楊欣欣 拓 銳 張 彬 張國鋒 潘忠泉

(中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031)

隱身技術(shù)光譜反射率的發(fā)展探討

楊欣欣 拓 銳 張 彬 張國鋒 潘忠泉

(中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031)

介紹了隱身技術(shù)的發(fā)展，論述了光譜反射率在可見光隱身技術(shù)、激光隱身技術(shù)、紅外隱身技術(shù)、雷達(dá)隱身技術(shù)、多波段復(fù)合型隱身技術(shù)等不同領(lǐng)域的進(jìn)展，簡要總結(jié)了光譜反射率技術(shù)在隱身技術(shù)中的發(fā)展方向。

隱身技術(shù) 反射率 應(yīng)用

隱身技術(shù)(stealthy technology)是通過控制、降低目標(biāo)的可探測信號(hào)特征，使其不易被敵方的微波、紅外、可見光、聲波等各種探測設(shè)備發(fā)現(xiàn)、跟蹤、定位和攻擊的綜合技術(shù)。隨著光電探測技術(shù)的發(fā)展，對(duì)武器裝備的隱身技術(shù)提出了越來越高的要求，國際上軍事強(qiáng)國均把隱身技術(shù)列為武器裝備的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國隱身技術(shù)發(fā)展迅速，隱身材料已在多種型號(hào)的先進(jìn)武器系統(tǒng)批量應(yīng)用。隱身技術(shù)主要包括可見光、激光、紅外、雷達(dá)等隱身，以及它們的復(fù)合隱身。隨著隱身與反隱身技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類武器裝備及其重要目標(biāo)的隱身要求已從單一的雷達(dá)波隱身、紅外隱身，向多功能、多波段隱身發(fā)展。

反射率是評(píng)價(jià)隱身材料性能的主要參數(shù)，隱身材料反射率測試系統(tǒng)由微波信號(hào)源、收發(fā)天線、信號(hào)接收機(jī)和信號(hào)分析處理儀器等組成。目前，國內(nèi)建立了許多隱身材料反射率測試系統(tǒng)，為了保證測試準(zhǔn)確性，不僅需要對(duì)各微波設(shè)備和器件進(jìn)行校準(zhǔn)，而且還需要對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行校準(zhǔn)。為了滿足對(duì)隱身材料反射率測量系統(tǒng)進(jìn)行整體校準(zhǔn)和評(píng)價(jià)的需要，研制隱身材料反射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，建立相應(yīng)的定值系統(tǒng)，并且實(shí)現(xiàn)其在隱身材料反射率專用測量設(shè)備校準(zhǔn)中重要作用是目前很多科研工作者研究的方向［1，2］。以下筆者主要對(duì)不同隱身技術(shù)領(lǐng)域的反射率測試技術(shù)進(jìn)行了綜述。

1 反射率在不同隱身技術(shù)領(lǐng)域的研究

1.1 可見光隱身技術(shù)領(lǐng)域

可見光隱身又稱視頻隱身，是針對(duì)人的目視、照相、攝像等觀測手段而采取的隱身技術(shù)［3］，其目的是要求目標(biāo)反射率盡可能與周圍環(huán)境的反射率一致。隱身的主要技術(shù)途徑有特殊照明系統(tǒng)、亮度和顏色可調(diào)的奇異蒙皮、電致變色薄膜和煙幕遮蔽等。在目標(biāo)表面涂敷由顏料顆粒和黏結(jié)劑組成的涂料是改變其反射率特性的一種簡單方法?？梢姽怆[身涂料設(shè)計(jì)就是研究不同配方與顏色的關(guān)系。由Kubelka-Munk的二流理論，可以得到在無窮厚涂層的假設(shè)下，涂層用吸收系數(shù)和散射系數(shù)表示的漫反射率。所以尋求涂料組成與吸收系數(shù)、散射系數(shù)的關(guān)系就成為涂料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［4］。

徐文蘭等［5］根據(jù)顆粒粒徑與波長相比的不同情形，分別用粗粒子理論、細(xì)粒子理論和橋理論求得顆粒的光散射系數(shù)和吸收系數(shù)，從而得到含顆粒涂料的漫反射率;討論了涂料參數(shù)如黏結(jié)劑和顆粒的光學(xué)常數(shù)、顆粒粒徑和體積比等對(duì)漫反射率的影響，并以含鈦白粉顆粒的涂料為例，介紹了可見光隱身涂料的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法。

有較高反射率的金屬是熱隱身涂料最常用和最重要的顏料種類。在實(shí)際應(yīng)用過程中，多選用性能優(yōu)異、價(jià)格低廉的鋁粉。畢愛紅等［6］向3種基本組成相同而復(fù)色漿不同的紅棕色涂料中加入定量的鋁粉，研究了加入鋁粉前、后涂層的表面發(fā)射率以及在指定波段內(nèi)的反射率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入一定量的鋁粉后，可提高涂料在380～2 500 nm波段尤其是可見光區(qū)的反射率;加入一定量的鋁粉后，涂層在8.0～13.5 μm波段內(nèi)的表面發(fā)射率均小于未加鋁粉的涂層。

