祖 梅，鄢 峰，甘沅豐，劉雪梅，劉東青，李銘洋，程海峰

模擬綠色植被光譜特征的高光譜偽裝材料與技術(shù)研究進(jìn)展

祖 梅1，鄢 峰1，甘沅豐2，劉雪梅2，劉東青1，李銘洋1，程海峰1

（1. 國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院新型陶瓷纖維及其復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410073；2. 航天飛行器生存技術(shù)與效能評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

高光譜成像技術(shù)對(duì)偽裝隱身技術(shù)提出了新的更高要求。研究綠色植被光譜特征的各種模擬技術(shù)，可為解決高光譜成像探測(cè)下目標(biāo)的偽裝問(wèn)題提供新的思路。本文總結(jié)了綠色植物在可見(jiàn)-近紅外波段以及熱紅外波段的光譜特征，分析了其在不同波段的光譜特性形成機(jī)制，闡述了近年來(lái)模擬綠色植被光譜特征的高光譜偽裝材料與技術(shù)的研究進(jìn)展，分析了現(xiàn)有高光譜偽裝材料與技術(shù)的特點(diǎn)及存在的弊端，提出了模擬綠色植被光譜特征的高光譜偽裝材料與技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢(shì)。

綠色植被；光譜特征；可見(jiàn)-近紅外；熱紅外；高光譜；偽裝材料與技術(shù)

0 引言

高光譜成像探測(cè)技術(shù)的典型探測(cè)光譜范圍為可見(jiàn)-近紅外波段（400～2500nm）。隨著高光譜熱紅外遙感技術(shù)的出現(xiàn)，其探測(cè)譜段已逐漸延伸到了熱紅外波段（8～14mm）。由于高光譜成像探測(cè)技術(shù)擁有高達(dá)5～10nm的光譜分辨率，因此可對(duì)目標(biāo)光譜進(jìn)行精細(xì)解析。不同地物由于組成成分和結(jié)構(gòu)不同而呈現(xiàn)出不同的光譜特征，因此，每種地物都具有獨(dú)特的光譜特征。高光譜成像可以根據(jù)背景中典型地物和偽裝材料光譜特征的差別進(jìn)行偽裝識(shí)別[1-3]。理論上，高光譜成像探測(cè)技術(shù)可識(shí)別任何人工偽裝材料，因?yàn)樵?00～2500nm波段范圍內(nèi)，傳統(tǒng)偽裝材料能夠較好地模擬綠色植被的“綠峰”、“紅邊”以及近紅外高原特征，但很難實(shí)現(xiàn)精確的光譜匹配，無(wú)法對(duì)抗高光譜成像技術(shù)的探測(cè)[4-5]。由此可見(jiàn)，高光譜成像探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用對(duì)偽裝隱身技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)。因此，為了降低高光譜成像探測(cè)技術(shù)的探測(cè)識(shí)別精度，提高陸地重要偽裝目標(biāo)的生存能力，模擬綠色植被光譜特征的高光譜偽裝材料與技術(shù)研究再次成為偽裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)[6]。本文在總結(jié)綠色植物可見(jiàn)-近紅外波段及熱紅外波段光譜特征的基礎(chǔ)上，分析了植物光譜特性的形成機(jī)制，分別從基于葉綠素、基于無(wú)機(jī)顏料及基于類(lèi)葉綠素結(jié)構(gòu)有機(jī)顏料的3種材料體系重點(diǎn)闡述了近年來(lái)模擬綠色植被可見(jiàn)-近紅外波段光譜特征的高光譜偽裝材料與技術(shù)的最新研究進(jìn)展，并提出了可見(jiàn)/近紅外/熱紅外兼容以及自適應(yīng)高光譜偽裝是模擬綠色植被背景的高光譜偽裝材料的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也將是高光譜偽裝材料技術(shù)領(lǐng)域的難點(diǎn)。

1 綠色植物的光譜特征以及產(chǎn)生機(jī)理

對(duì)地面重要目標(biāo)而言，綠色植被是應(yīng)用最廣泛的使用背景。在綠色植被環(huán)境中的偽裝目標(biāo)大多使用綠色偽裝涂料，以達(dá)到與目標(biāo)背景“同色”的效果，但卻難以實(shí)現(xiàn)與綠色植被特征光譜的“同譜”，如圖1所示。這一差異極易被高光譜成像探測(cè)識(shí)別，進(jìn)而揭露偽裝目標(biāo)。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高光譜成像探測(cè)的有效偽裝，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)綠色植物特征光譜的精準(zhǔn)模擬。

