摘 要： 雾霾环境是影响光电系统作战效能的重要因素。外场环境下雾霾条件不可控，难以满足光电系统雾霾条件下性能测试重复性要求。设计并实现了一种浓度可控雾霾环境仿真系统，可生成水雾、尘雾、烟雾等不同种类雾霾，采用浓度百分比控制方法，实现了薄雾、中雾、浓雾等不同浓度雾霾的定量化控制。实验表明：该仿真系统可生成能见度50～1 000 m的雾霾，能模拟大气透过率为0.35～1自然雾霾环境。 在此创新地采用内外场环境等效模型方法，实现了内外场不同雾霾粒子大小对光电系统影响效果的等效，在内场实现了可控的定量化雾霾环境。

　　关键词： 光电系统； 雾霾环境仿真； 浓度可控方法； 仿真雾霾生成

　　中图分类号： TN911?34； TP273.5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）18?0133?04

　　0 引 言

　　随着光电成像技术的不断快速发展，其在武器装备中的应用越来越广泛的，各种光学侦察相机、光学制导武器、光电预警装备被大量应用，发挥着重要作用[1]。

　　光电成像系统的性能受光照变化、雾霾天气等影响大，在理想条件下测试试验验证的性能指标，但在恶劣天气条件下有较大变化，不能全面、真实地表征光电成像系统在恶劣天气条件下的性能。因此，对光电成像系统性能的测试试验验证，不仅需要在晴好的天气条件下进行，更需要在阴天、雾霾等恶劣天气下展开[2]。

　　外场恶劣天气条件下的测试试验，需要不同光照变化条件、不同雾霾天气条件（不同种类雾、不同浓度雾等），但外场条件下雾霾浓度和透过率等实验条件不可控，环境数据不便定量化，难以进行重复性实验，很难利用外场实测试验数据对光电成像系统的性能进行客观定量测试验证[3]。研制了一种可控雾霾环境仿真系统，可以生成水雾、尘雾、烟雾等不同种类，薄雾、中雾、浓雾等不同浓度的定量化的雾霾试验环境，为光电成像系统性能的测试试验提供支持。

　　1 可控雾霾环境仿真原理

　　可控雾霾环境仿真系统主要用来产生接近真实的雾环境。自然雾和人造雾形成的机理完全不同，在雾粒子浓度、半径等微物理特性上差别较大，自然雾浓度较小，粒子半径大，而人造雾浓度大，粒子半径小[4]；为了真实模拟不同雾天环境对光电成像系统的影响，可控雾霾环境仿真系统基于大气光学理论，建立光电池成像系统性能内场仿真测试等效模型，通过雾粒子的浓度控制来定量化仿真自然界不同雾对光电成像系统的影响效果[5?6]。从光电成像效果影响因素角度考虑，主要考虑水雾、尘雾和烟雾三类雾霾的仿真。

　　1.1 水雾仿真方法

　　水雾产生采用超声波雾化法，利用高频电子电路，使陶瓷谐振片上产生谐振而形成超声波，超声波在溶液中传播会产生局部的超高温、超高压，使溶液中的微气泡（空化核）在声场的作用下振动，使气泡迅速膨胀然后突然闭合并产生冲击波[7]。在这种空化作用下激发出空化水柱，撕破水的张力，产生微米级的雾状水滴，然后通过雾化器中管路压力将水雾粒子从喷嘴中喷出。

　　雾化器产生的雾粒子通过高压气源产生的压力送入管道，经过各个喷嘴送出。喷嘴流量的调节采用能调节水流量大小的电动单向阀来实现。单向阀通过接收激光测雾装置输出的控制信号，调节流量大小，控制水雾浓度。为避免管道超压，在旁路中安装一个调压阀，通过设置该阀门的压力值，当管路中的压力达到设定值时，阀门开启泄压，维持管路中的压力在一个稳定的范围。

　　1.2 尘雾生成方法

　　尘雾采用高压气体推动方法产生，采用双压力容器方式保证生成的尘雾粒子浓度满足系统设计指标。

　　尘雾生成过程是首先将灰尘和碳灰按照5∶1比例混合的尘雾粒子放入到双压力容器中的过滤网上，开启高压气源，产生16个大气压的高压气体，将尘雾粒子经单向阀后送入管路，由喷嘴喷洒产生均匀的尘雾。为了防止气压过大对管路安全造成的危险，在进入管路之前安装压力表，实时测量管路压力，一旦超过设定的阈值，调压阀启动，开启阀门进行泄压，确保管路安全。

　　1.3 烟雾生成方法

　　按照火药实际成分和比例，制成发烟药柱，将其放入容器（发烟罐）中，通过三路直流驱动电路点燃点火头，火药点燃后，产生烟雾。启动直流风压电机，将其吹入管路，并经喷嘴喷洒产生均匀的烟雾。

　　2 基于浓度百分比的雾霾环境控制技术

　　雾霾环境仿真主要通过控制人造雾浓度大小来实现自然雾等效[8]。因此，首先需要计算出不同雾天环境内外场雾浓度的对应关系[9]；然后，针对内场生成最大雾浓度要求，计算出系统各项指标。由于雾浓度与雾停留（蒸发）时间、管道数目、喷嘴个数及口径等密切相关，所以在对雾停留时间理论分析的基础上，计算出系统的管道数目、喷嘴个数及口径大小等参数；最后，通过百分比控制流量大小实现不同雾浓度生成与控制。

　　2.1 雾粒子停留时间

　　雾粒子从喷嘴被喷出后，主要受重力、空气阻力和浮力的作用，其中空气阻力方向与运动方向相反，因此，三种力的代数和应等于雾滴质量与其加速度的乘积，即：

　　[-mdvdt=Fz-mgcosα+Ffcosα] （1）

　　式中：Ff为空气浮力，一般忽略不计；[α]为喷管方向与重力方向的夹角；Fz为空气阻力：

　　[Fz=12CAρg] （2）

　　式中：C为为阻力系数，为雷诺数Re的函数；[ρg]为空气密度（单位：[g/m3]）；A为雾滴颗粒在运动方向的投影面积（单位：m2）；代入式（1）可得：

　　[-dvdt=9μr2v-gcosα] （3）

　　式（3）为雾粒子速度变化关系式。其中：[μ]为空气粘度（单位[kg·s/m2]）；r为粒子半径。

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