1.2 激光隱身技術(shù)領(lǐng)域

激光隱身要求目標(biāo)表面具有的低反射率是平均低反射率，因?yàn)楸M管激光波束很窄，但在遠(yuǎn)距離探測時(shí)，激光光斑也足夠大。所以在保證目標(biāo)表面具有低平均反射率的前提下，可以允許涂層斑塊反射率有大有小，因此可以在雷達(dá)材料表面的一部分加覆激光隱身材料，這種分塊型的材料也為實(shí)現(xiàn)激光與雷達(dá)的復(fù)合隱身留有很大設(shè)計(jì)余地［7，8］。根據(jù)激光測距的原理，在測距機(jī)的類型及大氣傳輸條件確定之后，測程與目標(biāo)的反射率直接有關(guān)［9-11］。對(duì)于大型目標(biāo)來說，能將目標(biāo)表面的反射率比一般目標(biāo)降低1個(gè)數(shù)量級(jí)，則其最大激光測程將減少到原來的1/2～1/3，即可實(shí)現(xiàn)激光隱身，這是利用涂層反射率作為激光隱身性能指標(biāo)的依據(jù)。根據(jù)研究表明，碳納米管在激光隱身材料的應(yīng)用方面有很好的前景［12］。

1.3 紅外隱身技術(shù)領(lǐng)域

紅外隱身所要求高反射率性能和以吸收為機(jī)制的低反射率/吸收率的性能要求有沖突，而導(dǎo)電高分子材料有較高的導(dǎo)電率，呈現(xiàn)出的半導(dǎo)體性，對(duì)其進(jìn)行摻雜后，具有類金屬的特性，對(duì)紅外輻射有較高的反射性能，因此有獨(dú)特的紅外吸收和紅外反射特性。Chandrasekhar P和Masulaitis Anthony M等［13，14］通過選擇合適的高分子材料、摻雜劑、合成方法等，合成了一系列導(dǎo)電高分子材料，可以控制其光學(xué)特性如色對(duì)比度、反射率、透射性等，有的導(dǎo)電高分子材料在2.5～20 μm的反射率在90%以上。

程剛等［15］采用一步法制備了綠色顏料增強(qiáng)硬質(zhì)聚氨酯的復(fù)合材料。隱身材料的影響因素很多，其中顏料粉體是影響隱身性能的最主要的關(guān)鍵因素，研究了添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的顏料對(duì)硬質(zhì)聚氨酯隱身性能、力學(xué)性能的影響;測試試樣的反射率和發(fā)射率曲線。分析得出，當(dāng)顏料加入量為12%時(shí)，在700～800 nm波段，反射率最高為51.2%;在8～14 μm波段，發(fā)射率值為0.681，滿足熱紅外隱身材料發(fā)射率的要求。

王浩等［16］發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管采取噴涂耐高溫的低發(fā)射率、低反射率的材料后，紅外輻射強(qiáng)度有明顯的降低，并分析了計(jì)算結(jié)果。通過仿真計(jì)算，尾噴管采用低發(fā)射率、低反射率材料后，可以有效降低紅外輻射強(qiáng)度，起到很好的隱身效果，降低紅外尋地導(dǎo)彈的跟蹤以及紅外光電雷達(dá)的探測概率，對(duì)提高軍用飛機(jī)在戰(zhàn)場上的生存能力有著重要意義。

陳硯朋［17］以羰基鐵粉作為顏色填料，聚氨酯作為樹脂基體，制備雷達(dá)隱身單涂層，分析羰基鐵粉的形態(tài)、含量以及球磨時(shí)間對(duì)涂層紅外低發(fā)射率以及雷達(dá)吸波性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨羰基鐵含量的增加，涂層的紅外發(fā)射率從0.93降低至0.85，吸波材料吸波性能顯著增強(qiáng)，在18 GHz處其涂層反射率的最小值達(dá)-9.3 dB。

1.4 雷達(dá)隱身技術(shù)領(lǐng)域

微波隱身(或稱雷達(dá)波隱身)的研究早在20世紀(jì)30年代就已開始，現(xiàn)已發(fā)展成集形狀隱身、材料隱身、有源對(duì)抗等于一體的高度復(fù)雜的技術(shù)，能夠有效地衰減入射雷達(dá)波的一類功能材料，可減小目標(biāo)的雷達(dá)散射截面，從而達(dá)到隱身的目的。該技術(shù)已應(yīng)用到導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦船、裝甲車輛、重要軍事設(shè)施等許多武器裝備上。

