激光隱身技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展分析＊

李國柱

（海軍裝備部西安軍事代表局 西安 710054）

1 引言

激光隱身是通過減少目標(biāo)對激光的反射信號，使目標(biāo)具有低可探測性。其主要出發(fā)點(diǎn)是減少目標(biāo)的激光雷達(dá)散射截面 （LRCS）和激光反射率。LRCS綜合反映了激光波長、目標(biāo)表面材料及其粗糙度、目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)形狀等各種因素對目標(biāo)激光散射特性的影響，是用于表征目標(biāo)激光散射特性的主要指標(biāo)，也是最重要的目標(biāo)光學(xué)特性指標(biāo)之一，在激光測距機(jī)、激光制導(dǎo)武器、激光雷達(dá)等激光測量系統(tǒng)的論證設(shè)計(jì)、性能評價(jià)中有廣泛應(yīng)用。本文就激光隱身技術(shù)、隱身兼容性、隱身應(yīng)用、發(fā)展分析等，作進(jìn)一步的研究和探討。

2 激光隱身技術(shù)

激光隱身技術(shù)采取的主要手段有外形技術(shù)和材料技術(shù)，外形技術(shù)主要是通過改變目標(biāo)的幾何外形，以減小其激光散射截面。材料技術(shù)主要在激光隱身材料的設(shè)計(jì)及制備方面，設(shè)計(jì)出具有高吸收、低反射的材料體系，并制備出吸收性能好的隱身材料。

2.1 外形隱身

外形技術(shù)在飛機(jī)的隱身技術(shù)中應(yīng)用比較多，其途徑和方法通常有以下幾種：

1）消除可產(chǎn)生角反射效應(yīng)的外形組合。飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)尾和機(jī)身之間的組合都是能產(chǎn)生角反射器效應(yīng)的部位，可采用翼身融合體結(jié)構(gòu)、V型尾翼和傾斜式雙立尾結(jié)構(gòu)的方法。美國的F－117改進(jìn)型戰(zhàn)斗機(jī)就具有機(jī)翼機(jī)身均勻過渡的結(jié)構(gòu)，具有寬的加厚的中段和相對短的外翼，沒有垂直尾翼，有效地增強(qiáng)了隱身能力。

2）用平板外形代替曲邊外形。激光散射截面的大小與目標(biāo)的幾何面積直接有關(guān)。對兩個投影面積相同的物體，平板的散射截面積比球體小四個數(shù)量級。因此可將飛機(jī)的機(jī)身、短艙等處向扁平方向壓縮，做成近似三角形機(jī)身。例如美國的“黑星”無人駕駛隱形偵察機(jī)，有細(xì)長的機(jī)翼平面結(jié)構(gòu)，不僅有較好的空氣動力學(xué)性能，而且使其激光截面積減小，具有正面隱身能力，可大大減小被發(fā)現(xiàn)和跟蹤的可能性。

3）變后向散射為非后向散射。采用傾斜式雙立尾對付側(cè)向入射光；采用后掠角和三角翼結(jié)構(gòu)對付正前方入射光，這樣減少前方和側(cè)向的激光反射截面。

4）用邊緣衍射代替鏡面反射。盡量使機(jī)上可造成鏡面反射的部分平滑，使之形成邊緣衍射而無強(qiáng)反射，減弱回波信號。

5）縮小飛機(jī)尺寸。設(shè)計(jì)時盡量縮小飛機(jī)尺寸，當(dāng)采用高密度燃油及適應(yīng)這種燃油的發(fā)動機(jī)時，就可以在不增加飛機(jī)尺寸的前提下提高航程。

6）減少散射源數(shù)量?？刹捎靡恍┤嵝员∧⑴撋w周圍、浮動表面與固定表面間的空隙遮擋起來，或使飛機(jī)的機(jī)翼接近最低限度的氣動布局。

2.2 材料隱身

按激光隱身材料的隱身機(jī)理來分主要有吸收材料、導(dǎo)光材料、透射材料，其中吸收材料應(yīng)用最為普遍。

1）吸收材料。激光吸收材料（LAM）的作用在于對激光有強(qiáng)烈吸收從而減小激光反射信號或改變激光頻率。吸收材料按材料的成型工藝和承載能力分為涂覆型和結(jié)構(gòu)型?，F(xiàn)在各國采用的激光材料隱身技術(shù)主要有：

