一種濃度可控霧霾環境仿真系統設計與實現

劉海燕+李小明

摘 要： 霧霾環境是影響光電系統作戰效能的重要因素。外場環境下霧霾條件不可控，難以滿足光電系統霧霾條件下性能測試重復性要求。設計并實現了一種濃度可控霧霾環境仿真系統，可生成水霧、塵霧、煙霧等不同種類霧霾，采用濃度百分比控制方法，實現了薄霧、中霧、濃霧等不同濃度霧霾的定量化控制。實驗表明：該仿真系統可生成能見度50～1 000 m的霧霾，能模擬大氣透過率為0.35～1自然霧霾環境。 在此創新地采用內外場環境等效模型方法，實現了內外場不同霧霾粒子大小對光電系統影響效果的等效，在內場實現了可控的定量化霧霾環境。

關鍵詞： 光電系統； 霧霾環境仿真； 濃度可控方法； 仿真霧霾生成

中圖分類號： TN911?34； TP273.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）18?0133?04

Design and realization of haze environment simulation system with

concentration control capacity

LIU Hai?yan1， LI Xiao?ming2， 3

（1. Unit 73101 of PLA， Xuzhou 221008， China； 2. Military Optoelectronics Engineering Department， Army Officer Academy， Hefei 230031， China；

3. Anhui Key Laboratory of Polarization Imaging Detection Technology， Army Officer Academy， Hefei 230031， China）

Abstract： Haze environment is an important factor affecting the operational effectiveness of photoelectric systems. The haze condition in external environment is uncontrollable， and is hard to meet the testing repeatability requirement of photoelectric system. A haze environment simulation system with concentration control capacity was designed and realized， which can generate the mist， dust， smoke and other different types of haze. The quantitative control of haze in different concentrations （mist， fog， heavy fog） was implemented by means of the concentration percentage control method. The experimental results show the simulation system can generate the haze whose visibility is 50～1000 m， and can simulate the natural haze environment whose atmospheric transmittance is 0.35～1. An innovatory method of environment equivalent model of internal and external field was used. The equivalent of different particle size effect to haze influence result on the optoelectronic system was realized. The controllable quantification haze environment was achieved.

Keywords： photoelectric system； haze environment simulation； concentration； simulation haze generation

0 引 言

隨著光電成像技術的不斷快速發展，其在武器裝備中的應用越來越廣泛的，各種光學偵察相機、光學制導武器、光電預警裝備被大量應用，發揮著重要作用[1]。

光電成像系統的性能受光照變化、霧霾天氣等影響大，在理想條件下測試試驗驗證的性能指標，但在惡劣天氣條件下有較大變化，不能全面、真實地表征光電成像系統在惡劣天氣條件下的性能。因此，對光電成像系統性能的測試試驗驗證，不僅需要在晴好的天氣條件下進行，更需要在陰天、霧霾等惡劣天氣下展開[2]。

外場惡劣天氣條件下的測試試驗，需要不同光照變化條件、不同霧霾天氣條件（不同種類霧、不同濃度霧等），但外場條件下霧霾濃度和透過率等實驗條件不可控，環境數據不便定量化，難以進行重復性實驗，很難利用外場實測試驗數據對光電成像系統的性能進行客觀定量測試驗證[3]。研制了一種可控霧霾環境仿真系統，可以生成水霧、塵霧、煙霧等不同種類，薄霧、中霧、濃霧等不同濃度的定量化的霧霾試驗環境，為光電成像系統性能的測試試驗提供支持。

1 可控霧霾環境仿真原理

可控霧霾環境仿真系統主要用來產生接近真實的霧環境。自然霧和人造霧形成的機理完全不同，在霧粒子濃度、半徑等微物理特性上差別較大，自然霧濃度較小，粒子半徑大，而人造霧濃度大，粒子半徑小[4]；為了真實模擬不同霧天環境對光電成像系統的影響，可控霧霾環境仿真系統基于大氣光學理論，建立光電池成像系統性能內場仿真測試等效模型，通過霧粒子的濃度控制來定量化仿真自然界不同霧對光電成像系統的影響效果[5?6]。從光電成像效果影響因素角度考慮，主要考慮水霧、塵霧和煙霧三類霧霾的仿真。

1.1 水霧仿真方法

水霧產生采用超聲波霧化法，利用高頻電子電路，使陶瓷諧振片上產生諧振而形成超聲波，超聲波在溶液中傳播會產生局部的超高溫、超高壓，使溶液中的微氣泡（空化核）在聲場的作用下振動，使氣泡迅速膨脹然后突然閉合并產生沖擊波[7]。在這種空化作用下激發出空化水柱，撕破水的張力，產生微米級的霧狀水滴，然后通過霧化器中管路壓力將水霧粒子從噴嘴中噴出。圖1為水霧生成系統原理圖。

