含球形铝粒子的低发射率涂层发射率建模及仿真研究
发布时间：2022-01-02 14:40
红外隐身涂层是指用于减弱武器系统红外特征信号,达到隐身要求的特殊功能涂料,旨在降低目标（如飞机、导弹、坦克等）在红外波段的辐射亮度,使装备在红外探测系统中的形状得以掩饰、变形或伪装,降低其被发现和识别的概率。发射率是描述物体向外界辐射能力的无量纲物理量,是表征材料红外光谱辐射性质的重要参数。调控红外隐身涂层发射率是降低目标红外辐射能量、提高装备隐身性能的有效途径。本文主要采用Mie散射理论对单个粒子的光学参数进行计算,将涂层中的金属粒子等效为各向同性的金属球,计算出单个粒子的散射、吸收与消光等参数。分析其尺寸参数对于光学参数的影响,并将计算出的结果导入Kubelka-Munk二能流理论中,计算涂层的发射率。通过改变粒子的粒径、掺杂百分数、涂层厚度等参数,优化设计出具有较低发射率的红外隐身涂层。根据涂层的实际使用需要,采用金属的Drude模型计算不同温度下金属粒子的光学常数,计算分析温度对于涂层发射率的影响规律,并选取与实际使用温度吻合度较高的404 K进行了发射率计算。为红外低发射率涂层建立含红外积分球的辐射特征测量装置,并将实际测量值与理论值相对比,验证模型的准确性。掌握红外隐身涂层...
【文章来源】：渤海大学辽宁省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
歼-20隐身战斗机Figure1-2.J-20Stealthfighter
渤海大学硕士学位论文3二氧化碳、氧气等吸收所造成，使得大气的红外透过率只有某些波段下较高，这些波段被称为窗口波段，也被称为大气窗口[3]。红外波段的大气窗口主要由三个：1-2μm、3-5μm、8-14μm。图1-3.红外大气透过率Figure1-3.Infraredtransmittanceintheatmosphere基于维恩位移定律，物体红外辐射的中心波长会随着辐射体温度的变化而变化[2,3]。对于飞机蒙皮等目标来说，其辐射的峰值波长位于8-14μm窗口内，距离飞机尾喷管较近的区域由于其温度较高，所以辐射的中心波长处于3-5μm窗口内。红外探测系统的探测距离是该系统的重要性能指标，探测距离的大小直接决定了其侦查范围与红外制导的视场，当系统噪声看作为只存在探测器噪声时，目标的红外辐射强度直接影响了红外探测系统的最大探测距离[2,5]。由此可见，降低物体的辐射强度可以有效削弱红外系统的探测能力。红外热成像系统的工作原理主要为：通过采集目标的有效辐射和背景辐射，将采集的两种辐射形成比值，实现热红外侦查，红外辐射能量可以由斯蒂芬-玻尔兹曼定律来计算[2]，红外材料表面的温度与发射率都直接影响目标的辐射亮度。降低目标的有效辐射值可以降低其在环境中的对比度，从而降低处于红外视场中被发现的概率，增强目标红外隐身的性能。图1-4分别为不同温度与不同发射率情况时，光谱的辐射亮度，可以看出发射率对于辐射亮度的影响较为明显。在无法降低飞行器表面温度的情况下，降低表面发射率可以有效提高飞行器的隐身性能[1,8]。
含球形铝粒子的低发射率涂层发射率建模及仿真研究6图1-5.M．Miyazaki等人制备的ZnO复合Ag涂层微观结构Figure1-5.MicrostructureofZnOcompositeAgcoatingpreparedbyMiyazakietal.C.C.M.Ma等结合K-M模型和界面反射理论讨论了不同厚度下的各种树脂层对红外辐射的吸收影响，测量实验表明氯化橡胶中的弱吸收基团有利于得到较小的发射率[20]。P.G.Appleyard以时域有限差分方法研究研究辐射在粒子中的透射、衰减规律，然后结合球谐函数法和能流法求解了辐射传输方程[21]。M.K.Gunde等探讨了表面粗糙度等对涂层发射率的影响，但没能给出涂层表面的粗糙度和相关常数的计算方法，只能通过大量测试给出经验公式，制约了该模型的应用[22]。