（1）涂覆型。降低目標(biāo)對激光的后向散射。如利用涂料降低目標(biāo)表面的光潔度，或在目標(biāo)表面涂覆吸收材料，使目標(biāo)反射信號強(qiáng)度減弱；或采用激光偽裝隱身網(wǎng)，可在網(wǎng)上涂覆吸收激光的涂料；因?yàn)閭窝b隱身網(wǎng)價(jià)格低廉、使用方便、工藝穩(wěn)定、易于批量生產(chǎn)且可實(shí)現(xiàn)多頻譜隱身功能，國際上正大力發(fā)展此種材料。

（2）結(jié)構(gòu)型。將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成吸收型的多層夾芯，或把復(fù)合材料制成蜂窩狀，在蜂窩另一端返回，這樣既降低了反射激光信號的強(qiáng)度，又延長了反射光的到達(dá)時間。

2）其它隱身功能材料。透射材料是讓激光透過目標(biāo)表面而無反射。從原理上，透光材料后應(yīng)有激光光束終止介質(zhì)，否則仍有反射或散射激光存在。導(dǎo)光材料是使入射到目標(biāo)表面的激光能夠通過某些渠道傳輸?shù)狡渌较蛉?，以減少直接反射回波。

3 隱身兼容性

激光隱身要求材料要有盡可能低的反射率，而同時紅外隱身要求材料要有盡可能低的發(fā)射率，這樣激光隱身和紅外隱身就不可避免地成為了一對矛盾體，故兩者協(xié)調(diào)很重要。而且，采用多頻譜隱身材料是無法協(xié)調(diào)此矛盾的。通常是在涂敷紅外隱身涂料或多波段兼容隱身涂料的基礎(chǔ)上對激光反射采取一些補(bǔ)救措施。如采用對抗激光的方法，如發(fā)射煙幕彈等；還有一種方法是犧牲局部范圍的紅外隱身，就是使涂料在1.06μm／10.6μm附近出現(xiàn)較窄的低反射率帶，而其他波段均為低輻射，以此來達(dá)到對激光的隱身，同時又要對紅外隱身的影響不大。這一方法要求低反射帶盡可能窄，因而也成了該方法的難點(diǎn)。理想狀態(tài)的激光／紅外隱身涂層應(yīng)在1.06μm和10.6μm具有極低的反射率，而在其他紅外波段則具有盡可能高的反射率。

1）激光隱身涂料與可見光隱身的兼容?？梢姽庖话阒覆ㄩL為0.4～0.78μm的光線，可見光隱身涂料也稱為迷彩涂料，它的作用是使目標(biāo)與背景的顏色協(xié)調(diào)一致，使敵方難以辨識，故選用適當(dāng)?shù)拿圆暑伭线M(jìn)行配色是可見光隱身涂料的關(guān)鍵。激光隱身涂料主要是以降低激光反射率為目標(biāo)，其對光的作用范圍和可見光隱身涂料不同，因此需要對激光隱身涂料進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渖幚恚允沟闷渫瑫r實(shí)現(xiàn)可見光隱身的兼容。

2）激光隱身與雷達(dá)波隱身的兼容。雷達(dá)波長范圍很寬，從100MHz～3000GHz都是雷達(dá)波的范疇，其中2～18GHz的雷達(dá)應(yīng)用比較廣泛，然而由于30～300GHz的毫米波雷達(dá)在大氣中存在幾個損耗較小的“窗口（35GHz、94GHz、140GHz、220GHz）”，所以其在軍事上的應(yīng)用正越來越受到重視。雷達(dá)波隱身技術(shù)主要有兩個方面，一是外形技術(shù)，二是雷達(dá)隱身材料，目標(biāo)通過合理的外觀設(shè)計(jì)，并應(yīng)用雷達(dá)波隱身材料便可達(dá)到目標(biāo)對雷達(dá)波隱身的目的。就雷達(dá)波隱身涂料來說，其目的就是降低目標(biāo)表面的雷達(dá)波反射率。激光隱身涂料的目的是降低目標(biāo)在1.06μm以及10.6μm處的反射率，因此激光隱身涂料與雷達(dá)波隱身涂料并不矛盾?？刹捎枚囝l段吸收劑應(yīng)用于涂料中解決，其難點(diǎn)在于尋求具有寬頻帶吸收的涂料用吸收劑，如能制得寬頻帶吸收劑，激光隱身與雷達(dá)隱身的問題就可迎刃而解。對于近紅外激光隱身涂料，可利用近紅外激光隱身涂料對毫米波的透明性，將激光隱身涂料涂敷到毫米波隱身涂層表面，制備毫米波與激光復(fù)合隱身涂層。

