新型多波段復(fù)合植被偽裝材料

徐 戎，張曉忠，吳 曉

〈材料與器件〉

新型多波段復(fù)合植被偽裝材料

徐 戎，張曉忠，吳 曉

（湖南文理學(xué)院 機械工程學(xué)院，湖南 常德 415000）

為滿足多波段兼容偽裝的需求，采用多種材料合理匹配與多功能層組合結(jié)構(gòu)的方法，制備了一種可實現(xiàn)可見光、紅外和雷達多波段兼容的新型復(fù)合植被偽裝材料。用雷達波屏蔽效能和反射率測試實驗對偽裝材料的吸波性能進行了測試，用成像法對偽裝材料的可見光和熱紅外偽裝性能進行了試驗檢測。結(jié)果表明，研制的偽裝材料有良好的雷達波衰減性能，大于5dB的吸收頻寬高達3.9GHz。植被偽裝材料面層紋理、顏色、亮度、熱圖與背景較為接近，隔熱效果明顯，具有良好的可見光和紅外偽裝效果。

可見光；紅外；雷達波；多波段兼容偽裝；植被偽裝

0 引言

隨著探測技術(shù)的快速發(fā)展，武器裝備在現(xiàn)代戰(zhàn)場上可能同時受到來自可見光、紅外、雷達及激光等多波段、全方位的探測，針對某種單一偵察手段的偽裝技術(shù)很難達到好的偽裝效果，為適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需求，發(fā)展多波段兼容的偽裝材料是必然趨勢[1-5]。雷達與紅外、可見光兼容偽裝材料指的是同時具有雷達與紅外、可見光3種偽裝性能的偽裝材料。一方面，它的表面材料應(yīng)具有可調(diào)節(jié)的可見光反射率，以使目標(biāo)的可見光反射系數(shù)與背景環(huán)境的可見光反射系數(shù)盡量接近，達到可見光偽裝效果；另一方面，它要具有較低的紅外輻射性質(zhì)，以控制目標(biāo)與背景之間的紅外輻射能量差（溫度差），使紅外探測與成像系統(tǒng)不能夠識別目標(biāo)的性狀特征，從而實現(xiàn)紅外偽裝目的；同時，它要具有良好的吸波性能，可大幅減少雷達回波，以實現(xiàn)雷達偽裝目的[6-7]。

多波段兼容偽裝材料目前的報道還不是很多，關(guān)于植被偽裝層的研究則更少。顧紅軍等[8]以稻草、鐵粉、石墨粉、單層鋁箔紙等易得廉價材料制作了一種新型多層復(fù)合偽裝器材，性能測試表明該偽裝器材在紅外到雷達波波段內(nèi)都有良好的偽裝隱身效果。吳春等[9]設(shè)計制備了一種新型可見光/熱紅外兼容偽裝復(fù)合材料，該材料以常見的滌綸織物面料為基底，在其表面涂覆含空心微珠的隔熱層，然后進行表面化學(xué)鍍鎳，最后通過電解著色，性能測試結(jié)果表明：材料的有關(guān)性能均符合可見光與熱紅外偽裝的要求，可用做單兵偽裝織物面料。楊玉杰等[10]設(shè)計和制備了一種新型的植物葉片仿生偽裝材料，其包含透明聚氯乙烯表層、葉綠素/聚乙烯醇薄膜、含水高阻隔袋和紙張4層結(jié)構(gòu)，光譜測試結(jié)果表明在可見光、近紅外和短波紅外波段，該偽裝材料的反射光譜特征與植物葉片極為相似，且耐候性好，有望可以有效對抗高光譜目標(biāo)偵察。王超等[11]采用特征矩陣法和鍍膜法設(shè)計計算并制備了一種可以實現(xiàn)遠紅外與10.6mm激光兼容偽裝的光子晶體薄膜，但增大入射角度會降低整體偽裝效果。俞科靜等[12]將金屬鋁粉和摻錫氧化銦粉末與聚丙烯進行熔融混合制備了一種紅外偽裝材料，通過實驗研究發(fā)現(xiàn)鋁粉與摻錫氧化銦粉末的比例為1:2時，偽裝效果最好。易怡等[13]通過優(yōu)化設(shè)計構(gòu)建了一維光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了近、中、遠紅外光與波長為1.06mm和10.6mm激光兼容偽裝，并發(fā)現(xiàn)入射角增大會降低激光偽裝效果和縮小紅外波段偽裝頻譜范圍。