圖1 普通綠色偽裝材料和綠色植物背景的反射光譜曲線

1.1 可見(jiàn)/近紅外反射光譜

在400～2500nm波段內(nèi)，綠色植被具有非常典型的光譜特征。不同種類(lèi)綠色植被在可見(jiàn)-近紅外波段內(nèi)具有相似的光譜特征[6]，如圖2所示，其主要的光譜特征和形成機(jī)理如下：

1）可見(jiàn)光波段（400～780nm）的反射率較低，且433nm和664nm處的吸收峰歸因于葉綠素對(duì)藍(lán)紫光和紅光的強(qiáng)吸收，其對(duì)492～577nm波段內(nèi)的綠光吸收較少，因此在550nm處呈現(xiàn)出綠色反射峰，這是由植物葉片中的多種色素造成的，其中最主要的是葉綠素a和葉綠素b，其結(jié)構(gòu)如圖3所示[7]，它主要由卟啉環(huán)骨架、中心金屬離子和外周取代基組成。其獨(dú)特的共軛大π體系使其對(duì)紅光（約680nm）和藍(lán)紫光（約330～450nm）有很強(qiáng)的選擇性吸收，而對(duì)綠光的吸收很少，因此綠色植被在550nm處表現(xiàn)出綠色反射峰[8-10]。但是，葉綠素的性質(zhì)是不穩(wěn)定的，葉片離開(kāi)植株后，葉綠素很容易分解，從而喪失其綠色反射峰，如圖4所示。

圖2 不同綠色植被的反射光譜

圖3 葉綠素a和b的分子結(jié)構(gòu)[7]

圖4 新鮮香樟葉和枯黃香樟葉的光譜對(duì)比

2）在680～780nm波段內(nèi)，反射率迅速增大，稱(chēng)為“紅邊”。這主要是由于該波段內(nèi)葉綠素和水的吸收較小[6,8]，且在664nm處的強(qiáng)吸收與近紅外區(qū)域的高反射形成強(qiáng)烈對(duì)比。

3）在780～1300nm近紅外波段保持較高的反射率，主要是由葉片內(nèi)的色素和其疏松多孔的結(jié)構(gòu)所造成的，稱(chēng)為“近紅外高原”。葉綠體中的色素很難吸收近紅外波段的光，疏松多孔的海綿組織多次散射使植物葉片在近紅外波段表現(xiàn)出較高的反射率。其中，在970nm和1190nm波長(zhǎng)附近出現(xiàn)微弱的水分吸收峰[6,8]。

4）在1300～2500nm波段反射率降低，在1450nm和1930nm處呈現(xiàn)明顯的水分吸收峰，吸收強(qiáng)烈，它們都?xì)w因于水中O-H振動(dòng)產(chǎn)生的倍頻與組合頻吸收帶[6,8]，其中在1450nm處的一級(jí)倍頻和1940nm處的合頻吸收帶是影響綠色植被近紅外反射曲線的主要譜帶。從圖4中可以看出，隨著葉片中水分含量的減少，反射峰強(qiáng)度上升，水分吸收峰的強(qiáng)度隨之下降。