3）激光隱身與紅外隱身的兼容。紅外探測指的是利用波長在3～15μm的紅外輻射特征進(jìn)行探測的方法，考慮到大氣層對紅外線的吸收，紅外探測器的實(shí)際工作波段為3～5μm和8～14μm，其熱成像技術(shù)在軍事領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。隨著紅外偵察、探測、制導(dǎo)和熱成像處理技術(shù)的發(fā)展，反紅外探測隱身技術(shù)也越來越重要，它是通過抑制目標(biāo)的紅外輻射，或改變目標(biāo)的熱形狀，從而達(dá)到目標(biāo)與背景的紅外輻射不可區(qū)分的一門技術(shù)。

4 隱身應(yīng)用廣泛

隨著技術(shù)的進(jìn)步，激光隱身術(shù)將在其他常規(guī)武器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前美國的隱身兵器居世界領(lǐng)先地位，俄、英、法、德、日和瑞典等國也在積極發(fā)展。我國在此方面也已經(jīng)開始了針對性的研究，據(jù)報(bào)道，國內(nèi)激光隱身涂料對1.06μm波長的激光吸收率已高達(dá)95%以上。目前，可見光、紅外、雷達(dá)、激光波段兼容，并且均能達(dá)到良好隱身性能的多功能材料是研究的重點(diǎn)，紅外與激光復(fù)合隱身中紅外隱身需要低發(fā)射率的材料，激光隱身需要低反射率的材料，這兩者的復(fù)合隱身是矛盾的。據(jù)報(bào)道，通過對各種紅外透明粘合劑如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、醇酸樹脂、Kiaton樹脂、改性乙丙橡膠的研究，以及一些金屬顏料、半導(dǎo)體顏料如ITO的研究，已基本上研制出1.06μm激光與8～14μm紅外波段的復(fù)合隱身涂料。此外采用雙層乃至多層涂敷法也是復(fù)合隱身研究的一種比較容易的方法。由實(shí)驗(yàn)分析可知，激光隱身涂料對雷達(dá)波的透波性能良好，并且厚度很小約為0.1mm，可以將其涂敷于雷達(dá)吸波材料表面，從而實(shí)現(xiàn)激光與雷達(dá)復(fù)合隱身。

5 發(fā)展分析

激光隱身材料的發(fā)展趨勢：新型多波段隱身材料、多波段隱身、增強(qiáng)材料的激光吸收率、進(jìn)行材料兼容性研究、提升材料的實(shí)用性等。

1）新型多波段隱身材料。單一的隱身材料已不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的隱身需要，隨著各波段先進(jìn)探測設(shè)備的應(yīng)用，隱身材料正朝著能夠兼容米波、厘米波、毫米波、紅外、激光等多波段電磁波隱身的多頻譜隱身材料方向發(fā)展。國外已經(jīng)對這項(xiàng)工作展開了一系列的研究。目前國外先進(jìn)的多功能隱身材料在可見光、近紅外、遠(yuǎn)紅外、8mm和3mm五波段一體化方面取得較大進(jìn)展。例如，德國研制的半導(dǎo)體多功能隱身材料在可見光范圍有低反射率，在熱紅外波段有低輻射率，在毫米波段有高吸收率。這種涂層可同時對抗可見光、近紅外、激光、熱紅外和雷達(dá)的威脅。

2）多波段隱身的新理論、新方法。雷達(dá)與激光復(fù)合隱身可以通過新概念的外形設(shè)計(jì)，減小武器的激光散射截面來實(shí)現(xiàn)。

隨著光電探測技術(shù)的迅速發(fā)展，武裝目標(biāo)將不得不同時面對激光測距與制導(dǎo)以及紅外、雷達(dá)、可見光成像的探測與制導(dǎo)的威脅，單一的激光、紅外、雷達(dá)、可見光隱身材料都已很難起到真正的對抗作用。特別是軍用激光波今后將逐步由10.6μm激光取代，建立在高反射、低輻射基礎(chǔ)上的紅外隱身材料和低反射高吸收基礎(chǔ)上的激光隱身材料在工作原理上發(fā)生了直接沖突，要想在8～14m紅外波段上某一點(diǎn)附近很窄的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高吸收低反射，實(shí)際上是非常困難的。因此，研究紅外、雷達(dá)與激光復(fù)合隱身的工作原理及方法，已成為急待解決的關(guān)鍵性難題。

