隱身材料紅外光譜特性評價方法

鄧衛(wèi)

(山東省環(huán)境保護學校，濟南 250014) (中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，濟南 250031)

紅外隱身技術(shù)主要是通過降低或改變目標的紅外輻射特征來實現(xiàn)目標對紅外系統(tǒng)的低可探測性，具體措施包括改進熱結(jié)構(gòu)設(shè)計、對主要發(fā)熱部件進行強制冷卻、表面涂覆紅外隱身涂料、使用紅外偽裝網(wǎng)和遮障等。隨著紅外隱身技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，對各種紅外隱身技術(shù)的隱身效果評價方法研究已成為軍事紅外技術(shù)中新的研究熱點。

在各國軍事領(lǐng)域中，對紅外隱身技術(shù)的研究已經(jīng)開展了約30年，現(xiàn)有研究成果主要集中在利用紅外成像系統(tǒng)對目標及背景進行探測，形成紅外熱圖像，并通過人眼對目標進行發(fā)現(xiàn)或識別以得出主觀結(jié)論的經(jīng)驗方法、測定紅外隱身材料熱輻射特性的算術(shù)方法以及基于紅外目標可探測性模型的計算機模型方法。以上方法均有其優(yōu)缺點，但目前尚未有一種方法適合于軍事工程應(yīng)用并能客觀、準確、簡便、快速地評價紅外隱身效果。

1 隱身材料光譜特性評價方法

1.1 野外條件下近紅外偽裝檢測

現(xiàn)有的近紅外偽裝檢測器材在野外條件下有一定的局限性，基于對自然綠色與人工綠色的光譜差異進行的分析，結(jié)合綠色檢驗鏡的檢測原理，趙會超等[1]在綠色檢驗鏡光譜透射特性檢測原理的基礎(chǔ)上提出了在野外條件下窄波濾光片的近紅外偽裝檢測方法，驗證了其檢測效果，探討了其在軍事上的應(yīng)用。

由于自然綠在近紅外區(qū)反射很大，而一般的人工綠則反射很小，因此提出采用窄波濾光片的方法。根據(jù)自然綠色和人工綠色的光譜反射曲線的不同，在濾光片的制作中選擇一系列的波段，做成不同波段的濾光片，然后對人工綠色和自然背景進行照相，通過對比其效果來進行檢測。檢測近紅外偽裝效果是使其在數(shù)碼相機上成像，通過觀察照片效果就可以很明顯地看出目標在近紅外區(qū)的反射情況。

1.2 熱紅外照相機

熱紅外偽裝材料是指用于減弱武器系統(tǒng)熱紅外特征信號，以達到偽裝技術(shù)要求的材料。熱紅外偽裝材料具有阻隔武器裝備熱紅外輻射的能力，同時在大氣窗口波段內(nèi)具有低的紅外發(fā)射率。按照作用原理，紅外隱身材料可分為控制發(fā)射率和控制溫度兩類。軍事偽裝通常采用迷彩變形方法，三色或四色迷彩涂料具有不同的熱紅外發(fā)射率，使目標在熱圖中呈現(xiàn)灰度不同的斑點，從而分割目標外形，造成敵方識別困難。實際背景中，綠色植被與裸露土壤都具有較高的發(fā)射率，但在陽光照射下，綠色植被由于蒸騰作用、光合作用等，表面溫度較低，呈暗色調(diào)；而傳統(tǒng)迷彩涂料在陽光照射下升溫迅速，熱紅外特征明顯。

在美軍自動化熱紅外隱身計劃SCI114中[2]，為了研發(fā)適應(yīng)某種背景模型的隱身模型，采用計算機輔助設(shè)計技術(shù)，將背景形態(tài)與條件的變化加以綜合考慮，它涉及到背景選取、實驗裝備、材料表征、野外實驗數(shù)據(jù)分析、熱隱身模仿、診斷模板等理念。這一技術(shù)的難點在于所設(shè)計的模型必須在各種不同背景條件下表現(xiàn)良好，可用于計算機來優(yōu)化隱身模式，從而不斷開發(fā)針對某種地形背景的隱身方式。SCI114計劃的第一步是研發(fā)能夠從特殊背景來創(chuàng)立模型的專業(yè)系統(tǒng)，有效模型建立在空間和光譜算法基礎(chǔ)之上。采用的設(shè)備如下：