1.2 熱紅外發(fā)射率光譜

到目前為止，研究綠色植物熱紅外發(fā)射率光譜在植被中的應(yīng)用較為少見(jiàn)，大多集中于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。例如，Salisbury[11]在實(shí)驗(yàn)室中使用定向半球反射法（directional hemispherical reflectance, DHR）測(cè)量和識(shí)別了13種不同樹(shù)種新鮮葉片的熱紅外發(fā)射率光譜。測(cè)量結(jié)果表明，不同物種表現(xiàn)出明顯不同的熱紅外光譜特征，這與不同種類(lèi)綠色葉片在可見(jiàn)-近紅外波段內(nèi)展示出的相似的光譜特征完全不同。葉片在熱紅外波段（8～14mm）的光譜反射主要發(fā)生在葉片外表面，且除了葉片表面粗糙度引起的輕微散射外，主要以葉片角質(zhì)層表面引起的鏡面反射為主，如圖5(a)所示。這與葉片在近紅外波段以散射為主的光譜特征形成鮮明對(duì)比。葉片的這種光譜特征似乎與礦物類(lèi)似，在熱外波段表現(xiàn)出與強(qiáng)基本分子振動(dòng)帶相關(guān)的鏡面反射峰（剩余射線譜帶），這與近紅外的漫反射光譜特征相反，其中較弱的吸收帶表示為波谷。Salisbury等人推測(cè)[11]，葉片在熱紅外波段的光譜特征是與葉片蠟質(zhì)角質(zhì)層的強(qiáng)烴帶與葉片中水分的連續(xù)強(qiáng)吸收相疊加形成的反射峰。因此，不同葉片角質(zhì)層的成分差異將引起其在熱紅外波段的光譜反射率不同。此外，將葉片失水干燥后，由于水的吸收減少，其在整個(gè)2～12mm光譜范圍內(nèi)的反射率顯著升高，但是光譜曲線的形狀仍保持不變（圖5(b)），且不同種類(lèi)的葉片在衰老后表現(xiàn)出相同的光譜特征。這是由于葉片中的色素變化并不會(huì)影響其反射光譜特征。

Ribeiro da Luz等人[12]研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片在熱紅外波段的光譜發(fā)射率主要受葉片中各種化學(xué)組分，如纖維素、木聚糖、木質(zhì)素、角質(zhì)和二氧化硅等各種成分的影響。此外，葉片的表面結(jié)構(gòu)也會(huì)影響其發(fā)射率光譜特征，尤其是毛狀體的豐度，以及蠟質(zhì)層的厚度和質(zhì)地。與可見(jiàn)-近紅外光譜特征相比，闊葉植物的紅外光譜表現(xiàn)出相當(dāng)大的光譜多樣性。例如野生黑櫻桃的熱紅外發(fā)射率光譜（圖6(a)）表現(xiàn)出齊墩果酸在9.69mm處的剩余射線帶，以及齊墩果酸中的單粒子發(fā)射引起的位于8.79mm、9.17mm、10.03mm和10.52mm處的譜帶。圖6(b)是紅花槭葉片的紅外發(fā)射率光譜曲線。從圖中可以看出，位于9.05和13.50mm之間的間隔是脂肪族烷烴的一個(gè)紅外透明區(qū)域，該脂肪族烷烴是植物蠟質(zhì)層的主要成分。這層較厚的蠟質(zhì)層明顯掩蓋了其他成分的大多數(shù)光譜特征。位于8.97mm處的譜帶我們目前還無(wú)法識(shí)別，而位于9.66mm處的弱

圖5 不同種類(lèi)綠色葉片的光譜特征(a) 黑櫟對(duì)比鋁鏡的平均反射率光譜[11]；(b) 綠色和衰老（黃色）櫻桃葉片的反射率光譜[11]

圖6 采用實(shí)驗(yàn)室用DHR光譜儀和野外光譜儀測(cè)量得到的(a) 野生黑櫻桃以及(b) 紅花槭的紅外發(fā)射率光譜[12]

譜帶可能是由于纖維素的單粒子發(fā)射引起的。位于11.15mm處的非常弱的肩峰可能與纖維素有關(guān)，而位于11.94mm處的譜帶可能與角質(zhì)素有關(guān)。位于10.35和10.68mm處的光譜特征則可能與多糖相關(guān)。

2 模擬綠色植被光譜特征的高光譜偽裝材料與技術(shù)研究進(jìn)展

近年來(lái)，隨著高光譜成像技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，僅在可見(jiàn)光區(qū)達(dá)到“同色”效果的傳統(tǒng)偽裝材料已難以對(duì)抗高光譜偵察，要求偽裝目標(biāo)與地物背景在可見(jiàn)/近紅外波段具有相似的反射率值，從而使偽裝目標(biāo)與地物背景具有相似的光譜特征，提高目標(biāo)的隱蔽性。因此，研制與植被背景“同色同譜”的仿生材料已成為光學(xué)偽裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。此外，除可見(jiàn)-近紅外波段的高光譜成像外，可識(shí)別目標(biāo)與背景紅外輻射特征差異的熱紅外高光譜成像偵察技術(shù)也在迅速發(fā)展，同樣對(duì)偽裝目標(biāo)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。由于目前還沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道在模擬綠色植被熱紅外光譜特征方面的偽裝材料與技術(shù)研究工作，因此，本部分主要闡述針對(duì)模擬綠色植被可見(jiàn)/近紅外波段光譜特征的偽裝材料與技術(shù)研究進(jìn)展。