從現(xiàn)有技術(shù)來看，各個波段單一功能的偽裝材料已達到應(yīng)用階段，但是能真正兼容可見光、近紅外、熱紅外、厘米波、毫米波等多個波段的偽裝材料還比較少見。有些兼容材料最多也僅能兼容到兩三個波段，但兼容效果并不太理想，還未進入實用階段，對于能兼容3個波段的，其偽裝效果還不能滿足使用要求。本研究旨在針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能滿足多波段兼容要求、偽裝效果較好、價格相對低廉、制作工藝簡單、適合多場景的新型復(fù)合植被偽裝材料及制備方法。

1 偽裝材料結(jié)構(gòu)

為滿足多波段兼容偽裝的要求，本研究采用多種材料合理匹配與多功能層組合結(jié)構(gòu)的思路，研究設(shè)計一種復(fù)合材料，既能滿足對雷達波及紅外等的有效偽裝，還能形成與環(huán)境近似的可見光偽裝。該偽裝材料共分為7層，從內(nèi)到外依次為防水層、里層基體、紅外反射層、過渡層、吸波層、外層基體和植被層，如圖1所示。其中，吸波層完成對雷達波的衰減，紅外反射層完成紅外波段的偽裝，植被層完成對雷達波和可見光的近似漫反射，其余4層為輔助功能層。各層的具體功能和材料選用如下。

圖1 新型多波段復(fù)合植被偽裝材料結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 可見光偽裝功能層

可見光偽裝主要是針對人眼目視、儀器照相和攝像等偵察手段，對比目標(biāo)與背景環(huán)境間的亮度和色度等視覺信號參數(shù)的特征值所采取的偽裝技術(shù)，通常包括偽裝網(wǎng)、迷彩、煙霧、植被偽裝和新型智能變色材料等。植物偽裝是用種植、采集植物和改變植物顏色對目標(biāo)實施的偽裝，用于戰(zhàn)時偽裝較小的固定目標(biāo)和活動目標(biāo)及平時偽裝較大的永久性固定目標(biāo)，能對付光學(xué)、熱紅外和雷達偵察，植物偽裝主要有覆蓋、遮障、裝飾和變色等4種方法[14]。本研究中可見光偽裝主要通過第7層植被層實現(xiàn)。該層選用無土栽培技術(shù)培育的植被層鋪裝在外層基體上，并通過繩網(wǎng)固定，具有適應(yīng)場景多、偽裝效果好、更換速度快的特點。

1.2 紅外偽裝功能層

根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，偽裝材料要實現(xiàn)紅外偽裝，不僅要盡量使目標(biāo)與環(huán)境的溫差小，而且還要盡量使目標(biāo)的發(fā)射率與背景的發(fā)射率相近，即達到“同溫同譜”。本研究中，紅外反射層選用單面鋁箔紙，并將其有鋁面朝向遮障目標(biāo)放置，利用其較高的紅外線反射能力隔絕遮蔽目標(biāo)向背景環(huán)境散發(fā)的紅外輻射。另外，植被層和足夠厚的吸波層本身就有較好的隔熱效果。3個功能層的組合可以較好地調(diào)節(jié)偽裝目標(biāo)的紅外輻射特性，使其與背景近似達到“同溫同譜”的良好偽裝效果。

1.3 雷達波偽裝功能層

反雷達波偽裝主要通過雷達吸波材料來實現(xiàn)。吸波材料一般分為吸收型和干涉型，后者一般只能對某特定波長的雷達波實現(xiàn)偽裝，而吸收型吸波材料通常需要具備較高的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率[10]。石墨精粉具有較高的電導(dǎo)率，鐵氧體粉具有較高的磁導(dǎo)率，因此二者組成的混合物是理想的吸波材料。本研究中，吸波層主要包含鐵氧體粉、石墨精粉、環(huán)氧類粘合劑，各組分質(zhì)量百分比約為：鐵氧體粉35%，石墨精粉12%，環(huán)氧類粘合劑53%。前兩者起吸收雷達波作用，環(huán)氧類粘合劑起粘合定型作用。

1.4 輔助功能層

里、外層基體選用彩條布或化纖紡織布，主要起承力和載體作用，并有一定的耐磨和防水作用。防水層主要包括丙烯酸防水涂料、魚珠膠和偽裝顏料，直接涂刷在里層基體上，主要起防水止裂的作用。過渡層主要包含鐵氧體粉、石墨精粉、魚珠膠、偽裝顏料，主要在紅外反射層和吸波層之間起成分過渡與吸波作用，降低因兩層間成分突變對雷達波反射特性的影響，減少雷達回波。