(1)AGEMA 570照相機(AME003-00),光譜范圍:8 ～12 μm；

(2)MERLIN NIR照相機(AME052-00)；

(3)計量工作站Geónica (AME018-00), 其中包括風速計標板Joung (AME018-01)、溫濕度探測器Geónica(AME018-02)、Piranometer Thembrecht(AME012-03)；

(4)寄存器數(shù)據(jù)采集器HP 34970 A(AME038-00), 其中包括K系8位熱電耦，溫度范圍：-200～1100℃。

1.3 傅里葉紅外光譜儀

王海燕等[3]采用PE公司GX-Ⅲ型傅里葉紅外光譜儀進行測量。盡管FT方法實現(xiàn)了快速輻射測量，但還存在以下幾個方面的誤差：(1)被測輻射體與已知標淮黑體溫度的穩(wěn)定性和一致性。采取循環(huán)水的解決辦法，并且可降低背景噪聲。(2)大氣中和的吸收。采取雙光路，參比與樣品相互抵消。GX-Ⅲ型傅里葉紅外光譜儀為單光路儀器，具有扣除背景中水和二氧化碳的功能。(3)黑體空腔的發(fā)射率達不到理想黑體。采取給出修正因子加以解決。(4)背景與儀器都會發(fā)射干擾噪聲。采取循環(huán)水或用液氯對探測器致冷，提高信噪比。GX-Ⅲ型傅里葉紅外光譜儀外配紅外顯微鏡，由于紅外顯微鏡與光譜儀檢測器不同，靈敏度增高，因此還可以通過利用紅外顯微鏡檢測器，提高信噪比。

1.4 熱紅外發(fā)射率光譜的測定

肖青等[4]研究了熱紅外發(fā)射率光譜的野外測量方法與土壤熱紅外發(fā)射率特性，基于光譜平滑的溫度/發(fā)射率迭代算法，提出熱紅外發(fā)射率光譜的野外測量與反演方法。

楊景發(fā)等[5]設(shè)計了粉體材料的法向光譜發(fā)射比測試系統(tǒng), 采用“單光束比較輻射度量法”測量材料的法向光譜發(fā)射率的原理和系統(tǒng)設(shè)計方法，改進、設(shè)計制作了黑體爐、樣品爐、斬波裝置、掃描裝置和A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，用VC++完成了“法向光譜發(fā)射比測試系統(tǒng)中文操作軟件”的編寫，利用此系統(tǒng)測量了涂料樣品的法向光譜發(fā)射率。他們采用的是廣泛使用的“單光束比較輻射度量法”，這種方法保證了樣品光束和比較黑體光束經(jīng)同一光路，有相同的光程長度和衰減損耗?！安牧系姆ㄏ蚬庾V發(fā)射比測定系統(tǒng)”主要由以下幾部分組成：棱鏡單色儀主機、輻射源、調(diào)制系統(tǒng)、探測器、掃描裝置、信號的采集與處理、計算機等部分組成，原理框圖見圖1。

圖1 單光束比較輻射度量法原理框圖

Leonard M Hanssen[6]設(shè)計1～18 μm范圍的方向半球紅外反射率測定裝置，測定了金漫反射體的方向半球反射率，在1～18 μm范圍內(nèi)，其擴展不確定度為0.02。

Leonard M Hanssen[7]設(shè)還計了一種與積分球聯(lián)用裝置，測定了鏡面試樣的透過率和反射率，在2 ～18 μm范圍內(nèi)，其擴展不確定度小于0.003。

1.5 高光譜成像

劉凱龍等[8]根據(jù)光譜揭露偽裝的檢測機制進行分析，對偽裝材料及應(yīng)用背景的紫外、可見光、近紅外波段光譜反射特征進行了研究，探索試驗目標光譜模擬偽裝材料的檢測技術(shù)，經(jīng)光譜特征選擇及空間降維處理，建立特征參數(shù)的判別函數(shù)，確定判別規(guī)則。針對多類判別和光譜空間模式重疊的情況，提出數(shù)學分析模型及統(tǒng)計計算和判別效果檢驗相結(jié)合的光譜特征檢測新方法，探索適合區(qū)分人工目標與背景光譜的最佳分類特征和判別函數(shù)。