2.1 基于葉綠素的高光譜偽裝材料與技術(shù)研究

要實(shí)現(xiàn)對(duì)綠色植被光譜特征的精準(zhǔn)模擬，一個(gè)最有效的方式是直接采用和綠色葉片完全相同的著色“顏料”-葉綠素。但離體葉綠素在光照下易分解，穩(wěn)定性很差，因此限制了其在偽裝領(lǐng)域中的應(yīng)用。

劉志明等[13]采用葉綠體仿生色素微膠囊來(lái)模擬植物色素，以仿生多孔纖維素膜模擬植物葉肉組織。然而，盡管作者對(duì)仿生色素微膠囊進(jìn)行了隔絕氧氣、材料包裹等相關(guān)保護(hù)處理，使其在穩(wěn)定性方面較葉綠素有大幅度提高，但其自身仍然是一種不穩(wěn)定物質(zhì)，使得仿生材料在長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的室外光照情況下很容易喪失其光譜特征，其穩(wěn)定性和耐久性仍難滿(mǎn)足偽裝的需求。

楊玉杰等[14]在此基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)出了一種具有多功能層的仿生偽裝材料，其中表層為防水聚氯乙烯薄膜；第二層為模擬葉片綠色反射峰的葉綠素/聚乙烯醇（PVA）薄膜；第三層為模擬葉片水分吸收峰的高含水阻隔袋；底層為模擬葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的疏松多孔的紙質(zhì)結(jié)構(gòu)。盡管該仿生偽裝材料在可見(jiàn)近紅外波段的反射光譜與植物葉片的相似度可達(dá)0.9983，且室外日光照射三個(gè)月后仍能保持與植物葉片一致的反射光譜特征（圖7），但由于該仿生材料結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工程化應(yīng)用。

圖7 3個(gè)月光照處理前后的仿生材料的反射光譜曲線[14]

秦銳等[15]通過(guò)封裝法研制出了一種包覆葉綠素和水的尿素甲醛聚合物微膠囊，其與植物葉片的光譜相似度為97.2%，但該偽裝材料在780～1300 nm波段的反射率明顯偏高，與綠色植物仍存在一定差異（圖8），且含水脲醛樹(shù)脂微膠囊久置后，微乳液會(huì)產(chǎn)生不同程度的破壞，使得水從膠囊中滲出。

郭利等[16]以水作為直接填料，以葉綠素、鉻綠（Cr2O3）為輔助填料，以含氟聚氨酯樹(shù)脂為基體制備出了含水涂層，并測(cè)試了不同含水量情況下涂層的光譜曲線。其中，葉綠素和鉻綠的復(fù)合顏料優(yōu)于單一的葉綠素或鉻綠，既彌補(bǔ)了人工綠色偽裝涂料與植物的“綠色反射峰”有25nm的偏差的不足，又解決了葉綠素的不穩(wěn)定性問(wèn)題。當(dāng)含水量達(dá)到60wt%時(shí)，涂層可實(shí)現(xiàn)對(duì)植物葉片近紅外（NIR）光譜的精確模擬，且在300～2500nm波段內(nèi)，涂層光譜曲線與綠色植物光譜曲線的相似度達(dá)到99%。但該涂層光譜性能的時(shí)效性較差，涂層保水性有待進(jìn)一步提高。圖9為含水涂層在50℃下的保水性能測(cè)試結(jié)果。可以看出，該涂層在50℃下放置5h后，保水率已降低至20wt%，這必然會(huì)影響涂層在近紅外波段對(duì)水分特征吸收峰的模擬效果。

圖8 微膠囊仿生材料與樟樹(shù)及梧桐的反射光譜曲線[15]

圖9 保水率隨時(shí)間的變化曲線[16]

2.2 基于無(wú)機(jī)顏料的高光譜偽裝材料與技術(shù)研究

目前迷彩偽裝中大都采用無(wú)機(jī)顏料鉻綠來(lái)模擬的綠色植物的光譜特征，但鉻綠在可見(jiàn)光區(qū)域的“綠色反射峰”與植物葉片的葉綠素特征反射峰有25nm的偏差，且在近紅外波段，其反射率緩慢上升，無(wú)法精準(zhǔn)模擬植物葉片的“紅邊”位置。因此，目前基于無(wú)機(jī)顏料的人工偽裝技術(shù)無(wú)法達(dá)到“同色同譜”的要求。