2 偽裝性能測試及結(jié)果分析

2.1 反雷達波偽裝效果

2.1.1 雷達波屏蔽效能測試實驗

根據(jù)屏蔽作用原理屏蔽體對屏蔽效能的貢獻分為3部分：一是屏蔽體表面因阻抗失配引起的反射損耗；二是電磁波在屏蔽材料內(nèi)部傳輸時，電磁能量被吸收引起傳輸損耗或吸收損耗；三是電磁波在屏蔽材料內(nèi)壁面之間多次反射引起的多次反射損耗。屏蔽效能測試通常采用14kHz、100kHz、1MHz、400MHz、1GHz、10GHz和18GHz作為測試頻率，這些典型測試頻率點上的測試結(jié)果基本可以代表9kHz～18GHz整個頻段的屏蔽效能[15]。本研究利用微波暗室法，選取10GHz和18GHz兩個測試頻率，測試結(jié)果基本可以代表植被偽裝材料在常用機載雷達主要工作頻段10GHz～18GHz的屏蔽效能。根據(jù)陽波等[16]研究成果，吸波材料中碳含量與鐵含量為1:2時具有最佳的吸波性能，設(shè)計了兩種不同的碳含量與鐵含量的吸波材料配方，如表1所示。其中，1號和2號樣品為未安裝最外層植被層情況下的測試結(jié)果，3號和4號樣品是在2號樣品上安裝植被層后的測試結(jié)果。3號樣品的植被為正常狀態(tài)，4號樣品的植被為12h未澆灌的缺水狀態(tài)。由表1可知，相對于1號樣品，2號樣品具有更好的雷達波屏蔽效能，而增加植被層對低頻（10GHz）的屏蔽效能影響很小，對高頻（18GHz）的屏蔽效能有明顯提升，且植被處于缺水狀態(tài)對屏蔽效能有一定影響。

2.1.2 雷達波反射率測試實驗

采用弓形法測試了植被偽裝材料的雷達波反射率，測試頻率掃頻范圍為30MHz～6GHz，在此頻率范圍內(nèi)均勻選取81個測試點，根據(jù)上節(jié)分析，選取1號和2號樣品進行測試，實驗結(jié)果如表2所示。由表2可知，1號樣品反射率最大值為－15.6dB，對應(yīng)頻率為5.167GHz，大于5dB的吸收頻寬為2GHz，2號樣品反射率最大值為－12.15dB，對應(yīng)頻率為2.556GHz，大于5dB的吸收頻寬為3.9GHz。顯然，2號樣品反射率在－5dB以下的吸收頻寬相對更寬，有良好的雷達波衰減特性。由雷達波屏蔽效能和反射率實驗結(jié)果可知，3號樣品具有最佳的綜合性能，因此將其作為后續(xù)可見光和紅外性能測試的對象。

表1 雷達波屏蔽效能測試實驗結(jié)果

表2 雷達波反射率測試實驗結(jié)果

2.2 可見光與紅外偽裝效果

采用成像法，利用數(shù)碼照相機、數(shù)碼攝像機、藍綠紅3種濾光片、紅外輻射測溫儀和紅外熱像儀，對偽裝材料面層的可見光和熱紅外偽裝效果進行了檢測。所有測試均在室外完成，氣溫22～30℃。本研究共對植被偽裝材料進行了4類測試試驗：①單塊植被偽裝材料可見光、藍濾光、綠濾光、紅濾光和熱紅外成像；②多塊植被偽裝材料可見光、藍濾光、綠濾光、紅濾光成像；③多塊植被偽裝材料不同時間點紅外成像及表面溫度測試；④植被偽裝材料隔熱性能測試。

圖2是單塊植被偽裝材料可見光、藍濾光、綠濾光、紅濾光和熱紅外成像照片，圖3是多塊植被偽裝材料可見光、藍濾光、綠濾光、紅濾光成像照片，圖4是多塊植被偽裝材料不同時間點熱紅外成像照片及表面溫度。表3為采用新型復(fù)合植被偽裝材料對汽車排氣管實施遮擋前后的輻射溫度測試結(jié)果。由圖2和圖3可以看出，無論是單塊還是多塊植被偽裝材料，它們的面層紋理、顏色與亮度都與背景較為接近，均有良好的可見光偽裝效果。由表3可知，偽裝前后汽車排氣管溫差18.4℃，隔熱效果非常顯著。由圖4可知，不同時間點多塊植被偽裝材料與環(huán)境溫度差基本均在2℃以內(nèi)，具有優(yōu)異的紅外偽裝效果。