考慮吸波涂層在飛行器上的應(yīng)用，王智永等［18］介紹一種厚度不大于0.5 mm，在X、Ku雙波段對(duì)雷達(dá)波的反射率均低于-4 dB的單層型可噴涂RAC;建立底漆-吸波涂層-面漆涂層系統(tǒng)，繪制涂層系統(tǒng)反射率-頻譜曲線，直觀表現(xiàn)出光譜反射率與隱身性能的關(guān)系。吸波涂層因其工藝簡單、便于應(yīng)用等優(yōu)勢，成為隱身技術(shù)的主攻方向之一。

羅潔等［19］研制的雙層結(jié)構(gòu)碳團(tuán)簇型微波雷達(dá)隱身涂層材料的吸波性能較好，具有方向性，在8～12.4 GHz范圍內(nèi)，其最小反射率達(dá)-30 dB，且密度小，厚度較薄。在大氣環(huán)境中，雙層結(jié)構(gòu)碳團(tuán)簇型微波隱身涂層具有良好的性能穩(wěn)定性。多晶鐵纖維、碳化硅纖維、碳纖維等輕質(zhì)類纖維吸收劑是實(shí)現(xiàn)吸波涂層“薄、輕、寬、強(qiáng)”的理想吸收劑之一［20］。研究發(fā)現(xiàn)，某些纖維具有很好的吸波性能［21］，纖維在涂層中的分布取向?qū)走_(dá)波的反射衰減有重要的影響。陳小風(fēng)［22］、張秀成［23，24］、趙伯琳［25］等在纖維取向?qū)﹄姶艆?shù)和雷達(dá)波反射的影響方面，從理論上進(jìn)行了研究。因此研究纖維在吸波涂層中的存在狀態(tài)和取向的影響因素有重要意義。邱華等［26］采用KH-3000視頻顯微鏡、8 mm和3 mm雷達(dá)波反射率測試系統(tǒng)研究纖維在涂層中的分布狀況。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用噴涂法制備的吸波涂層，其纖維的分布有一定程度的取向，該取向?qū)ξㄍ繉永走_(dá)波反射衰減有重要的影響。

黃潤生等［27］研究Fe-Si納米晶隱身涂層厚度與反射率的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)涂層厚度從0.5 mm增加至1.0 mm時(shí)，反射率逐漸減小，當(dāng)涂層厚度為1.2 mm時(shí)，在7.6～17.8 GHz頻率范圍內(nèi)的反射率均小于-10 dB。當(dāng)涂層厚度為1.5 mm時(shí)，反射率在9 GHz頻率位置有極小值-28.2 dB;隨著涂層厚度增加，反射率極小值向低頻端移動(dòng)，入射波頻率大于極值頻率時(shí)反射率急劇增加。因此實(shí)際應(yīng)用中選擇恰當(dāng)?shù)耐繉雍穸仁种匾?，理想的材料?yīng)具有較小的反射率和較寬的帶寬。綜合以上因素，厚度為1.2 mm的涂層對(duì)微波有較小的反射率和較寬的帶寬，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1.5 多波段復(fù)合型隱身技術(shù)領(lǐng)域

隨著探測和制導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，單功能隱身材料已難以滿足實(shí)戰(zhàn)的需要，多功能隱身材料已成為隱身材料研究的發(fā)展方向。在當(dāng)代軍事探測和制導(dǎo)技術(shù)中雷達(dá)和紅外是兩種最普通和最主要的技術(shù)，紅外-微波兼容的多功能隱身材料在多功能隱身材料的研制中開展最早，報(bào)道最多。紅外-微波兼容的多功能隱身材料要求在可見光和近紅外有偽裝作用，對(duì)微波有高吸收低反射，在熱紅外波段有低發(fā)射率。目前可應(yīng)用的熱紅外隱身材料和雷達(dá)隱身材料都不能達(dá)到上述要求。世界發(fā)達(dá)國家正在積極開展新型紅外/雷達(dá)多功能隱身材料的研究。謝國華等［28］研究了紅外與雷達(dá)波隱身涂層的激光后向散射特性。研究結(jié)果表明，涂層的紅外輻射率越小，激光后向反射率越大。從目標(biāo)戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用上考慮，通過對(duì)目標(biāo)進(jìn)行合理的迷彩圖案設(shè)計(jì)，有可能實(shí)現(xiàn)紅外與激光隱身兼容;從隱身原理和材料設(shè)計(jì)來考慮，完全可以做到雷達(dá)與激光隱身兼容;通過涂層表面結(jié)構(gòu)微孔化，可使涂層激光后向反射率大大下降，而不影響雷達(dá)波隱身性能。