高光譜成像數(shù)據(jù)包括空間、輻射和光譜3重信息。需要分析目標的位置和形狀等空間幾何特征、目標與背景的譜亮度差別等輻射特征以及表面材料的光譜特征。高光譜目標偽裝檢測是一個光譜模型分析、統(tǒng)計計算和判別效果檢驗相結(jié)合的綜合過程。

Marbach[9,10]提出一種新的多變量光譜數(shù)據(jù)校正高光譜解析方法。

1.6 近紅外分光光度計反射率測定

朱仲良[11]等以固體漫反射光譜儀為研究手段，通過定性和定量兩種方式探索固體紫外-可見漫反射光譜在有機染料、無機氧化物和生物介質(zhì)方面的應(yīng)用；探索了近紅外漫反射光譜在軍工材料方面的應(yīng)用，為紫外-可見和近紅外漫反射光譜在各種固體材料上的應(yīng)用積累了經(jīng)驗。 在有機染料的研究中，以食用莧菜紅和食用亮蘭合成色素為研究對象，研究了固體染料的濃度和反射率之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，單組分色素的濃度和Kubelka-Munk(K)函數(shù)，反射率R和反射吸光度A之間均存在較好的線性關(guān)系，其中K函數(shù)和濃度之間的線性關(guān)系最好；雙組分色素濃度與反射率之間通過主成分回歸法(PCR)建立模型，以測定未知樣品的反射率來預報未知樣濃度。在對無機氧化物(氧化鐵)的研究中，以直接混合法合成了不同氧化鐵摻雜濃度的二氧化硅材料。研究發(fā)現(xiàn)，不同氧化鐵的摻雜濃度對摻雜二氧化硅的可見漫反射光譜有較大影響，通過定量實驗可以得到氧化鐵摻雜濃度和漫反射光譜的標準曲線，為測定催化劑(如二氧化硅)中有色金屬的含量提供參考。在生物介質(zhì)的研究中，主要以處于不同季節(jié)不同生長周期的銀杏葉為研究對象，定性分析了銀杏葉的特征漫反射光譜及在其生長過程中的漫反射光譜的變化。研究發(fā)現(xiàn)銀杏葉的反射率R在5月至7月期間逐步降低，而反射吸光度A則在增加，且5月至7月期間的變化最為顯著。用近紅外漫反射光譜檢測了高反射率材料和普通反射材料的近紅外漫反射光譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高反射率材料的近紅外漫反射光譜明顯高于普通材料。為軍工材料中的高反射率材料的反射性能研究提供了一條非常有利的參考依據(jù)。

筆者近年來對所搜集的部分人工綠(涂料)與自然物體(植物)的近紅外光譜發(fā)射率進行了對比實驗，測試結(jié)果見圖2。

1—涂料A； 2—涂料B； 3—涂料C； 4—涂料D；5—苦菜葉子； 6—萁萁菜葉子； 7—冬青樹葉

圖2 人工綠與自然物體的光譜反射率曲線

從圖2人工綠與自然物體的光譜反射率曲線對比可以看出，自然綠光譜反射率特征具有如下3個特點：(1)在波長680 nm處反射率最低，對應(yīng)光譜強烈吸收;(2)在波長550 nm處有反射率峰值出現(xiàn)，對應(yīng)光譜吸收非常弱；(3)在波長550～680 nm之間光譜反射率斜坡式下降。而人工綠則在波長680 nm處反射率無最低值，在波長550 nm處有不明顯的反射率峰，在波長550～680 nm之間光譜反射率斜坡式下降不明顯。因此上述3點可以區(qū)別人工綠與自然物體,這也是近紅外隱身材料需要改進的一點。

1.7 其它方法

黃峰等[12]提出了一種基于圖像灰度相關(guān)算法的紅外隱身效果評價方法，通過對隱身前后目標圖像的相關(guān)處理，以相關(guān)峰的峰顯著系數(shù)、峰與相關(guān)能量比和峰與背景比這3個量化指標衡量紅外隱身裝備所能達到的隱身效果。

