淺談近紅外偽裝技術的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

郭家齊，張志剛，胡澤斌，閆煥敏

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淺談近紅外偽裝技術的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

郭家齊，張志剛，胡澤斌，閆煥敏

（空軍工程大學 機場建筑工程系，陜西 西安 710038）

近紅外偽裝技術在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的重要性日益凸顯。在闡述其原理的基礎上，研究了近紅外偽裝技術的主要方式，包括近紅外偽裝涂料和近紅外偽裝染料。分析了近紅外偽裝技術未來的發(fā)展趨勢，如完善現(xiàn)有技術缺陷、開發(fā)多功能偽裝技術、提升偽裝效果評價能力以及追求偽裝效果與環(huán)境保護并重等。

近紅外；偽裝技術；近紅外偽裝涂料；近紅外偽裝染料

0 引言

隨著現(xiàn)代偵察技術和精確制導武器在戰(zhàn)場上的廣泛應用，傳統(tǒng)的可見光偽裝技術已不能滿足需求，大多數(shù)發(fā)達國家的軍隊均不同程度地裝備了各種紅外偵察器材，比如像增強器、弱光電視系統(tǒng)、星光鏡、武器瞄準器以及各類夜視裝具[1]。近紅外探測儀器的運用更是使軍事行動不分白晝與黑夜，成為各國軍隊必不可少的偵察工具[2]。由于紅外偵察的威脅日益嚴重，防紅外偵察技術得到了越來越多軍事大國的重視，美國、日本、英國等國家已走在了防紅外偵察技術研究的前列[3]。所以，很有必要考慮軍事行動中人員和裝備在700～1200nm波段的表面反射率[4]。此波段恰好處于可見光與近紅外波段（760～3000nm）范圍內(nèi)，因此近紅外偽裝技術和材料也就成為了各國軍事偽裝領域的研究熱點。本文在研究近紅外偽裝技術原理的基礎上，對近年來近紅外偽裝技術和材料的研究現(xiàn)狀進行分析，并對其未來發(fā)展趨勢進行思考與展望。

1 近紅外偽裝技術的基本原理

紅外譜段波長在0.76～1000mm之間，其中0.76～3.0mm為近紅外波段，3～5mm為中紅外波段，5～14mm為遠紅外波段，14～1000mm則為極遠紅外波段。由于空氣中存有極性分子（水、氧氣、二氧化碳），會吸收極遠紅外區(qū)域的紅外線，只有波長為0.76～1.5mm、3～5mm、8～14mm的紅外線才能順利穿過大氣，這三個波段也因此被稱為“大氣窗口”。

近紅外波段在“大氣窗口”中屬于窗口“Ⅰ”，與可見光最為接近，具有很多相同特點，但其在大氣中的穿透力要更強，即使在夜間、薄霧等不利狀況下，也可以進行偵察監(jiān)測[5]。由于紅外線沒有顏色之分，目標被偵察到多是因為其亮度與背景不同[3]，所以對于近紅外偽裝，就應當保持目標的亮度與背景相近，使二者在近紅外波段具有相近的反射率。同時，近紅外偽裝往往需兼顧可見光，因此對于目標與背景的顏色也要保持一致。如此即達到了“同色同譜”的要求，可有效提高目標隱蔽性，降低其可探測性[6]。

對偽裝時目標與背景的亮度而言，亮度閾限是必須考慮的，其是指人類可察覺的最小亮度差別。設目標和背景亮度對比為，二者的亮度系數(shù)差為D，背景的亮度系數(shù)（對于理想漫散射體，亮度系數(shù)與反射率相同）為B，亮度閾值為，則有＝D/B，當D達到人類可察覺的最小亮度差別時，＝，也就是在某一亮度背景下的亮度容限。通過實驗可知，當＜0.02時目標無法被發(fā)現(xiàn)，所以值也應小于0.02。與亮度閾限概念相近，顏色閾限指的是人類所能辨別的波長最微小變化。一般來說，色差的允許值不大于4個NBS單位。這就要求在進行近紅外可見光偽裝時，偽裝色的色差也符合這個標準。

由于時間、空間、觀察或照射角度不同，背景的亮度甚至顏色都會有所不同，因此，近紅外偽裝也難以做到與背景完全一致，在一定允許范圍內(nèi)即可滿足要求[7]。以葉綠素為例，目標所處背景為綠色植被，如用偽裝涂料來實施偽裝，則要求其不僅視覺上的顏色要與背景一樣，近紅外反射率也要與天然葉綠素近似，也就是說二者應具有基本相同的光譜曲線[8]。由此可見，不同地區(qū)所用的近紅外偽裝涂料應當分別具有當?shù)乇M可能多的植物光譜反射曲線并進行擬合，得到該地區(qū)的標準葉綠素曲線，該曲線通常具有圖1所示的基本特征[9]。然而，涂料的性能有限，很難配制出與背景完全一致的顏色和反射率，所以在一定限度內(nèi)會有允許的偏差范圍。美國空軍指定的丙烯酸-硝化纖維素偽裝涂料軍用規(guī)格中，對草綠色偽裝涂料光譜反射曲線的偏差范圍作出規(guī)定，調配和選擇的偽裝涂料其紅外反射區(qū)處在圖2中的陰影區(qū)域內(nèi)，即屬于允許偏差，可以使用。