李敏等[17]以活化后的微晶纖維素為高吸水材料，采用C-H鍵含量相對(duì)較低的含氟聚氨酯作為樹(shù)脂基體，再以Cr2O3、干葉粉和高吸水材料為填料制備了高吸水涂層，采用噴涂法制備的涂層固化后，與綠色植被在400～2500nm范圍內(nèi)光譜相似系數(shù)達(dá)到0.9601。采用干葉粉能夠復(fù)現(xiàn)植物葉片在此區(qū)間的光譜特征，因此，干葉粉和氧化鉻復(fù)配之后，能精準(zhǔn)模擬“綠色反射峰”峰位以及“紅邊”的起始位置和斜率。然而，以高吸水材料作為水的載體，易吸水膨脹破壞涂層的表面結(jié)構(gòu)，且涂層的反射光譜在“綠峰”和“紅邊”之間出現(xiàn)了一個(gè)多余反射峰，整體反射率也偏高。

高穎等[18]采用PVA為成膜主體，Cr2O3和LiCl為添加劑，采用溶液鑄膜法制備出了仿生材料。利用PVA和LiCl使仿生材料在夜間高濕度條件下吸附空氣中的水蒸氣，在日間低濕度條件下脫水的過(guò)程可模擬植物葉片的蒸騰作用，進(jìn)而模擬其熱紅外輻射特征；此外，吸濕材料具有優(yōu)異的吸濕保水性能，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的水與Cr2O3有助于仿生材料模擬植物葉片太陽(yáng)光譜反射特征。但由于其使用了Cr2O3為著色劑，使得仿生材料（圖10中a3）在可見(jiàn)光區(qū)的“綠色反射峰”峰位以及“紅邊”的起始位置和斜率與植物（圖10中a1及a2）相比仍有一定的差異。

圖10 植物葉片與仿生材料的反射率：(a1) 桂花樹(shù)葉片，(a2) 樟樹(shù)葉片，(a3) M2[18]

夏晨碩等[19]采用結(jié)晶水合物（BaCl2·2H2O、ZnSO4·7H2O）和Cr2O3作為基本填料，聚脲作為樹(shù)脂基體制備出了仿生涂層，其與桑葉的光譜曲線的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.9249，且該涂層在高溫下仍具有良好的光譜穩(wěn)定性。但與高穎等人的研究工作類(lèi)似，由于使用了Cr2O3作為著色顏料，使得仿生涂層光譜曲線中的“綠色反射峰”峰位、“紅邊”起始位置及斜率等關(guān)鍵特征與綠色植物相比，仍存在一定偏差。此外，由于結(jié)晶水合物含水量有限，使得涂層在近紅外波段呈現(xiàn)出的水分吸收峰的峰值較高（反射率偏高），涂層的整體光譜反射率與植物相比也偏高。

胡安然等[20]以聚氨酯發(fā)泡材料為基底，葉綠素銅鈉鹽為“綠峰”和“紅邊”模擬填料，銳鈦晶型二氧化鈦為高反射填料，并通過(guò)封裝丙烯酸羥乙酯水凝膠來(lái)提高水分吸收峰的強(qiáng)度。該復(fù)合發(fā)泡材料能較好的模擬植物葉片的水分吸收峰，但其在380～1000nm之間的紅邊斜率偏小，切在700nm波長(zhǎng)附近出現(xiàn)明顯的反射峰，無(wú)法精準(zhǔn)模擬植物葉片在可見(jiàn)光波段的反射特征。

王燦等[21]通過(guò)在Mg-Al層狀雙氫氧化物（LDHS）材料中引入有機(jī)色素基團(tuán)制備出仿植被高光譜顏料，其在全波段的反射率與植被光譜反射率的相似度可達(dá)0.97，但其缺點(diǎn)在于以層狀雙氫氧化物材料中的OH來(lái)模擬水分吸收峰的強(qiáng)度具有一定的局限性，且材料整體反射率偏高。

