多波段兼容紅外偽裝技術(shù)研究進展綜述

紅外偽裝技術(shù)是指隱藏或改變目標紅外輻射特征的技術(shù)，對于提高目標的生存率具有重大意義。多波段探測技術(shù)的發(fā)展，給傳統(tǒng)的紅外偽裝技術(shù)帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，使得多波段兼容紅外偽裝材料的研究變得十分緊迫。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，由浙江大學(xué)和西湖大學(xué)組成的科研團隊受邀在《激光與光電子學(xué)進展》期刊上發(fā)表了以“多波段兼容紅外偽裝技術(shù)研究進展（特邀）”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為浙江大學(xué)李強教授。

這項研究首先厘清各波段的偽裝要求。其次合理利用各波段材料電磁響應(yīng)的不同和結(jié)構(gòu)尺寸的差異，設(shè)計分層次結(jié)構(gòu)以滿足不同波段的光譜要求。最后，認識到現(xiàn)有研究存在的不足，向著適應(yīng)更多探測波段、應(yīng)用場景，制備工藝更簡便、成本更低、應(yīng)用性更優(yōu)的方向發(fā)展。

兼容性偽裝原理

根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，影響物體熱輻射強度的因素主要有：1）物體表面的發(fā)射率；2）物體表面的溫度。因而可通過調(diào)節(jié)物體的發(fā)射率或表面溫度來調(diào)控其熱輻射強度，從而達到熱紅外波段偽裝的目的。由于一般目標的輻射強于背景，因此往往需要在常用的熱紅外探測波段（對應(yīng)兩個大氣透明窗口3~5 μm和8~14 μm）抑制目標物的熱輻射信號。這可以通過減小目標物的表面發(fā)射率或降低其表面溫度來實現(xiàn)（圖1）。

圖1 太陽輻射與黑體輻射（100~400 ℃）的光譜輻照度及大氣透射率光譜

為應(yīng)對多波段探測設(shè)備的威脅，目標物須兼顧其他探測波段的偽裝要求：

1）在可見波段，目標可采用低反射率（高吸收率或透明）表面或者與背景色相似的迷彩表面；

2）在近紅外波段，目標須考慮減少對日光、月光等自然光源或激光等人造光源的反射信號；

3）在微波波段，目標須通過吸收或散射等手段減少回波信號，減小目標物的雷達散射截面。

兼容性偽裝技術(shù)

兼容性偽裝技術(shù)要求目標物對兩個或多個波段的探測設(shè)備具有良好的偽裝效果，其實現(xiàn)思路一般為：

1）利用偽裝材料自身在不同波段的電磁響應(yīng)特性，滿足各波段的偽裝要求；

2）將針對不同波段的偽裝材料在空間上疊加起來，使得復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠滿足各波段的偽裝要求。

值得注意的是，使用疊加方法實現(xiàn)兼容性偽裝，要求上層材料對下層偽裝波段透明，以保障下層材料的偽裝效果。

本研究主要從熱紅外波段與可見、微波、近紅外波段的兼容性偽裝技術(shù)研究進展出發(fā)，介紹微納光子結(jié)構(gòu)在兼容性偽裝技術(shù)上的應(yīng)用，對比、評述基于不同材料與結(jié)構(gòu)的兼容性偽裝技術(shù)的優(yōu)勢與不足。

熱紅外-可見兼容性偽裝技術(shù)

兼容可見波段偽裝的熱紅外偽裝技術(shù)要求在保障熱紅外波段低發(fā)射率的同時，在可見波段有較低的反射率（高吸收率或透明）或與背景相似的色彩特征，以提高其在肉眼和可見探測設(shè)備下的隱蔽性。

熱紅外波段的低發(fā)射率可通過金屬微納結(jié)構(gòu)或介質(zhì)增反膜實現(xiàn)。其中，金屬微納結(jié)構(gòu)主要利用金屬材料在熱紅外波段的高反射特性，介質(zhì)增反膜一般為設(shè)計波長在熱紅外探測波段（3~5 μm 和8~14 μm）的一維光子晶體。但是由于金屬材料和介質(zhì)膜堆中的高折射率紅外透明材料（如Si、Ge 等）在可見波段也有著較高的反射率，因此需要在結(jié)構(gòu)頂部增加一層可見調(diào)控層，以實現(xiàn)可見波段內(nèi)的迷彩或減反效果。

