烟幕全遮蔽能力的理论与实验研究

论文摘要

本课题来源于齐齐哈尔建华机械研究所和国家自然科学基金重点项目（编号:50336010）的一部分,目的是研究烟幕形成以后的遮蔽能力和有效遮蔽面积,并研制全遮蔽能力检测系统,以便针对烟幕遮蔽的目标实现有效识别,为电子干扰提供仿真技术、理论模型以及实验平台。烟幕干扰是应用最为广泛的一种光电无源干扰方式,它通过在空中施放大量气溶胶微粒,来改变光辐射的大气传输特性,从而掩盖要保护的目标。由于烟幕的消光机理研究是烟幕技术发展的基础,因此西方国家（特别是美国）发展烟幕器材非常重视基础理论研究。国内对于现代烟幕技术的研究起步较晚,对烟幕技术的研究工作主要建立在大量实验的基础上,对烟幕消光机理方面的探讨还比较少。由于基础研究工作的缺乏,使得我国烟幕的理论研究处于落后状态,烟幕材料的选择缺乏理论指引,配方往往靠实验与经验确定,这在一定程度上限制了我国烟幕技术的发展。发烟剂的全遮蔽能力值TOP（Total Obscuring Power）,是国内外烟幕技术领域表征发烟剂生成的烟幕对人眼视觉产生遮蔽能力的特征参数。但是影响烟幕遮蔽能力的因素是非常复杂的,测试环境的湿度、温度、时间以及烟幕的沉降速度等因素都会影响TOP的测量结果。论文主要围绕烟幕遮蔽能力的测量与评价,结合烟幕对可见光全遮蔽能力检测系统的研制,对该系统所涉及的全遮蔽能力测量原理、测量方法、光散射理论、测量模型及测量不确定度等内容进行了深入地研究,主要完成了以下几方面的研究工作:1.烟幕遮蔽特性研究。详尽分析了烟幕对人眼、微光成像系统、被动红外成像系统以及成像制导系统的遮蔽效果,并针对烟幕的透过率模型、吸收系数模型、全遮蔽能力计算模型进行了分析比较。2.烟幕全遮蔽能力检测系统设计。基于辐照度测量法以人眼视觉对比度阈值为基准研制烟幕全遮蔽能力检测系统。在温度26℃、相对湿度60%的条件下对磷烟幕的TOP进行了检测,所得到的测试结果与经验值相比较误差小于4%。3.不同粒径分布情况下,烟幕可见光全遮蔽能力测量结果分析。不同烟幕成分、相对温度、湿度以及烟幕形成时间、状态等因素都会影响烟幕的粒径分布,进而影响烟幕粒子的有效吸光面积和有效散射面积。针对不同的粒径分布模型和计算结果,利用Mie理论进行建模,提出了TOP对不同粒径分布的响应函数,进而提高了检测系统的针对性和测量结果的可靠性。4.对1-3μm、3-5μm、8-14μm三个红外波段以及10.6μm激光的TOP数学模型的扩展应用和参数检测。考虑到随着防红外烟幕技术的发展,针对目前许多研究人员积极探寻红外辐射穿透烟幕能力的现状,以及本测量系统的局限性,对烟幕可见光全遮蔽能力检测系统进行红外波段的扩展和试验研究。5.烟幕图像有效面积边缘检测算法研究。通过分析目标与背景的辐射特性,计算所获得红外图像的信噪比;利用形态生态学的方法,实现了烟幕有效遮蔽面积的计算,并进行了仿真试验。本论文的研究内容为分析烟幕配方以及发展高效能的烟幕干扰材料提供了理论基础,在进一步完善理论模型和提高系统精度的基础上,可以推进统一表征烟幕遮蔽能力的工作,进而制定出发烟剂遮蔽能力的测试标准。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外烟幕遮蔽能力测量技术的研究现状
• 1.2.1 烟幕理论研究现状
• 1.2.2 边缘检测研究现状
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第2章 烟幕遮蔽特性研究
• 2.1 烟幕遮蔽效应
• 2.1.1 烟幕对人眼的视觉系统的遮蔽效应
• 2.1.2 烟幕对微光成像系统的遮蔽效应
• 2.1.3 烟幕对被动红外成像系统的影响
• 2.1.4 烟幕对波门跟踪的影响
• 2.1.5 烟幕对相关跟踪器的影响
• 2.2 烟幕遮蔽能力测量原理
• 2.2.1 透过率
• 2.2.2 吸收系数
• 2.2.3 全遮蔽能力
• 2.2.4 可见光TOP测量原理
• 2.2.5 红外TOP测量原理
• 2.3 基于Mie理论的TOP数学模型
• 2.3.1 基本原理
• 2.3.2 应用范围的讨论
• 2.3.3 不同粒度情况下TOP数学模型建立
• 2.4 本章小结
• 第3章 烟幕有效面积边缘检测算法研究
• 3.1 烟幕图像获取的硬件配置与工作流程
• 3.2 红外热成像探测系统信噪比
• 3.3 数学形态学基本算法
• 3.3.1 形态学几个相关概念
• 3.3.2 形态学算子设计
• 3.4 基于多尺度数学形态学烟幕图像有效面积检测
• 3.4.1 多尺度形态学算法应用
• 3.4.2 仿真结果
• 3.5 数学形态学算法与其他算法比较
• 3.6 本章小结
• 第4章 烟幕全遮蔽能力测量系统的研制
• 4.1 照度与粒度测量系统
• 4.1.1 可见光波段检测装置
• 4.1.2 红外波段检测装置
• 4.1.3 10.6μm激光检测装置
• 4.1.4 粒度测量装置
• 4.2 光源位置检测系统
• 4.2.1 自动光源移动驱动器设定
• 4.2.2 自动光源移动控制信号接口
• 4.2.3 旋转编码器
• 4.3 控制系统
• 4.3.1 多参数检测控制系统
• 4.3.2 光源移动控制模块
• 4.3.3 温度的PID控制
• 4.3.4 数据采集与数据处理
• 4.4 本章小结
• 第5章 测量实验及结果分析
• 5.1 TOP测试结果及不确定度分析
• 5.1.1 可见光波段测试结果
• 5.1.2 光纤光谱仪测试结果
• 5.1.3 红外三波段及10.6μm激光测试结果
• 5.1.4 不确定度分析
• 5.2 不同粒径对TOP的影响
• 5.2.1 磷烟幕粒径分布规律
• 5.2.2 磷烟幕不同粒径分布情况下的计算结果
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历