許凱等[22]根據(jù)Mie散射理論，以聚乙烯醇為樹(shù)脂，葉綠素和二氧化鈦為有色填料，LiCl為吸水材料制備了葉綠素/二氧化鈦仿生材料。該材料提高了傳統(tǒng)綠色顏料Cr2O3的“紅邊”的斜率，但是葉綠素在離開(kāi)活體葉片后極易被光分解，在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制。

綜上所述，目前研究者們選擇的材料所制備出的偽裝材料能夠模擬綠色植被的光譜反射特性，但均存在一定的局限性，在可見(jiàn)-近紅外波段內(nèi)無(wú)法精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)與綠色植被“同色同譜”。比如，離體葉綠素在環(huán)境中容易受到光照、酸、堿、熱等因素的影響而發(fā)生分解，從而失去其光譜反射特性，時(shí)效性較差；而無(wú)機(jī)顏料氧化鉻最大的缺點(diǎn)在于其反射光譜曲線在650～780nm區(qū)域上升的斜率低于綠色植被的“紅邊”，而且起止位置也存在偏差；此外，上述材料中的水都是以吸附水或自由水的形式存在，而吸附水和自由水在光照或受熱情況下很容易失水，使光譜受到很大的影響，對(duì)于高光譜偽裝材料的應(yīng)用具有一定的限制。

2.3 基于類(lèi)葉綠素結(jié)構(gòu)有機(jī)顏料的高光譜偽裝材料與技術(shù)研究

綠色植被在可見(jiàn)光區(qū)的反射光譜特征主要受葉綠素分子軌道吸收的影響。然而，從植物葉片中提取的葉綠素或人工合成的葉綠素，其光譜特性與葉片中葉綠素?cái)M合程度高，但穩(wěn)定性差、易降解且著色力較差。葉綠素分子結(jié)構(gòu)由一個(gè)中心金屬為鎂離子的卟啉環(huán)和葉綠素醇兩部分組成，其中具有大π鍵共軛結(jié)構(gòu)的卟啉環(huán)的a2u(π)→eg(π*)躍遷和a1u(π)→eg(π*)躍遷分別在400～490nm和580～680nm產(chǎn)生兩個(gè)吸收譜帶，是葉綠素分子中的主要生色基團(tuán)。葉綠素的卟啉結(jié)構(gòu)，使其在可見(jiàn)-近紅外波段具有顯著的光譜特征：波長(zhǎng)550nm處的光譜反射峰，波長(zhǎng)670nm附近的光譜吸收峰以及680～780nm范圍反射率陡升[23]。所以，選用具有類(lèi)葉綠素結(jié)構(gòu)的染料分子作為原料，來(lái)模擬綠色植被在可見(jiàn)光區(qū)550nm處的“綠峰”和680～750nm處的“紅邊”通常能夠達(dá)到較好的效果。而酞菁類(lèi)化合物與卟啉結(jié)構(gòu)相似（圖11(a)），可看成是卟啉分子中4個(gè)吡咯環(huán)外圍并4個(gè)苯環(huán)形成，其光譜曲線的基本形狀與植物相似，但苯環(huán)結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致酞菁吸收峰發(fā)生100nm左右的紅移（圖11(b)）[24]。且酞菁類(lèi)化合物具有超強(qiáng)的著色能力，較好的化學(xué)惰性和熱穩(wěn)定性，在工業(yè)染料、顏料等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。目前針對(duì)光學(xué)偽裝需求的有機(jī)酞菁顏料合成及其光譜性能研究鮮有報(bào)道。由于酞菁類(lèi)化合物具有很強(qiáng)的配位能力，因此能夠與周期表中幾乎所有金屬形成配合物。通過(guò)改變酞菁分子的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)合成工藝與提純方法，有望為有機(jī)顏料實(shí)現(xiàn)與植物的“同色同譜”提供一種可行途徑。

圖11 酞菁鋅的分子結(jié)構(gòu)對(duì)其紫外可見(jiàn)吸收光譜的影響：(a)分子結(jié)構(gòu)圖； (b) 紫外可見(jiàn)吸收光譜[24]

