，由此减少了目标被发现和识别的概率。

通常，水雾粒子的直径一般在0.5μm-80μm之间，粒子尺度参数为
根据迈克尔逊散射理论，计算水雾对红外线的散射作用。

散射效率因子设为,吸收效率因子设为，衰减效率因子，其相应的水雾截面与效率因子之间的关系为
图1给出了小水滴的曲线。

由图可见，在处，
，即当时产生最大散射，在以后，，即散射与波长几乎无关。

每一个水雾粒子的尺寸是容易控制的，可以根据需求进行设计，同一水幕中遍布着尺寸范围很广的粒子，因而它对多种波段的红外辐射都具有强烈的散射作用。

图1。