圖2 單塊植被偽裝材料的成像照片

圖3 多塊植被偽裝材料的可見光成像照片

圖4 多塊偽裝材料不同時間點熱紅外成像照片及表面溫度

表3 偽裝前后汽車排氣管輻射溫度測試結(jié)果

3 結(jié)論

1）采用移植植被層、鋁箔紙、鐵氧體粉、石墨精粉、環(huán)氧類粘合劑、偽裝顏料等常見易得材料，研制了一種新型復(fù)合植被偽裝材料；

2）對兩種配方吸波材料層及其構(gòu)成的植被偽裝材料進行了雷達波屏蔽效能和反射率測試試驗，結(jié)果表明3號樣品具有最佳的反雷達波偵測性能；

3）利用成像法檢測了植被偽裝材料的可見光和熱紅外偽裝性能，結(jié)果表明植被偽裝材料面層紋理、顏色、亮度、熱圖與背景較為接近，隔熱效果明顯，其可見光和紅外偽裝效果俱佳；

4）研制的植被偽裝材料可實現(xiàn)可見光、紅外和雷達多波段兼容的偽裝效果，其植被層可根據(jù)實際需要培育不同外形和顏色的植被，且植被層為繩索固定，更換方便快捷，能有效滿足目標(biāo)連續(xù)長時間在多種應(yīng)用場景中的偽裝需求，此外還具有制作工藝簡單、價格相對低廉、防水和耐老化性能好等優(yōu)點，應(yīng)用前景較為廣闊。

[1] 王超, 時家明, 趙大鵬, 等. 多波段兼容偽裝方法的分析研究[J]. 兵器材料科學(xué)與工程, 2012, 35(5): 92-95.

WANG Chao, SHI Jiaming, ZHAO Dapeng, et al. Analysis and Study of Multiband Compatible Camouflage Methods[J]., 2012, 35(5): 92-95.

[2] 程紅飛, 黃大慶. 多頻譜兼容隱身材料研究進展[J]. 航空材料學(xué)報, 2014, 34(5): 93-99.

CHENG Hongfei, HUANG Daqing. Research Progress in Multi- spectrum Compatible Stealth Materials[J]., 2014, 34(5): 93-99.

[3] 王義, 劉東青, 周峰, 等. 自適應(yīng)偽裝材料與技術(shù)研究進展[J]. 中國材料進展, 2020, 39(5): 404-410.

WANG Yi, LIU Dongqing, ZHOU Feng, et al. Research Progress of Adaptive Camouflage Materials and Technology[J]., 2020, 39(5): 404-410.

[4] 陳明輝, 程海峰, 夏成龍, 等. 可見光與紅外兼容偽裝材料研究進展[J]. 化工新型材料, 2018, 46(4): 36-38.

CHEN Minghui, CHENG Haifeng, XIA Chenglong, et al. Research Progress in Visible Light and Infrared Compatible Camouflage Material[J]., 2018, 46(4): 36-38.

[5] 胡杰, 路遠, 侯典心, 等.紅外偽裝技術(shù)研究進展[J]. 激光與紅外, 2018, 48(7): 803-808.

HU Jie, LU Yuan, HOU Dianxin. Research Progress of Infrared Camouflage Technology[J]., 2018, 48(7): 803-808.

[6] 李廣德, 劉東青, 王義, 等. 熱紅外偽裝技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進展[J]. 紅外技術(shù), 2019, 41(6): 495-503. LI Guangde, LIU Dongqing, WANG Yi, et al. Research Status and Progress of the Thermal Infrared Camouflage Technology[J]., 2019, 41(6): 495-503.

[7] 嚴(yán)陽, 華文深, 張炎, 等. 可見-近紅外高光譜偽裝目標(biāo)特性分析[J].紅外技術(shù), 2019, 41(2): 171-175. YAN Yang, HUA Wenshen, ZHANG Yan, et al. Visible Near-infrared Hyperspectral Camouflage Target Characteristic Analysis[J]., 2019, 41(2): 171-175.

[8] 顧紅軍, 吳義富, 陽波. 新型層合多波段偽裝器材研究[J]. 兵器材料科學(xué)與工程, 2006, 29(3): 54-56.

GU Hongjun, WU Yifu, YANG Bo. Research on A New Kind of Multilayer Multiplex-wave-bands Camouflage Equipment[J]., 2006, 29(3): 54-56.