2 近紅外偽裝技術的研究現(xiàn)狀

2.1 近紅外偽裝的主要方式

實施近紅外偽裝多是對目標的紅外輻射特性進行改進使其難以被發(fā)現(xiàn)，而這種特性則與目標表面溫度及材料息息相關[10]。根據(jù)偽裝目標的不同，近紅外偽裝主要可采用偽裝涂料和偽裝染料兩種方式。對于固定目標或機械裝備，通常是噴刷涂料覆蓋其表面使之具備近紅外偽裝能力[11]；而對于作訓服一類的織物，往往是以染料染色的方式達到近紅外偽裝的目的[12]。涂料一般是噴涂在目標表面且能形成薄膜并牢固附著的粘稠液體，其主要成分多為樹脂、油、乳液，輔以所需顏色的顏料、填料以及相應助劑，再采用特定的有機溶劑調配。染料的主要成分是有機化合物，可以把纖維等基質染成特定的顏色，以此對織物進行染色和印花，其通?？扇苡谒?，少數(shù)不溶于水的染料在相應的化學處理后也能變得可溶于水。

圖1 不同植物的光譜反射特性曲線和“平均”曲線

圖2 草綠色偽裝涂料光譜反射曲線最大允許偏差

2.2 近紅外偽裝涂料

近紅外隱身常與可見光隱身一起考慮，目前近紅外隱身材料一般都為涂敷型，即偽裝方式多以涂料為主[13]。作為目前應用最為廣泛的近紅外偽裝技術之一，涂料有著得天獨厚的優(yōu)勢，主要是操作相對簡單，可在較短時間內(nèi)完成對目標的偽裝，且使用方式靈活多變，適應于各種形狀的目標，可用于偽裝網(wǎng)、偽裝罩的制作[14]。

近紅外偽裝涂料的研究始于20世紀70年代，美蘇英法等國均起步較早。其中，美國率先研究出可對付紫外、可見光和近紅外的四色迷彩涂料，由黃褐色、褐色、暗綠色和黑色組成，使用此涂料偽裝后，目標可見性下降30%，但此涂料仍以防可見光偵查為主，對防近紅外偵查仍不夠理想。80年代中期，美國開始研究各類顏料組合后的紅外反射率，并于20世紀80年代末研制出新型三色迷彩替代原四色迷彩，這種三色迷彩主要提高了涂料的近紅外偽裝性能[15]。我國也于80年代后期開始了近紅外偽裝涂料的研究，雖起步較晚，但也研制出了“505-M-Ⅲ林地型迷彩涂料”等性能優(yōu)異的裝備，與同時期美軍的87迷彩服不相上下[8]。

近年來，近紅外偽裝涂料的發(fā)展主要倚靠其所用的成膜物質，這些成膜物質以某種或某幾種新型樹脂為原料，使涂料的各項性能得以提高。

海軍后勤技術裝備研究所的黃潔等[7]以丙烯酸樹脂、多異氰酸酯為主要原料，加入顏料、溶劑及消光劑，研制了一種防可見光、近紅外光偽裝涂料，通過實驗對其機械性能（包括附著力、柔韌性和沖擊性）與偽裝性能（包括鏡面光澤、色差、三刺激值和近紅外亮度因數(shù)）進行檢測，實驗結果均滿足GJB1888-94《防可見光近紅外溶劑型偽裝涂料規(guī)范》。丙烯酸樹脂本身具有較強的耐候性和耐光性，實驗中通過加入多異氰酸酯構成雙組份原料，使其耐化學試劑和耐溫性得到提高。然而，丙烯酸樹脂對顏料的濕潤分散性較差，易產(chǎn)生浮色發(fā)花現(xiàn)象，實驗中的處理措施是選用羥值適中的丙烯酸樹脂或者采用浮色發(fā)花劑，但仍無法根治，有待進一步研究。

南京航空航天大學的郭利等[16]則是以聚氨酯為基體，葉綠素、鉻綠、水等為填料，研制出一種可有效模擬植物反射光譜的近紅外偽裝涂料。實驗中通過調整涂料含水率控制涂層反射光譜，最終確定當含水率為60%時，涂層與天然葉片反射光譜最為接近，如圖3、圖4所示。同時，反射光譜曲線在600～2500nm范圍內(nèi)均處于光譜通道中，符合美國軍方所用標準。傳統(tǒng)材料由于含水量低造成了目標與背景在近紅外波段難以達到“同譜”，而此涂料卻彌補了這一缺陷，有效提高了目標的防近紅外偵察能力。