在結(jié)構(gòu)頂部增加可見調(diào)控層，利用其干涉效應(yīng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色，可實現(xiàn)覆蓋一定色域的迷彩色。Qi等利用Ge/ZnS準周期性光子晶體實現(xiàn)了8~14 μm內(nèi)的低發(fā)射率（約0.1），并通過調(diào)節(jié)頂部ZnS層的厚度實現(xiàn)對可見色彩的控制［圖2（a）］。

圖2 熱紅外-可見兼容性偽裝技術(shù)

熱紅外-微波兼容性偽裝技術(shù)

兼容微波波段偽裝的熱紅外偽裝技術(shù)要求在保障熱紅外波段低發(fā)射率的同時，對雷達波有較弱的回波信號，以減小其雷達散射截面，可以通過對雷達波的吸收或?qū)⒗走_信號散射到其他方向?qū)崿F(xiàn)。

前述的全電介質(zhì)一維光子晶體在微波波段有著很高的透過率，可在其下方設(shè)置微波吸收結(jié)構(gòu)或材料實現(xiàn)對雷達波的吸收。金屬材料在微波波段有著很高的反射率，低紅外發(fā)射率的金屬微納結(jié)構(gòu)會帶來較強的雷達回波信號。為解決這一問題，可利用紅外與微波間的波長差異，將連續(xù)的金屬層分割為與微波波長尺寸相近的島狀結(jié)構(gòu)。這樣，在構(gòu)成微波波段的頻率選擇性表面的同時，金屬島的尺寸相比紅外波長足夠大，仍能保持紅外的低發(fā)射率特性。

圖3 熱紅外-微波兼容性偽裝技術(shù)

熱紅外-近紅外兼容性偽裝技術(shù)

與熱紅外波段不同，近紅外波段的熱輻射信號相對較弱，反射的外部光源信號往往占據(jù)主導(dǎo)地位。常見的近紅外信號來源有：1）太陽輻射，其在近紅外波段有著較強的輻照度，是最重要的自然光源；2）夜光，主要包括月光、星光、大氣輝光等，其輻照強度雖遠弱于太陽輻射，但在微光夜視儀等像增強設(shè)備的輔助下，仍會暴露目標物的信息；3）紅外探照燈等人造光源；4）激光雷達。實現(xiàn)近紅外兼容隱身，須盡量減少其反射信號，如采取近紅外波段高吸收的表面或散射表面。

圖4 熱紅外-近紅外兼容性偽裝技術(shù)

多波段兼容性偽裝技術(shù)

隨著多波段探測技術(shù)的發(fā)展，目標物須應(yīng)對兩種波段以上的探測器的威脅。因此發(fā)展多波段兼容的偽裝技術(shù)也就顯得尤為重要。實現(xiàn)多波段兼容偽裝，一個重要的思路是利用各探測波段的波長差異，設(shè)計分層次的結(jié)構(gòu)，從而滿足各個探測波段不同的偽裝需求。

圖5 多波段兼容性偽裝技術(shù)

總結(jié)

隨著先進的多波段探測技術(shù)的發(fā)展，厘清各探測波段的信號來源、偽裝要求，并設(shè)計兼容性的偽裝材料是當(dāng)下偽裝技術(shù)研究的重要方向。不同于傳統(tǒng)的針對單一波段的偽裝材料，多波段兼容的偽裝材料需要綜合考慮材料和結(jié)構(gòu)在不同波段的電磁響應(yīng)，并加以合理利用。利用各探測波段的波長差異，設(shè)計分層次的結(jié)構(gòu)，將滿足不同波段偽裝要求的結(jié)構(gòu)復(fù)合起來是實現(xiàn)多波段兼容性偽裝的重要思路。針對多波段偽裝的需求，研究人員已提出多種解決方案，但未來多波段兼容性偽裝材料走向?qū)嶋H應(yīng)用，還需解決以下問題：1）各細分波段的偽裝問題；2）材料和結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制備問題；3）材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用性問題；4）動態(tài)調(diào)控問題。

論文鏈接：

DOI: 10.3788/LOP232321

審核編輯：劉清