紅外偽裝技術(shù)是指隱藏或改變目標(biāo)紅外輻射特征的技術(shù),對(duì)于提高目標(biāo)的生存率具有重大意義。多波段探測(cè)技術(shù)的發(fā)展,給傳統(tǒng)的紅外偽裝技術(shù)帶來(lái)了嚴(yán)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(bào)道,近期,由浙江大學(xué)和西湖大學(xué)組成的科研團(tuán)隊(duì)受邀在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊上發(fā)表了以“多波段兼容紅外偽裝技術(shù)研究進(jìn)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(qiáng)教授。
這項(xiàng)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(jì)分層次結(jié)構(gòu)以滿足不同波段的光譜要求。最后,認(rèn)識(shí)到現(xiàn)有研究存在的不足,向著適應(yīng)更多探測(cè)波段、應(yīng)用場(chǎng)景,制備工藝更簡(jiǎn)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(qiáng)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(guò)調(diào)節(jié)物體的發(fā)射率或表面溫度來(lái)調(diào)控其熱輻射強(qiáng)度,從而達(dá)到熱紅外波段偽裝的目的。由于一般目標(biāo)的輻射強(qiáng)于背景,因此往往需要在常用的熱紅外探測(cè)波段(對(duì)應(yīng)兩個(gè)大氣透明窗口3~5 μm和8~14 μm)抑制目標(biāo)物的熱輻射信號(hào)。這可以通過(guò)減小目標(biāo)物的表面發(fā)射率或降低其表面溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖1)。
圖1 太陽(yáng)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(duì)多波段探測(cè)設(shè)備的威脅,目標(biāo)物須兼顧其他探測(cè)波段的偽裝要求:
1)在可見(jiàn)波段,目標(biāo)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(biāo)須考慮減少對(duì)日光、月光等自然光源或激光等人造光源的反射信號(hào);
3)在微波波段,目標(biāo)須通過(guò)吸收或散射等手段減少回波信號(hào),減小目標(biāo)物的雷達(dá)散射截面。
兼容性偽裝技術(shù)
兼容性偽裝技術(shù)要求目標(biāo)物對(duì)兩個(gè)或多個(gè)波段的探測(cè)設(shè)備具有良好的偽裝效果,其實(shí)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(duì)不同波段的偽裝材料在空間上疊加起來(lái),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(shí)現(xiàn)兼容性偽裝,要求上層材料對(duì)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(jiàn)、微波、近紅外波段的兼容性偽裝技術(shù)研究進(jìn)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(duì)比、評(píng)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(shì)與不足。
熱紅外-可見(jiàn)兼容性偽裝技術(shù)
兼容可見(jiàn)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(shí),在可見(jiàn)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(jiàn)探測(cè)設(shè)備下的隱蔽性。
熱紅外波段的低發(fā)射率可通過(guò)金屬微納結(jié)構(gòu)或介質(zhì)增反膜實(shí)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(jì)波長(zhǎng)在熱紅外探測(cè)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(jiàn)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(jiàn)調(diào)控層,以實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)波段內(nèi)的迷彩或減反效果。
在結(jié)構(gòu)頂部增加可見(jiàn)調(diào)控層,利用其干涉效應(yīng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色,可實(shí)現(xiàn)覆蓋一定色域的迷彩色。Qi等利用Ge/ZnS準(zhǔn)周期性光子晶體實(shí)現(xiàn)了8~14 μm內(nèi)的低發(fā)射率(約0.1),并通過(guò)調(diào)節(jié)頂部ZnS層的厚度實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)色彩的控制[圖2(a)]。
圖2 熱紅外-可見(jiàn)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(shí),對(duì)雷達(dá)波有較弱的回波信號(hào),以減小其雷達(dá)散射截面,可以通過(guò)對(duì)雷達(dá)波的吸收或?qū)⒗走_(dá)信號(hào)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(guò)率,可在其下方設(shè)置微波吸收結(jié)構(gòu)或材料實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)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(huì)帶來(lái)較強(qiáng)的雷達(dá)回波信號(hào)。為解決這一問(wèn)題,可利用紅外與微波間的波長(zhǎng)差異,將連續(xù)的金屬層分割為與微波波長(zhǎng)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(shí),金屬島的尺寸相比紅外波長(zhǎng)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(hào)相對(duì)較弱,反射的外部光源信號(hào)往往占據(jù)主導(dǎo)地位。常見(jiàn)的近紅外信號(hào)來(lái)源有:1)太陽(yáng)輻射,其在近紅外波段有著較強(qiáng)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(qiáng)度雖遠(yuǎn)弱于太陽(yáng)輻射,但在微光夜視儀等像增強(qiáng)設(shè)備的輔助下,仍會(huì)暴露目標(biāo)物的信息;3)紅外探照燈等人造光源;4)激光雷達(dá)。實(shí)現(xiàn)近紅外兼容隱身,須盡量減少其反射信號(hào),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(cè)技術(shù)的發(fā)展,目標(biāo)物須應(yīng)對(duì)兩種波段以上的探測(cè)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(shí)現(xiàn)多波段兼容偽裝,一個(gè)重要的思路是利用各探測(cè)波段的波長(zhǎng)差異,設(shè)計(jì)分層次的結(jié)構(gòu),從而滿足各個(gè)探測(cè)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(jìn)的多波段探測(cè)技術(shù)的發(fā)展,厘清各探測(cè)波段的信號(hào)來(lái)源、偽裝要求,并設(shè)計(jì)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(duì)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(cè)波段的波長(zhǎng)差異,設(shè)計(jì)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(lái)是實(shí)現(xiàn)多波段兼容性偽裝的重要思路。針對(duì)多波段偽裝的需求,研究人員已提出多種解決方案,但未來(lái)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(wèn)題:1)各細(xì)分波段的偽裝問(wèn)題;2)材料和結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制備問(wèn)題;3)材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用性問(wèn)題;4)動(dòng)態(tài)調(diào)控問(wèn)題。
論文鏈接:
DOI: 10.3788/LOP232321
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:綜述:多波段兼容紅外偽裝技術(shù)研究進(jìn)展
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