采用人眼對紅外熱圖進行判識的統(tǒng)計結(jié)果來確定紅外隱身概率中各參量的統(tǒng)計權(quán)重，從而使計算機圖像處理所得結(jié)果與實際人眼的主觀判識結(jié)果一致。實驗結(jié)果表明，此方法適用于對地面典型軍事目標的紅外隱身效果進行客觀評價，所采用的相關(guān)峰三參量檢測方法避免了單純對相關(guān)峰取閾在判別圖像相似性上容易出現(xiàn)的誤判，同時采用人眼對大量隱身前后紅外目標圖像的判讀實驗的統(tǒng)計結(jié)果來確定紅外隱身概率中各參量的統(tǒng)計權(quán)重，從而使計算機圖像處理方法所得結(jié)果與實際應(yīng)用中人眼通過紅外系統(tǒng)觀察目標的主觀判識結(jié)果相一致。這種紅外隱身效果評價方法既克服了以往依靠人眼判讀主觀經(jīng)驗方法的不足，在技術(shù)難度和計算量方面又明顯優(yōu)于計算機模型方法，經(jīng)大量實驗證明具有較強的實用性；其中對相關(guān)峰三參量統(tǒng)計權(quán)重的確定還依賴于人眼的主觀判識經(jīng)驗，達不到完全的客觀評價，且與人眼視覺特性有關(guān)，其原理復雜，有待進一步研究。

2 反射率和發(fā)射率測試相關(guān)標準

可參照的國內(nèi)外紅外光譜特性的相關(guān)測試標準如下：

GB/T 7286.1-1987 金屬與非金屬材料全法向發(fā)射率試驗方法;

GB/T 7286.2-1987 金屬與非金屬材料光譜法向發(fā)射率試驗方法;

GB/T 7287.9-1987 紅外輻射加熱器全法向發(fā)射率測量方法;

GB/T 7287.10-1987 紅外輻射加熱器光譜法向發(fā)射率測量方法;

ANSI/ASTM E 1933-1999 使用紅外成像輻射計測量和補償發(fā)射率的試驗方法;

ASTM E 1933a-1999 使用紅外成像輻射計測量和補償發(fā)射率的標準試驗方法;

JIS R 1801-2002 用FTIR測量紅外線加熱器用陶瓷輻射材料頻譜發(fā)射率的方法;

GJB 5023.1-2003 材料和涂層反射率和發(fā)射率測試方法 第1部分:反射率;

GJB 5023.2-2003 材料和涂層反射率和發(fā)射率測試方法 第2部分: 發(fā)射率。

上述標準都是對材料的某一紅外光譜特性量參數(shù)進行量化測試，標準之間相互關(guān)聯(lián)性欠缺，不能密切聯(lián)系紅外探測手段直接對被測材料的紅外光譜特性加以綜合評價。

3 結(jié)語

目前我國在隱身材料光譜特性方面的測試技術(shù)還處于初步探索階段，近紅外光譜反射率測定技術(shù)較成熟，而熱紅外成像技術(shù)、熱紅外發(fā)射率測量技術(shù)與國外先進國家的測試水平存在一定的差距，需要進一步開展隱身材料光譜特性計量測試技術(shù)的綜合研究工作。

[1] 趙會超，等.光電技術(shù)應(yīng)用，2008，23(2)：11-14.

[2] David J Thomas. Military Report Planned for December， 2004, 58-77.

[3] 王海燕.紅外技術(shù)， 2003,25(6): 61-63.

[4] 肖青,等.紅外與毫米波學報,2003,22(5): 42-51.

[5] 楊景發(fā),等.激光與紅外, 2004,34(2): 12-16.

[6] Leonard M Hanssen. Analytica Chimica Acta, 1999,380:289-302.

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[9] Marbach R J. Biomed Optics, 2002(7):130-147.

[10] Marbach R J. Near Infrared Spectrosc, 2005,13:241-254.

[11] 朱仲良.漫反射光譜的理論與應(yīng)用研究[C].同濟大學碩士論文集,2007.

[12] 黃峰,等.光子學報， 2006, 35(6):928-931.

[13] ASTM E1421-1999 Standard practice for describing andmeasuring performance of Fourier transform mid-infrared(FT-MIR) spectrometers level zero and level one tests[S].