[9] 吳春, 劉祥萱, 吳友朋. 可見光/熱紅外偽裝復(fù)合材料的制備與性能研究[J]. 紅外技術(shù), 2009, 31(10): 602-606.

WU Chun, LIU Xiangxuan, WU Youpeng. Study on the Preparation and Properties of Visible Light and Heat Infrared Camouflage Composite Materials[J]., 2009, 31(10): 602-606.

[10] 楊玉杰, 胡碧茹, 吳文健. 植物葉片仿生偽裝材料的設(shè)計與制備[J].國防科技大學(xué)學(xué)報, 2011, 33(5): 50-53.

YANG Yujie, HU Biru, WU Wenjian. Design and Preparation of Bionic Camouflage Materials by Simulating Plant Leaves[J]., 2011, 33(5): 50-53.

[11] 王超, 時家明, 趙大鵬, 等. 入射角度對遠紅外與激光兼容偽裝光子晶體薄膜特性的影響研究[J]. 人工晶體學(xué)報, 2013, 42(4): 635-638.

WANG Chao, SHI Jiaming, ZHAO Dapeng. Effect of the Incident Angle to the Compatible Camouflage of Photonic Crystals Film of Far Infrared and Laser Band[J]., 2013, 42(4): 635-638.

[12] 俞科靜, 李佳鈮, 曹海建, 等. 紅外偽裝材料的制備與性能研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料, 2012(5): 94-97.

YU Kejing, LI Jiani, CAO Haijian, et al. Preparation and Study of Infrared Camouflage Materials[J]., 2012(5): 94-97.

[13] 易怡, 鄧聯(lián)文, 羅衡, 等. 基于光子晶體的紅外光與激光兼容偽裝材料結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 中南大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2017, 48(11): 2966-2971.

YI Yi, DENG Lianwen, LUO Heng, et al. Design of Infrared and Laser Band Compatible Camouflage Structure Based on Photonic Crystals[J].: Science and Technology, 2017, 48(11): 2966-2971.

[14] 高旭芳. 偽裝武器裝備的幾種方法及發(fā)展淺談[J]. 國防技術(shù)基礎(chǔ), 2008(9): 48-50.

GAO Xufang. Several Methods and Development of Camouflage Weapons and Equipment[J]., 2008(9): 48-50.

[15] 肖猛, 聞映紅, 吳釩. 電波暗室性能指標(biāo)的測試方法[J]. 安全與電磁兼容, 2005(S1): 49-52, 63.

XIAO Meng, WEN Yinghong, WU Fan. Test Method for Specification of Anechoic Acahamber[J]., 2005(S1): 49-52, 63.

[16] 陽波, 顧紅軍, 吳義富. 武器裝備偽裝毯研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2005, 2(6): 94-97.

YANG Bo, GU Hongjun, WU Yifu. Research on a new kind of multilayer multiplex-wave-bands camouflage equipment[J]., 2005, 2(6): 94-97.

A New Multiband Composite Vegetation Camouflage Material

XU Rong，ZHANG Xiaozhong，WU Xiao

(College of Mechanical Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

To meet the requirements of multiband compatible camouflage, a new composite vegetation camouflage material that can realize multiband compatibility of visible light, infrared, and radar was fabricated by reasonably matching various materials and a multi-functional layer structure. The absorbing properties of the camouflage material were evaluated by a radar wave shielding effectiveness and reflectivity test. The visible and thermal infrared camouflage properties of the camouflage material were tested by an imaging method. The results show that the camouflage material has good radar wave attenuation performance, and the absorption bandwidth at values of 5dB or more is as high as 3.9GHz. The texture, color, brightness, and thermal map of the surface layer of the vegetation camouflage material are close to the background values, and the thermal insulation effect is evident, enabling good visible and infrared camouflage effects.

visible light, infrared, radar wave, multiband compatible camouflage material, vegetation camouflage

TJ04，TB34

A

1001-8891(2021)03-0266-06

2020-08-10；

2021-03-10.

徐戎（1980-），男，湖南長沙人，副教授，博士，主要從事偽裝材料制備及性能研究。E-mail: amxurong@163.com。

湖南省高等學(xué)校應(yīng)用特色學(xué)科（湘教通〔2018〕469）；湖南省高校科技創(chuàng)新團隊支持計劃資助（湘教通[2019]379）；湖南文理學(xué)院博士科研啟動項目（18BSQD08）