圖1 水霧生成系統

霧化器產生的霧粒子通過高壓氣源產生的壓力送入管道，經過各個噴嘴送出。噴嘴流量的調節采用能調節水流量大小的電動單向閥來實現。單向閥通過接收激光測霧裝置輸出的控制信號，調節流量大小，控制水霧濃度。為避免管道超壓，在旁路中安裝一個調壓閥，通過設置該閥門的壓力值，當管路中的壓力達到設定值時，閥門開啟泄壓，維持管路中的壓力在一個穩定的范圍。

1.2 塵霧生成方法

塵霧采用高壓氣體推動方法產生，采用雙壓力容器方式保證生成的塵霧粒子濃度滿足系統設計指標。

塵霧生成過程是首先將灰塵和碳灰按照5∶1比例混合的塵霧粒子放入到雙壓力容器中的過濾網上，開啟高壓氣源，產生16個大氣壓的高壓氣體，將塵霧粒子經單向閥后送入管路，由噴嘴噴灑產生均勻的塵霧。為了防止氣壓過大對管路安全造成的危險，在進入管路之前安裝壓力表，實時測量管路壓力，一旦超過設定的閾值，調壓閥啟動，開啟閥門進行泄壓，確保管路安全。

1.3 煙霧生成方法

按照火藥實際成分和比例，制成發煙藥柱，將其放入容器（發煙罐）中，通過三路直流驅動電路點燃點火頭，火藥點燃后，產生煙霧。啟動直流風壓電機，將其吹入管路，并經噴嘴噴灑產生均勻的煙霧。

2 基于濃度百分比的霧霾環境控制技術

霧霾環境仿真主要通過控制人造霧濃度大小來實現自然霧等效[8]。因此，首先需要計算出不同霧天環境內外場霧濃度的對應關系[9]；然后，針對內場生成最大霧濃度要求，計算出系統各項指標。由于霧濃度與霧停留（蒸發）時間、管道數目、噴嘴個數及口徑等密切相關，所以在對霧停留時間理論分析的基礎上，計算出系統的管道數目、噴嘴個數及口徑大小等參數；最后，通過百分比控制流量大小實現不同霧濃度生成與控制。

2.1 霧粒子停留時間

霧粒子從噴嘴被噴出后，主要受重力、空氣阻力和浮力的作用，其中空氣阻力方向與運動方向相反，因此，三種力的代數和應等于霧滴質量與其加速度的乘積，即：

[-mdvdt=Fz-mgcosα+Ffcosα] （1）

式中：Ff為空氣浮力，一般忽略不計；[α]為噴管方向與重力方向的夾角；Fz為空氣阻力：

[Fz=12CAρg] （2）

式中：C為為阻力系數，為雷諾數Re的函數；[ρg]為空氣密度（單位：[g/m3]）；A為霧滴顆粒在運動方向的投影面積（單位：m2）；代入式（1）可得：

[-dvdt=9μr2v-gcosα] （3）

式（3）為霧粒子速度變化關系式。其中：[μ]為空氣粘度（單位[kg·s/m2]）；r為粒子半徑。

當v=0時，可以認為霧粒子被蒸發，即初始速度v0的霧粒子停留時間T：

[T=-v00dv9μr2v-gcosα] （4）

霧滴的初速度[v0]可由式（5）計算：

[v0=ξ2gP] （5）

式中：[ξ]為速度系數，通常取0.98；g為重力加速度；P為超聲波霧化器的壓降。

2.2 霧濃度內外場等效及百分比控制方法

內場與外場等效模型可用式（6）描述：

[Ln=qnkLw] （6）

式中[qnk]為內外場濃度等效系數：

[qnk=σswMwσsnMn] （7）

式中：[Mw]為外場環境粒子濃度；[Mn]為內場環境粒子濃度；[σsw]，[σsn]為散射截面，有：

[σs?fc（0）2πγc] （8）

式中：[fc（θ=0）]為散射角等于0時的粒子散射相函數；[γc=2.5（Dλ）2]為比例系數。

假設內場粒子的半徑為[an]，外場粒子的半徑的[aw]，內外場粒子的成分一致，折射率一樣，則式（7）可近似為：

[qnk=an2Mwaw2Mn] （9）

將式（9）代入式（6），可得：

[Mn=a2wMwL2wa2nL2n] （10）

系統實際空間為：長度為6 m，寬度為4.5 m，高度為4 m，則可以計算出內場最大距離Ln_max：

[Ln_max=KL2+Kw2+Kh2=8.5] （11）

將其代入式（10），則可以得到不同霧條件下內場模擬的霧濃度最大數值，由最大霧濃度以及光電成像系統性能內場仿真測試等效模型，可以計算出需要生成霧粒子的濃度。根據不同霧類型的內場等效濃度，設定生成該濃度所需要的控制百分比如表1所示。