A.B.Murphy采用改进的K-M模型如图1-6所示，计算TiO2涂层300nm~800nm范围内的光谱反射率，验证了粗糙度模型（仅光学粗糙度＜0.2）的有效性[23]。图1-6.A.B.Murphy改进的K-M模型Figure1-6.A.B.Murphy"simprovedK-Mmodel可以看出，国外的科研工作者热衷于涂层的理论研究，对粒子的散射、吸收等研究从最初的基础理论到加以限制的优化模型，都展开了深入的探讨。但大多数仅考虑模型的散射参数，未将模型展开讨论，并分析各个参数对红外发射率的数值影响规律。
【参考文献】：
期刊论文
[1]红外隐身涂料的研究与进展[J]. 张凯,王波,桂泰江,吴连锋,王贤明. 现代涂料与涂装. 2019(12)
[2]地面武器系统智能隐身技术发展现状分析[J]. 郭晓铛,郝璐. 战术导弹技术. 2019(05)
[3]基于Mie散射的卷云环境中冰晶光学特性分析[J]. 王金虎,蔡嘉晗,张炎,金子琪,谢槟泽. 安徽大学学报(自然科学版). 2019(05)
[4]隐身战斗机红外辐射特征计算及红外隐身效果分析[J]. 王彪,丛伟,王超哲,杨永建,黄金科. 北京理工大学学报. 2019(04)
[5]基于热腔反射法测量黑体空腔发射率[J]. 云泽荣,王景辉,王玲玲,李亚. 光电子·激光. 2019(04)
[6]铝粉对红外隐身涂料的发射率影响研究[J]. 孙瑞,何效凯,高萌,黄震,魏乃影. 中国涂料. 2016(06)
[7]隐身涂料研究现状及发展趋势[J]. 李永波,朱洪立,张宝琴,黄成亮,丁文皓,李明俊. 材料导报. 2015(S2)
[8]低红外发射率材料研究进展[J]. 张伟钢,徐国跃,薛连海. 红外技术. 2015(05)
[9]多频谱隐身涂层材料研究进展[J]. 邓龙江,周佩珩,陆海鹏,翁小龙,梁迪飞,谢建良. 中国材料进展. 2013(08)
[10]隐身涂料的研究进展与发展方向[J]. 李海燕,张世珍,孙春龙,关迎东. 功能材料. 2013(S1)
博士论文
[1]太阳能选择性吸收涂层光谱发射率测量技术研究[D]. 张宇峰.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]几种常用钢材的光谱发射率特性研究[D]. 张飞麟.河南师范大学 2017
[2]基于Mie散射的光学玻璃内部气泡缺陷检测的研究[D]. 张赛.浙江大学 2016
[3]主动式发射率测量系统的设计与实现[D]. 姚晓哲.华中科技大学 2011
本文编号：3564358
【文章来源】：渤海大学辽宁省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
歼-20隐身战斗机Figure1-2.J-20Stealthfighter
渤海大学硕士学位论文3二氧化碳、氧气等吸收所造成，使得大气的红外透过率只有某些波段下较高，这些波段被称为窗口波段，也被称为大气窗口[3]。红外波段的大气窗口主要由三个：1-2μm、3-5μm、8-14μm。图1-3.红外大气透过率Figure1-3.Infraredtransmittanceintheatmosphere基于维恩位移定律，物体红外辐射的中心波长会随着辐射体温度的变化而变化[2,3]。对于飞机蒙皮等目标来说，其辐射的峰值波长位于8-14μm窗口内，距离飞机尾喷管较近的区域由于其温度较高，所以辐射的中心波长处于3-5μm窗口内。红外探测系统的探测距离是该系统的重要性能指标，探测距离的大小直接决定了其侦查范围与红外制导的视场，当系统噪声看作为只存在探测器噪声时，目标的红外辐射强度直接影响了红外探测系统的最大探测距离[2,5]。由此可见，降低物体的辐射强度可以有效削弱红外系统的探测能力。红外热成像系统的工作原理主要为：通过采集目标的有效辐射和背景辐射，将采集的两种辐射形成比值，实现热红外侦查，红外辐射能量可以由斯蒂芬-玻尔兹曼定律来计算[2]，红外材料表面的温度与发射率都直接影响目标的辐射亮度。降低目标的有效辐射值可以降低其在环境中的对比度，从而降低处于红外视场中被发现的概率，增强目标红外隐身的性能。图1-4分别为不同温度与不同发射率情况时，光谱的辐射亮度，可以看出发射率对于辐射亮度的影响较为明显。在无法降低飞行器表面温度的情况下，降低表面发射率可以有效提高飞行器的隐身性能[1,8]。