徐培華等［29］利用某些激光隱身涂層對(duì)雷達(dá)波的透明性，將激光隱身材料噴涂到雷達(dá)隱身材料表面制備雙層型雷達(dá)/激光復(fù)合隱身材料，在1.06 μm處反射率僅為0.13%，比雷達(dá)吸波貼片材料的反射率降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，8～15 GHz的雷達(dá)波反射率小于-7.5 dB，不影響原雷達(dá)吸波貼片材料的雷達(dá)吸波性能，甚至有所改善。

王自榮等［30］采用紫外-可見光-近紅外分光光度計(jì)測試涂層在0.8～2.5μm波段的反射率曲線，根據(jù)反射率曲線找到0.93、1.06、1.54 μm處的反射率。采用毫米波測試?yán)走_(dá)測試涂層在8 mm處的雷達(dá)反射率，在方位角和俯仰角相同條件下，分別測試有隱身和無隱身材料的反射功率，對(duì)比相同條件下隱身前和隱身后的測試數(shù)據(jù)，即可得到隱身材料的衰減量;另外，采用RAM反射率遠(yuǎn)場測試法，在微波暗室里以掃頻方式測試了復(fù)合隱身涂層在26.5～40 GHz波段的雷達(dá)反射曲線。

2 結(jié)語

為滿足現(xiàn)代軍事目標(biāo)隱身的需要，多功能隱身材料是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，而反射率在不同波段的兼容卻是研究的難點(diǎn)。反射率是影響材料隱身性能的重要參數(shù)，研究各種復(fù)合多功能材料的反射率影響因素仍是當(dāng)前研究任務(wù)的重中之重。

［1］張雨，等.化學(xué)分析計(jì)量，2007，16(3)：4-6.

［2］龔榮洲，等.功能材料，2005，2(3)：12-15.

［3］宋效軍，等.隱身技術(shù)與無形戰(zhàn)爭［M］.北京：軍事誼文出版社，2001：22-23.

［4］Aranson J R，et al.1975 Infrared and Raman Spectroscopy of Lunar and Terrestral mnears［M］.NewYork Academic：C Karr，Jr.

［5］徐文蘭，等.物理學(xué)報(bào)，2004，53(9)：3215-3219.

［6］畢愛紅，等.電鍍與涂飾，2008，28(3)：53-55.

［7］廖宇濤，等.材料導(dǎo)報(bào)，2006，20(3)：138-140.

［8］王貴兵，等.強(qiáng)激光與粒子束，2003，15(11)：1065-1067.

［9］Ajayan P M，et al.Nature，1995，357：564-569.

［10］Clare B W ，et al.Inorg Chim Acta，2003，343：1-5.

［11］Pierard N，et a1.Chem Phys Lett，2001，335：1-5.

［12］孫惠敏，等.材料導(dǎo)報(bào)，2010，24(16)：111-113.

［13］Chandrasekhar P.SPIE，1995，169：2528-2532.

［14］Masulaitis Anthony M，etal.SPIE，1995，190：2528-2532.

［15］程剛，等.紅外技術(shù)，2009，31(10)：614-618.

［16］王浩，等.科技創(chuàng)新論壇，2010(2)：191-192.

［17］陳硯朋，等.兵器材料科學(xué)與工程，2010，33(5)：42-45.

［18］王智永，等.航空材料學(xué)報(bào)，1998，18(1)：51-55.

［19］羅潔，等.功能材料，2002，33(4)：401-402.

［20］劉振玉，等.湖北航天科技，2004，(3)：1-4.

［21］曹婷.碳纖維(碳?xì)?/環(huán)氧吸波復(fù)合材料的制備及性能研究［D］.天津：天津大學(xué)，2002：5.

［22］陳小風(fēng)，等.磁性材料及器件，2003(4)：23-27.

［23］張秀成，等.華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，(8)：101-103.

［24］張秀成，等.功能材料，200l，(5)：461-463.

［25］趙伯琳，等.電子科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，(3)：280-285.

［26］邱華，等.宇航材料工藝，2007，56(3)：24-26.

［27］黃潤生，等，物理實(shí)驗(yàn)，2008，28(1)：1-5

［28］謝國華，等.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2004，21(5)：93-97.

［29］徐培華，等.宇航材料工藝，2007，(4)：40-41.

［30］王自榮，等.表面技術(shù)，2004，33(2)：17-18.

DEVELOPMENT OF STEALTHY TECHNOLOGY AND SPECTRAL REFLECTANCE

Yang Xinxin，Tuo Rui，Zhang Bin，Zhang Guofeng，Pan Zhongquan
(CNGC Institue 53，Jinan 250031，China)

The new developments in stealthy technology and spectral reflectance was decribed.The progress of spectral reflectance in different fields，such as visible stealthy technology，laser stealthy technology，infrared stealthy technology，radar stealthy technology，multi-band composite stealthy technology and so on was discussed.The development trend about spectral reflectance in stealthy technology was summerised.

stealthy technology，reflectivity，application

2011-10-10