表1 不同類型霧內外場等效情況

系統按照所需的霧類型得到控制百分比，首先計算霧化器流量，并啟動霧化器產生霧粒子；同時啟動激光測霧裝置，實時測量霧濃度，并將測量出的霧濃度與設定的霧濃度進行比對，若實際測量結果大于設定的百分比，則減小霧化器的流量；霧化器流量減小后，如果實小于設定的百分比，則增加霧化器的流量，最終實現霧濃度的動態平衡。

2.3 管道參數設計

系統設計的霧生成空間管道如圖2所示。

圖2 霧生成空間管道圖

霧濃度主要與霧生成器生成霧的流量、噴嘴大小以及霧粒子飛行時間決定的。設噴嘴直徑為d，霧粒子的半徑為r，霧粒子通過噴嘴的速度為v，對于球形霧粒子，該噴嘴單位時間內可供通過的粒子數為：

[N=d2v8r3] （12）

對于長度為[KL]，寬度為[Kw]，高度為[Kh]的封閉空間，T為粒子停留時間（單位：s），[np]為噴嘴數目，[ng]為管道數目，可以得到：

[d2npng=8NmaxKLKwKhr3Tξ2gP] （13）

由表1可知，最大霧濃度 [Nmax=86 863]g/cm3，并將實際空間的相關尺寸、霧化器壓降、粒子半徑、粒子停留時間等數據代入式（13），可以得到：

[d2npng=0.1] （14）

為使霧分布盡量均勻，管道和噴嘴數目應該為偶數，噴嘴間距L應不小于20 cm，考慮到空間的寬度為5 m。因此，設計管道數目為6，每個管道上布置26個噴嘴，每個噴嘴間隔為20 cm，噴嘴的口徑為8 mm。每個噴嘴與垂直方向的夾角滿足：

[α=arctanK2Kh] （15）

3 可控霧霾環境測試試驗

可控霧霾環境測試試驗主要進行可控霧霾仿真環境霧霾粒子生成能力和霧霾濃度控制能力的測試。

3.1 霧霾粒子尺寸測試試驗

霧霾粒子特性指標測試對象為生成的水霧粒子尺寸、塵霧粒子尺寸和煙霧粒子尺寸[4?6]。試驗通過OPC?06多通道光學粒子計數器測量不同類型霧霾的顆粒尺寸。由粒子計數器測得系統的煙霧、水霧和塵霧的譜分布如圖3所示。由圖3可見煙霧粒子譜分布基本上是正態分布，由該系統生成的煙霧粒子平均半徑在2.2 μm附近，水霧粒子平均半徑在1.2 μm附近，塵霧粒子平均半徑在3.0 μm和10 μm附近，試驗結果滿足設計要求。

圖3 系統霧粒子譜分布圖

3.2 霧霾濃度測試試驗

霧霾濃度測試試驗內容包括：

（1） 激光測霧。利用650 nm波長的激光穿過介質照射到接收裝置，通過接收裝置檢測到的電壓來反映介質濃度的大小；

（2） 成像測霧。利用可見光相機采集的白板圖像，計算不同霧霾濃度下的透過率值[10]：

① 霧濃度和粒子濃度的關系

根據實測的霧濃度和光學粒子計數器所測粒子譜分布可得出霧濃度和粒子濃度之間的關系如圖4所示，其中煙霧粒子的幾何標準半徑在2.2 μm附近，水霧粒子的幾何標準半徑在1.2 μm附近，塵霧粒子幾何標準半徑在3.0 μm附近。

圖4 霧霾濃度與粒子濃度關系曲線

從測量結果來看，當霧濃度達到100%時，水霧、煙霧和塵霧粒子濃度可以達到9×104 個/cm3，滿足最大霧濃度控制的需要，不同類型霧濃度控制百分比與對應粒子濃度的關系也比較吻合，驗證系統實現了定量化控制，可以仿真外場不同霧天對光電成像系統影響。

② 不同霧霾濃度下的透過率值

實驗得到的不同濃度霧霾白板圖像經計算得到霧霾能見度和大氣透過率的關系如圖5所示。該系統生成的霧霾濃度變化范圍在0～90 000個/cm3內。通過透過率測量試驗發現，系統可生成能見度50～1 000 m的霧霾，能模擬大氣透過率為0.35～1自然霧霾環境。

圖5 可見光波段不同類型煙幕透過率變化曲線

4 結 語

本文基于大氣光學理論，建立了霧霾環境濃度和透過率內外場等效模型，根據霧粒子停留時間和霧粒子運動特性研究，采用管道參數仿真，設計了一個霧霾濃度可控的霧霾環境仿真系統。該系統采用基于粒子濃度百分比控制的方法，實現了內外場霧霾環境的等效。通過霧霾粒子測試和霧霾濃度測試，設計的霧霾環境仿真系統可仿真透過率為0.35～1自然霧霾環境。

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