含球形铝粒子的低发射率涂层发射率建模及仿真研究6图1-5.M．Miyazaki等人制备的ZnO复合Ag涂层微观结构Figure1-5.MicrostructureofZnOcompositeAgcoatingpreparedbyMiyazakietal.C.C.M.Ma等结合K-M模型和界面反射理论讨论了不同厚度下的各种树脂层对红外辐射的吸收影响，测量实验表明氯化橡胶中的弱吸收基团有利于得到较小的发射率[20]。P.G.Appleyard以时域有限差分方法研究研究辐射在粒子中的透射、衰减规律，然后结合球谐函数法和能流法求解了辐射传输方程[21]。M.K.Gunde等探讨了表面粗糙度等对涂层发射率的影响，但没能给出涂层表面的粗糙度和相关常数的计算方法，只能通过大量测试给出经验公式，制约了该模型的应用[22]。A.B.Murphy采用改进的K-M模型如图1-6所示，计算TiO2涂层300nm~800nm范围内的光谱反射率，验证了粗糙度模型（仅光学粗糙度＜0.2）的有效性[23]。图1-6.A.B.Murphy改进的K-M模型Figure1-6.A.B.Murphy"simprovedK-Mmodel可以看出，国外的科研工作者热衷于涂层的理论研究，对粒子的散射、吸收等研究从最初的基础理论到加以限制的优化模型，都展开了深入的探讨。但大多数仅考虑模型的散射参数，未将模型展开讨论，并分析各个参数对红外发射率的数值影响规律。
【参考文献】：
期刊论文
[1]红外隐身涂料的研究与进展[J]. 张凯,王波,桂泰江,吴连锋,王贤明. 现代涂料与涂装. 2019(12)
[2]地面武器系统智能隐身技术发展现状分析[J]. 郭晓铛,郝璐. 战术导弹技术. 2019(05)
[3]基于Mie散射的卷云环境中冰晶光学特性分析[J]. 王金虎,蔡嘉晗,张炎,金子琪,谢槟泽. 安徽大学学报(自然科学版). 2019(05)
[4]隐身战斗机红外辐射特征计算及红外隐身效果分析[J]. 王彪,丛伟,王超哲,杨永建,黄金科. 北京理工大学学报. 2019(04)
[5]基于热腔反射法测量黑体空腔发射率[J]. 云泽荣,王景辉,王玲玲,李亚. 光电子·激光. 2019(04)
[6]铝粉对红外隐身涂料的发射率影响研究[J]. 孙瑞,何效凯,高萌,黄震,魏乃影. 中国涂料. 2016(06)
[7]隐身涂料研究现状及发展趋势[J]. 李永波,朱洪立,张宝琴,黄成亮,丁文皓,李明俊. 材料导报. 2015(S2)
[8]低红外发射率材料研究进展[J]. 张伟钢,徐国跃,薛连海. 红外技术. 2015(05)
[9]多频谱隐身涂层材料研究进展[J]. 邓龙江,周佩珩,陆海鹏,翁小龙,梁迪飞,谢建良. 中国材料进展. 2013(08)
[10]隐身涂料的研究进展与发展方向[J]. 李海燕,张世珍,孙春龙,关迎东. 功能材料. 2013(S1)
博士论文
[1]太阳能选择性吸收涂层光谱发射率测量技术研究[D]. 张宇峰.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]几种常用钢材的光谱发射率特性研究[D]. 张飞麟.河南师范大学 2017
[2]基于Mie散射的光学玻璃内部气泡缺陷检测的研究[D]. 张赛.浙江大学 2016
[3]主动式发射率测量系统的设计与实现[D]. 姚晓哲.华中科技大学 2011
本文编号：3564358
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