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)，對于提高目標(biāo)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(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)麥姆斯咨詢報道，近期，浙江大學(xué)極端光學(xué)技術(shù)與儀器全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和光電科學(xué)與工程學(xué)院和西湖大學(xué)工學(xué)院的科研團(tuán)隊在《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”為主題的文章。該文章第一作者兼通訊作者為李強(qiáng)。

本文首先須厘清各波段的偽裝要求，其次應(yīng)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，應(yīng)認(rèn)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

為應(yīng)對多波段探測設(shè)備的威脅，目標(biāo)物須兼顧其他探測波段的偽裝要求。（1）在可見波段，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（圖1）；（2）在近紅外波段，目標(biāo)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（圖1）；（3）在微波波段，目標(biāo)須通過吸收或散射等手段減少回波信號，減小目標(biāo)物的雷達(dá)散射截面。

圖1 太陽輻射與黑體輻射（100~400℃）光譜輻照度及大氣透射率光譜

兼容性偽裝技術(shù)

兼容性偽裝技術(shù)要求目標(biāo)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(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相應(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，使得得到的復(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，要求上層材料對下層偽裝波段透明，以保障下層材料的偽裝效果。

下文將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(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(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(shí)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(shí)現(xiàn)覆蓋一定色域的迷彩色。Qi等人利用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），并通過調(diào)節(jié)頂部ZnS層的厚度實(shí)現(xiàn)對可見色彩的控制（圖2(a)）。特別地，在昏暗的背景中（如夜間、高空），需要盡可能地降低目標(biāo)的反射率，使其表面呈現(xiàn)與背景相近的黑色或深灰色。這要求偽裝材料表面要具備可見波段的低反射特性。

與一維光子晶體結(jié)構(gòu)相比，金屬微納結(jié)構(gòu)具有更少的膜層數(shù)量與更薄的總厚度。然而，金屬微納結(jié)構(gòu)的制備依賴于光刻等圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)，結(jié)構(gòu)性能對加工參數(shù)敏感，大面積制備難度較高。另一種實(shí)現(xiàn)可見兼容性偽裝的技術(shù)是采用可見透明的熱紅外偽裝材料，可應(yīng)用于載具的觀察窗等對可見透過率有特殊要求的場合。

圖2 熱紅外-可見兼容性偽裝技術(shù)

可見波段的偽裝，應(yīng)充分考慮背景的特征。迷彩色的可見偽裝技術(shù)適用于地面背景，而低反射率的可見偽裝技術(shù)更適合于天空背景。采用可見透明材料的熱紅外-可見兼容性偽裝技術(shù)具有更強(qiáng)的適用性，既可用于觀察窗等特殊的應(yīng)用情景，也可貼于傳統(tǒng)的迷彩偽裝材料表面，適應(yīng)各類背景。但是可見透明材料的制備工藝更為復(fù)雜，成本相對也更高。

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(dá)波有較弱的回波信號，以減小其雷達(dá)散射截面，可以通過對雷達(dá)波的吸收或?qū)⒗走_(dá)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(shí)現(xiàn)對雷達(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)會帶來較強(qiáng)的雷達(dá)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。

Wen等人設(shè)計了由周期性金屬片構(gòu)成的紅外屏蔽層，可使得微波透過，并被下方的雷達(dá)吸收層吸收。該結(jié)構(gòu)在8.1~19.3 GHz波段的吸收率大于90%，其紅外發(fā)射率由金屬片的發(fā)射率與占空比決定（圖3(a)）。在此之上，將紅外屏蔽層和微波頻率選擇性吸收器中的金屬材料更換為透明導(dǎo)電氧化物可以實(shí)現(xiàn)可見透明、紅外低發(fā)射率、微波波段高吸收的偽裝材料（圖3(b)）。Kim等人將紅外選擇性輻射器與微波頻率選擇性吸收器相結(jié)合（圖3(c)），在實(shí)現(xiàn)紅外3~5 μm和8~14 μm內(nèi)低發(fā)射和5~8 μm輻射散熱的同時，實(shí)現(xiàn)了8~12 GHz波段的高吸收（>90%）。進(jìn)一步地，通過優(yōu)化微波吸收器結(jié)構(gòu)，可將微波吸收波段拓展至2-12 GHz。

除了利用微波吸收器吸收入射的雷達(dá)波外，將雷達(dá)波散射到其他方向上也可以有效降低回波信號。微波散射技術(shù)以散射的形式降低回波信號，有效避免了由于吸收微波而增加的熱負(fù)載，對于目標(biāo)物的熱管理有著積極意義。但是由于散射式編碼超表面的構(gòu)建需要相鄰單元間存在π的反射相位差，這使得其微波隱身帶寬受到了限制。與之相對的，微波吸收器可通過增加金屬（導(dǎo)電材料）諧振結(jié)構(gòu)的層數(shù)，拓寬其吸收波段，實(shí)現(xiàn)超寬帶的微波隱身（代價是厚度、重量和制備難度的增加）。

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：太陽輻射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)弱于太陽輻射，但在微光夜視儀等像增強(qiáng)設(shè)備的輔助下，仍會暴露目標(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，如采取近紅外波段高吸收的表面或散射表面。