例如，激光和紅外復(fù)合隱身是存在矛盾的。因?yàn)榧す怆[身要求目標(biāo)有低反射率、高吸收率，而紅外隱身要求目標(biāo)具有低發(fā)射率。根據(jù)基爾霍夫定律，不透明物體在熱力學(xué)平衡條件下，其發(fā)射率和吸收率在數(shù)值上相等，因此在目標(biāo)滿足激光隱身要求的同時，對紅外必然會“顯形”。解決紅外與激光復(fù)合隱身的問題還可以引進(jìn) “適度隱身”的概念，即兩方面都降低部分性能以達(dá)到復(fù)合隱身的效果。在具體實(shí)施時，以激光隱身材料為主，紅外隱身側(cè)重于熱變形與熱迷彩等融合技術(shù)的應(yīng)用，利用空間混色原理和計(jì)算機(jī)迷彩斑點(diǎn)圖案設(shè)計(jì)技術(shù)，采用小斑點(diǎn)迷彩設(shè)計(jì)和熱迷彩圖案設(shè)計(jì)的方法。

3）增強(qiáng)材料的激光吸收率。在不影響材料光譜選擇特性的前提下，材料的激光吸收系數(shù)越高，被保護(hù)目標(biāo)的安全性越高。例如，發(fā)展稀土上轉(zhuǎn)換激光隱身材料。上轉(zhuǎn)換材料主要是摻稀土元素的固體化合物，利用稀土元素的亞穩(wěn)態(tài)能級特性，可以吸收多個低能量的長波輻射，經(jīng)多光子加和后發(fā)出高能的短波輻射，從而可使人眼看不見的紅外光變?yōu)榭梢姽?。利用它對激光頻率的轉(zhuǎn)換特性來降低激光回波反射的能量，從而達(dá)到激光隱身的目的。例如，摻雜稀土離子的晶體、玻璃、光纖等材料，通過實(shí)際存在的中間態(tài)分步吸收兩個或多個光子，實(shí)現(xiàn)離子數(shù)的反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換發(fā)射。

4）進(jìn)行材料兼容性研究。在通過使用光譜選擇性激光隱身材料實(shí)現(xiàn)多波段兼容隱身時，必定要對材料進(jìn)行摻雜、著色等相關(guān)處理，必然會對改變材料的性能，因此必然要進(jìn)行兼容性研究。例如，發(fā)展光子晶體激光隱身材料。運(yùn)用薄膜光學(xué)原理，通過不同折射率材料的周期設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)光子晶體在激光波段的窄帶吸收。利用摻雜光子晶體的缺陷能級形成的“光譜挖孔”結(jié)構(gòu)可以很好地解決激光與其他波段的兼容隱身，摻雜光子晶體的缺陷能級是由高透射引起的低反射，并不滿足激光隱身的實(shí)際要求，可以通過在光子晶體薄膜的基底中引入吸收材料，把缺陷能級透過的激光吸收掉。

5）提升材料的實(shí)用性。隱身材料的使用環(huán)境通常較惡劣，這對材料的耐性和適用性提出了較高的要求。例如，發(fā)展有機(jī)激光隱身材料。通常將取代苯二硫環(huán)戊烯鎳絡(luò)合物類、酞菁類、蒽醌類、雙二硫醇鎳絡(luò)合物類等用作近紅外吸收劑，其中菁類由于吸收光譜是銳利曲線所以對特定近紅外波長的激光偽裝有一定的應(yīng)用潛力。一些金屬有機(jī)化合物也被用作1.06μm激光吸收劑，主要包括有機(jī)鎢鹽、鎳鹽、鉬鹽和銀鹽等。目前已經(jīng)實(shí)用化的近紅外激光線性防護(hù)染料可同時防護(hù)488nm、514nm、532nm、1.06μm及紫外激光的輻射，可見光透過率達(dá)到60%，光密度達(dá)到4以上。

6 結(jié)語

由于激光探測器大多采用主動式探測方式，即依靠接收目標(biāo)后向反射能量來進(jìn)行工作，因此，激光隱身是以降低目標(biāo)激光后向反射信號，即降低目標(biāo)后向散射截面為出發(fā)點(diǎn)。目前，隱身涂料正向多頻譜、寬頻帶方向發(fā)展，而納米隱身涂料由于其突出的優(yōu)點(diǎn)，可以制得綜合機(jī)械性能良好，以及多頻段、強(qiáng)吸收的多波段隱身涂料，必將成為激光隱身涂料的一個發(fā)展方向。

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