酞菁的合成一般以金屬離子為模板。一定的反應(yīng)條件下，酞菁分子碎片圍繞模板形成具有特定性質(zhì)的酞菁化合物[23-26]。例如：夏道成等[27]通過(guò)該方法合成了酞菁銅并表征了其紫外-可見(jiàn)吸收光譜。由圖12可以看出，以DMSO為溶劑的酞菁銅表現(xiàn)出明顯的特征吸收峰：Q帶672.7nm，B帶377.7 nm。672.7nm處的吸收峰為Q帶，表明酞菁環(huán)已經(jīng)形成。陳大俊等[28]合成了八羧基金屬酞菁染料，并研究了其光譜響應(yīng)范圍以及水溶性等性質(zhì)；二者均未涉及酞菁類(lèi)染料擬合植物光譜特征的研究。許浩等[24]以a位取代的鄰苯二甲氰在催化劑作用下與氯化金屬反應(yīng)，采用DBU液相催化法初步合成出了峰值波長(zhǎng)藍(lán)移的硝基酞菁鈷（如圖13所示），為酞菁類(lèi)顏料在軍用、紡織、染料、仿生等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新方法和新途徑。

圖12 以DMSO作溶劑的酞菁銅的紫外可見(jiàn)吸收光譜[27]

圖13 不同純度四硝基酞菁鈷的光譜反射曲線[24]

3 模擬綠色植被光譜特征的高光譜偽裝材料與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 可見(jiàn)/近紅外光譜特征的精準(zhǔn)模擬

目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的偽裝器材已能實(shí)現(xiàn)與綠色植被背景的“同色”，但難以實(shí)現(xiàn)與綠色植被背景的“同譜”。國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的偽裝材料所用的無(wú)機(jī)或有機(jī)顏料與綠色植被中的生物色素完全不同，這些因素導(dǎo)致的光譜差異正是高光譜探測(cè)識(shí)別偽裝目標(biāo)的重要依據(jù)。因此，為了提高目標(biāo)的偽裝性能，必須解決現(xiàn)有傳統(tǒng)偽裝技術(shù)的短板，實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)/近紅外光譜特征的精準(zhǔn)模擬。由于影響“紅邊”的因素眾多，研究者們未能找到與綠色植被紅邊位置完全匹配的模擬材料，有待深入研究并尋找紅邊位置合適的卟啉化合物，比如可以選擇尋找葉綠素銅鈉鹽和類(lèi)卟啉化合物如酞菁、輪烯等。而LDHs層狀類(lèi)化合物具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和陰離子可交換性，可以將葉綠素銅鈉鹽或卟啉化合物插層到Mg-Al-LDHs或Zn-Al-LDHs中，從而制備出一種既有綠色反射峰、水峰，又能精準(zhǔn)模擬紅邊位置的新型光譜偽裝材料。

總之，由于不同波段植物反射光譜特性的影響因素不同，應(yīng)以機(jī)理研究為基礎(chǔ)，探究反射光譜形成機(jī)制，設(shè)計(jì)材料的組成、結(jié)構(gòu)，研究吸濕材料的吸附脫附機(jī)制，將多孔保水填料（如纖維素類(lèi)、微納多孔材料以及無(wú)機(jī)金屬鹽類(lèi)）與類(lèi)葉綠素光譜填料（如酞菁類(lèi)化合物）與光譜透明性較好的樹(shù)脂基體復(fù)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)綠色植被光譜曲線中的“綠峰”、“紅邊”、“近紅外高原平臺(tái)”以及“水分吸收峰”等重要光譜特征的精準(zhǔn)模擬。

