炮每秒射出的水量；V 2为每秒混合入的热水量，T 2为热水温度；T1为冷水的温度；T为所需的目标温度。目前大型高压水炮的流量为400m 3/h，即110L/S ;正常海面温度为20°C左右，经过舰船发动机海水冷却系统后的海水温度为50°C左右，混合后温度需比周边温度高1°C，将参数代入上述公式即可估算出，所需热水的流量约为14m3/h，即 4L/so
[0033]根据所需热水流量，考虑发动机海水冷系统的循环流速及流量，热水蓄水池仅需4?6m3的蓄水空间即可维持3?4小时的红外辐射增强型高压水炮的持续喷射。
[0034]其中步骤(2)中，排布于射流红外增亮环型电路18中的点阵光源通过光纤19产生的红外线波段可调整，针对不同场合，进行相应调整，对水炮射流中的红外辐射进行不同形式的增强以达到最好的效果。必要的时候可以采用脉冲工作的方式使射流在瞬间有更高的红外辐射，不对目标物的识别产生影响。
[0035]图4所示为红外线在射流水道中的传播原理:光由光密介质进入光疏介质时，要离开法线折射。当入射角α增大到Θ角度时，折射角β为90°。该入射角Θ为临界角。当入射角大于临界角时，光线全部反射回光密媒质，临界角计算如下:
[0036]Θ = arc Sin(Ii2Ai1)
[0037]其中，Θ为临界角％为光密介质折射率；n 2为光疏介质折射率。特别的当112 =1，叫=1.3时，光从水射向空气时的临界角ε =55.9°。
[0038]当红外线沿着射流水道传播时，由于水与空气的折射率不同，射流水柱存在气泡等原因，在红外热成像仪拍摄得到的图片中，可以形成一条与周围环境有着明显亮度差的射流轨迹:
[0039]a.由于水的折射率(大约1.3)大于空气的折射率(大约为I)，排布于射流红外增亮环型电路18中的点阵光源通过光纤19产生的红外线在水与空气的交界处会发生折射现象，当入射角达到临界角时，红外线发生全反射，这样一来，红外线会随着水流一同射出，当射流接近完整时，全反射将贯穿整个射流，因此周围有较少的红外辐射影响，入射红外线的大部分在射流落地点射出，通过红外热成像仪在射流的落点附近形成一个和周围有很大亮度差的水迹，如图5所示，很容易通过计算机图像处理识别出该位置。
[0040]b.射流喷出时，排布于射流红外增亮环型电路18中的点阵光源通过光纤19发出的红外线并不能保证全部发生全反射效应，其中部分红外线会直接折射出来，如图6所示。此外，由于射流轨迹具有一定的弧度，发生全反射的红外线在传输的过程中也会由于不满足临界角的条件而直接折射出来。
[0041]c.喷射出的水质并不是非常的纯净，里面会夹杂其他物质或者形成水泡，红外线在传输过程中遇到这些物质或者水泡后会发生散射现象，然后传到周围环境中。射流在传输过程中，并不是理想的柱状形，在边缘部分还是会有一些水流分支，部分传输的红外线也会散射出来如图7所示。
[0042]综上所述，由于排布于射流红外增亮环型电路18中的点阵光源通过光纤19发出的红外线和水炮喷口、射流之间的关系，一方面将大部分红外线束缚在射流中，而周围背景的红外辐射并不是很大，射流的小气泡、弯曲等状态又使得部分红外线在射流传播时散射出来，在红外热成像仪拍摄的图片中射流形成一道明亮的水柱；在射流的落地点，全反射的红外线在这里射出，形成一个较为突出的亮斑，射流和周围环境明显的区别出来。
[0043]高压水炮在实际射流过程中，射流水道的状态为图7所述情况，在该情况下，单独依靠排布于射流红外增亮环型电路18中的点阵光源通过光纤19发出的红外线，射流水道轮廓在高压水炮喷口处极为清晰，在水道落点处由于散射造成的能量损失，落点光斑大而模糊，通过图像处理进行落点定位的准确度较低。同时，由于射流水道流速快，水道外层温度流失严重，在射流初始段，水道内层温度较高的部分受到外层失温部分阻挡，水道轮廓显示不够清晰，而在水道落点位置，水道内外层温差结构由于撞击被破坏，温度中和后，落点轮廓依然能够区别于周边环境，且轮廓区域较为集中。因此，通过上述的叠加配合，可以很好的对射流水道整体进行红外示廓。