除提高近紅外吸收率外，將入射激光散射/漫反射到其他方向的偽裝技術(shù)也能有效降低激光雷達(dá)回波信號。例如，將編碼超表面引入近紅外波段，設(shè)計將近紅外入射激光散射到其他方向的編碼超表面可有效降低激光鏡面反射信號。

利用粗糙表面的漫反射效應(yīng)亦可降低對紅外主動探測的鏡面反射信號。Huang 等人將Al薄膜沉積在砂紙上，再轉(zhuǎn)移至柔性PI 襯底上，可獲得具有朗伯輻射特征的粗糙表面（圖4(d)）。其在近紅外波段內(nèi)的鏡面反射率接近0，且在熱紅外波段兼具低發(fā)射率（約0.1）和低鏡面反射率（約0.05）的特性，對紅外主被動探測均可進(jìn)行偽裝。

基于近紅外吸收的偽裝技術(shù)可大大減少目標(biāo)的反射信號。然而，其對外部光源（如太陽輻射、激光）的吸收，將增大目標(biāo)的熱負(fù)載，并對材料自身的熱穩(wěn)定性和激光損傷閾值產(chǎn)生更高的要求。基于近紅外編碼超表面的偽裝技術(shù)避免了吸收帶來的熱效應(yīng)，但是其散射帶寬受限，并依賴于光刻技術(shù)，難以大面積制備。粗糙表面的制備方法簡單、成本低，且能實(shí)現(xiàn)由近紅外至熱紅外波段的超寬帶漫反射，但是其光譜可調(diào)控性有限，難以進(jìn)一步地與光譜選擇性發(fā)射器等偽裝技術(shù)結(jié)合起來。

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(biāo)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(shí)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。Zhu等人將可見色彩調(diào)控層、近紅外-熱紅外光子晶體和微波頻率選擇性吸收器集成，設(shè)計了兼容可見迷彩、熱紅外探測波段（3~5 μm和8~14 μm）低發(fā)射率、1.55 μm和10.6 μm激光高吸收、8~12 GHz雷達(dá)波高吸收的偽裝材料（圖5(a)）利用材料本身在不同波段的不同響應(yīng)特性可以減少分層次結(jié)構(gòu)的層數(shù)。

第一種思路在設(shè)計階段將各波段偽裝器件分解開來獨(dú)立設(shè)計，有助于簡化設(shè)計難度，但是最后組裝得到的多波段偽裝器件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，集成度較低。后一種思路在設(shè)計階段就考慮了材料在不同波段的電磁響應(yīng)特性，有利于提高器件的集成度，但是設(shè)計難度更大，難以兼顧較寬的波段范圍。

圖5 多波段兼容性偽裝技術(shù)

總結(jié)與展望

隨著先進(jìn)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(shí)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(xì)分波段的偽裝問題。前面對各探測波段采用的是一種較粗略的劃分方式，實(shí)際上，各個細(xì)分波段對偽裝要求仍可能存在差異。這要求光子結(jié)構(gòu)對光譜進(jìn)行精細(xì)化的調(diào)控，以滿足各細(xì)分波段的光譜要求。機(jī)器學(xué)習(xí)能大大提升兼容性偽裝材料的設(shè)計和制備效率，促進(jìn)更加適應(yīng)多元化的應(yīng)用環(huán)境的偽裝技術(shù)的發(fā)展。使用大量的微納結(jié)構(gòu)及其光譜數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到的模型可以快速地對光子結(jié)構(gòu)的光譜特性進(jìn)行預(yù)測，并可被用來根據(jù)光譜要求進(jìn)行光子結(jié)構(gòu)的逆向設(shè)計。

（2）材料和結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制備問題。目前很多基于微納結(jié)構(gòu)的多波段兼容性偽裝材料依賴于光刻等微納加工技術(shù)，使得其進(jìn)一步推向大規(guī)模、低成本的應(yīng)用仍存在限制。納米壓印技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)高通量的微納結(jié)構(gòu)加工。卷對板、卷對卷等滾軸式的納米壓印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)性的微納加工，用于制備大面積的兼容性偽裝器件。

（3）材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用性問題。多波段兼容性材料在推向?qū)嶋H應(yīng)用時，還需考慮材料的耐高溫、耐腐蝕、結(jié)合力、質(zhì)量、尺寸等應(yīng)用性問題。使用耐高溫的絕熱材料，如氣凝膠、石英纖維等可以大大減少偽裝材料的表面溫度，提升其熱穩(wěn)定性。同時，對于高溫目標(biāo)而言，將紅外偽裝材料與絕熱材料相結(jié)合，在減少偽裝材料熱負(fù)載的同時可使其具有更低的紅外輻射信號。

（4）動態(tài)調(diào)控問題。在實(shí)際應(yīng)用中，由于地形、季節(jié)、天氣、時間等條件的變化，可能帶來目標(biāo)背景的變化。為提高目標(biāo)在復(fù)雜多變背景下的生存能力，對偽裝材料進(jìn)行動態(tài)調(diào)控，使其能對背景進(jìn)行自適應(yīng)就顯得很重要。利用石墨烯、碳納米管等電致變發(fā)射率材料或者氧化釩、鍺銻碲等熱致變發(fā)射率材料，可設(shè)計動態(tài)可調(diào)的偽裝材料，根據(jù)背景的變化主動或自適應(yīng)地調(diào)整其紅外輻射特征。

審核編輯：黃飛

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