3.2 可見(jiàn)/近紅外/熱紅外兼容偽裝

隨著近20年來(lái)航天高光譜成像技術(shù)的快速發(fā)展，其主要應(yīng)用技術(shù)呈現(xiàn)出光譜集中在可見(jiàn)、近紅外波段（0.4～2.5mm）范圍內(nèi)，譜段數(shù)從大100向200多甚至300多個(gè)發(fā)展，光譜分辨率主要在10～20nm之間，并逐步提高到5nm；空間分辨率在從100m量級(jí)向30m左右及以?xún)?nèi)發(fā)展等特點(diǎn)，以滿(mǎn)足各領(lǐng)域應(yīng)用與研究的需求。相比于可見(jiàn)近紅外波段，熱紅外波段的影像探測(cè)技術(shù)能有效地將熱輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭勺R(shí)別的光譜影像，熱紅外高光譜成像技術(shù)具有日夜監(jiān)測(cè)能力，能夠檢測(cè)化學(xué)氣體，識(shí)別地物以及探測(cè)汽車(chē)尾氣等。受技術(shù)條件限制，熱紅外高光譜成像技術(shù)的發(fā)展緩慢，國(guó)際上主要是美國(guó)在開(kāi)展系統(tǒng)研究，但也只是以機(jī)載系統(tǒng)為主，并無(wú)星載系統(tǒng)。目前，美國(guó)研發(fā)的熱紅外高光譜成像系統(tǒng)的光譜范圍主要集中在8～14mm波段，光譜通道達(dá)到了128個(gè)，空間分辨率達(dá)到了0.55mrad，靈敏度達(dá)到了0.1K@300K[29]。熱紅外高光譜成像技術(shù)在地質(zhì)行業(yè)（如礦物信息提取和巖性識(shí)別等）中已有一些探索性的研究，但基于地物發(fā)射率譜的研究尚未受到廣泛關(guān)注。由于不同物種表現(xiàn)出明顯不同的發(fā)射率光譜特征，且與可見(jiàn)-近紅外反射光譜相比，其在熱紅外波段的發(fā)射率光譜特征極其復(fù)雜，這對(duì)偽裝材料實(shí)現(xiàn)與綠色植被熱紅外波段光譜曲線的精準(zhǔn)模擬是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。現(xiàn)階段需首先探究植物葉片紅外波段發(fā)射率光譜的形成機(jī)制，在機(jī)理研究的基礎(chǔ)之上去設(shè)計(jì)紅外高光譜偽裝材料的組成、結(jié)構(gòu)，并逐步解決可見(jiàn)-近紅外、熱紅外等不同波段植物光譜特征擬合技術(shù)的兼容性和應(yīng)用性難題。

3.3 自適應(yīng)高光譜偽裝

傳統(tǒng)的偽裝材料難以實(shí)現(xiàn)在不同背景環(huán)境下的自適應(yīng)偽裝功能。如傳統(tǒng)的迷彩涂料需根據(jù)林地、戈壁以及雪地等不同背景環(huán)境來(lái)分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的涂料體系。此外，不同地域、季節(jié)以及種類(lèi)的綠色植物由于受到多種因素的影響，其呈現(xiàn)出的光譜反射率的數(shù)值是明顯不同的。因此，將自適應(yīng)偽裝與高光譜偽裝有機(jī)結(jié)合而成的自適應(yīng)高光譜偽裝技術(shù)，將極大地改變傳統(tǒng)偽裝技術(shù)的思路和模式，通過(guò)對(duì)不同地域背景的精細(xì)光譜特征進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而提高偽裝的實(shí)時(shí)性和環(huán)境適應(yīng)性，這將是高光譜偽裝技術(shù)領(lǐng)域未來(lái)重點(diǎn)研究的前瞻方向。

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Progress on Hyperspectral Camouflage Materials and Techniques for Spectral Characteristic Simulation of Green Vegetation

ZU Mei1，YAN Feng1，GAN Yuanfeng2，LIU Xuemei2，LIU Dongqing1，LI Mingyang1，CHENG Haifeng1

(1.,,,410073,;2.,100094,)

Hyperspectral imaging technologies have put forward newer and higher requirements for camouflage and stealth technology. By studying the spectral characteristic simulation technology of various green vegetation, new ideas can be explored to solve the problem of target camouflage under hyperspectral imaging reconnaissance. This paper summarized spectral features of greenery in the visible-near-infrared band as well as the thermal infrared band, and analyzed the formation mechanism of its spectral property in those two bands. Furthermore, the research progress on the hyperspectral camouflage materials and techniques for simulating the spectral characteristics of green vegetation in recent years were described. Based on the analysis of the disadvantages of the existing hyperspectral camouflage materials and technologies, the development direction and trend of hyperspectral camouflage materials and technologies for simulating the spectral characteristics of green vegetation were proposed.

green vegetation, spectral characteristics, visible-near-infrared, thermal infrared, hyperspectral, camouflage materials and techniques

TB34

A

1001-8891(2022)10-1018-09

2020-04-14；

2022-06-24.

祖梅（1983-），女，博士，國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院副研究員，主要從事光電信息功能材料方向的研究。E-mail：zumei2003@163.com。

國(guó)防科工局穩(wěn)定支持科研項(xiàng)目（WDZC20195500505）。