[0044]图8所示为实际高压水炮射流水道红外辐射增强系统在夜间工作时，通过红外热成像仪拍摄的照片，在该次实际运行过程中，水炮流量为40L/s，水道的射流距离为40米，热水蓄水池容量为lm3，热水温度为50°C，环境温度为20°C，混合后的出水温度为22°C，射流红外增亮环功率为15W，通过红外热成像仪可以清楚的看到射流水道的轮廓及其落点。
[0045]在高压水炮射流水道红外辐射增强系统中，以红外热成像仪作为传感器，通过机算计视觉技术和图像处理，能很容易的定位高压水炮的射流水道落点，分析射流落点和目标之间的位置偏差，修正水炮的喷射角度，实现对威胁目标的精确打击。
[0046]本发明提出的高压水炮射流水道红外辐射增强系统及其工作方法，是为了让红外热成像仪所成图像中的射流水道特别是射流落点的轮廓区域相对于周围环境更加明亮，增加水炮射流水道图像与背景图像的灰度差，提高射流水道落点的定位精度。
[0047]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种高压水炮射流水道红外辐射增强系统，其特征在于:包括发动机海水冷却系统、发动机海水冷却管路(16)、安装于发动机海水冷却管路上的热水源电磁阀(10)、热水蓄水池(3)、冷热水混合管路(12)、安装于冷热水混合管路(12)上的热水混合电磁阀(7)、高压水炮管路(13)、安装于高压水炮管路(13)上的高压水炮管路系统(12)、安装于高压水炮管路(13)的出水端口的红外辐射增强光环型炮口(11)、回流管路(14)、以及安装于回流管路(14)上的抽水泵(15)，所述发动机海水冷却管路的一末端穿设于发动机海水冷却系统后位于海水中，另一末端位于热水蓄水池(3)中，所述冷热水混合管路(12)的一末端位于热水蓄水池(3)中，另一末端与高压水炮管路(13)的进水端口相连，所述回流管路(14)的一末端位于热水蓄水池(3)中，另一末端位于海水中，在热水蓄水池(3)中放置有液位计(I)和温度计(2)，在冷热水混合管路(12)上依次安装设置有热水泵(4)、第一流量计(5)和第一压力计(6)，在高压水炮管路(13)上安装设置有第二流量计(8)和第二压力计(9)。2.如权利要求1所述的高压水炮射流水道红外辐射增强系统，其特征在于:所述红外辐射增强光环型炮口(11)包括束流圆套环(17)以及安装于束流圆套环(17)内的射流红外增亮环型电路(18)和光纤(19)，所述射流红外增亮环型电路(18)中排布有红外光管点阵光源，所述红外光管点阵光源通过光纤(19)将红外线传播至射流水道。3.如权利要求2所述的高压水炮射流水道红外辐射增强系统的工作过程，其特征在于:包括如下步骤 (1)在高压水炮启动前，打开热水源电磁阀(10)，开辟发动机冷却水管道(16)，将海水经过发动机海水冷却系统加热后注入热水蓄水池(3)内； (2)通过温度计和液位计监测热水蓄水池(3)内温度及液位满足要求后，启动高压水炮，打开热水泵(4)和热水混合电磁阀(7)，热水蓄水池(3)内的水进入高压水炮管道，同时将红外辐射增强光环型炮口(11)中的射流红外增亮环型电路(18)上电，排布于射流红外增亮环型电路(18)中的点阵光源通过光纤(19)将红外线传播至射流水道。
【专利摘要】本发明公开一种高压水炮射流水道红外辐射增强系统及其工作过程，其中增强系统包括发动机海水冷却系统、发动机海水冷却管路、热水源电磁阀、热水蓄水池、冷热水混合管路、热水混合电磁阀、高压水炮管路、高压水炮管路系统、红外辐射增强光环型炮口、回流管路及抽水泵，发动机海水冷却管路的一末端位于海水中，另一末端位于热水蓄水池中，冷热水混合管路的一末端位于热水蓄水池中，另一末端与高压水炮管路的进水端口相连，回流管路的一末端位于热水蓄水池中，另一末端位于海水中，在热水蓄水池中放置有液位计和温度计，在冷热水混合管路上依次安装设置有热水泵、第一流量计和第一压力计，在高压水炮管路上安装设置有第二流量计和第二压力计。
【IPC分类】B63G13/00
【公开号】CN104973231
【申请号】CN201510357764
【发明人】林亮, 李明, 赵敏, 姚敏, 张若昀, 陈皓
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年6月25日