此外，南京工業(yè)大學的尤欣敏等[17]研制了一種以氟碳樹脂為主要成膜物質的近紅外偽裝涂料，它的特點是在樹脂中引入氟元素，增加了電負性，同時大量形成的F-C鍵即使在受熱受光照等不利條件下也很難斷開，這就使得涂料的耐候性、耐熱性、耐化學介質腐蝕性，尤其是耐候性大幅提高，此外還具有20多年的戶外實踐數(shù)據(jù)，與其他類型的涂料相比優(yōu)勢明顯。與此同時，氟碳樹脂也存在對顏料濕潤分散性差的問題，實驗中采取兩種分散劑搭配的方法，使整個潤濕分散體系的親水疏水平衡值范圍盡可能大于顏料組合的親水疏水平衡值，使涂料分散均勻、穩(wěn)定，存儲穩(wěn)定性更好。試驗最終選用的涂料配方如表1所示，對其各項性能檢測均符合標準，如表2所示。這種氟碳樹脂在惡劣環(huán)境中所顯示的超強抗老化性、耐候性，具有廣泛的應用前景。

圖3 含水量a：30%wt、b：40%wt、c：50% wt、d：60%wt涂層反射光譜

圖4 含水量a：30%wt、d：60%wt涂層與e：葉片反射光譜比較

2.3 近紅外偽裝染料

以涂料的方式對織物進行偽裝，也能夠具有一定偽裝效果，但隨著用量增大，對熱紅外波段的吸收將增多，同時也會反射更多的雷達波、可見光和激光，影響了目標對雷達、可見光和激光的偽裝。而且，面料的一些性能，如吸濕性、透氣性、耐水洗性等也會不同程度降低。因此，各國愈發(fā)重視用染料對織物等目標進行偽裝。20世紀五六十年代國外就展開了對近紅外低反射率還原染料的研究，美國最先研制了用于軍事偽裝的還原染料“Veranthrene Khaki F3G”，但機理性的研究還較為缺乏[18]。此外，所用染料的結構組成對于織物的近紅外偽裝性能具有重要影響，結構趨于簡單、平面形式較好的染料，其偽裝效果更佳[19]，因而不同織物染色所選用的染料也不盡相同，同一織物也可通過染料的選擇得到不同的顏色[20]。

還原染料和分散染料是如今普遍使用的染料。還原染料的多項性能都較為出色，不溶于水，多用于棉及滌棉和維棉混紡織物的染色，但價格較貴，某些黃橙色有光敏脆損現(xiàn)象，使用受限。目前國外針對近紅外偽裝所研制的還原染料分為3類：苯蒽酮衍生物、蒽醌衍生物和苯系衍生物。而分散染料是一類水溶性較低的非離子型染料，最早用于醋酯纖維的染色，后來相繼用于錦綸、滌綸等合成纖維，種類繁多，使用時需根據(jù)要求進行選擇。

西安工程大學的張輝等[21-22]分別采用還原和分散染料對棉、滌綸及滌棉混紡織物進行染色，并測試了反射光譜和染色牢度等可見光近紅外偽裝性能。實驗中不僅采用了不同染料，還選用不同的染色方法進行染色，對比發(fā)現(xiàn)二浴法染色滌棉織物比純棉織物近紅外迷彩偽裝性能要好?？梢娙玖系男阅懿粌H與染料成分有關，與染色方法也密不可分，為今后的研究開辟了新方向。

表1 氟碳偽裝涂料的基本配方

表2 氟碳偽裝涂料的性能測試結果

值得一提的是，伊朗亞茲德大學（University of Yazd）的M. A. Tavanaie[23]等人對用高速熔融紡絲法制成的聚對苯二甲酸乙二酯（PET）多纖絲紗線進行了可見光-近紅外偽裝性能研究。這種紡絲相對于其他織物有均勻性好、牢固不易褪色的優(yōu)點，且相關研究并不多。實驗中分別以部分取向絲、牽伸絲和卷曲變形絲為原料制成織物，采用顏料綠7、顏料黃184和無機碳黑制成橄欖綠偽裝色，對其在叢林地區(qū)的偽裝性能進行測試，主要指標有反射率、熱學性能和力學性能。實驗結果表明，卷曲變形絲制成的織物反射率最接近天然橄欖綠，但由于所用顏料和天然色素間的差異，以及受添加物的雜質影響，所得織物的熱學性能和力學性能有一定缺陷，不過在允許范圍內(nèi)，完全可用于可見光-近紅外偽裝。

3 近紅外偽裝技術的發(fā)展趨勢

隨著科學技術的發(fā)展進步，各類偵察探測手段層出不窮，不斷更新，在對偽裝技術和材料提出嚴峻挑戰(zhàn)的同時，也促進了其發(fā)展和完善。結合相關資料和個人研究思考，筆者認為今后的研究重點應放在以下幾點：

1）改進完善現(xiàn)有技術的缺陷漏洞

新型偵察探測技術的產(chǎn)生，通常是利用了現(xiàn)有偽裝技術存在的缺陷漏洞，避開鋒芒，攻其軟肋，達到反偽裝反隱身的效果。譬如，多數(shù)綠色偽裝涂料的反射光譜與綠色植被相比，在780～1300nm波段的“近紅外高原”和1300～2600nm波段的“水分吸收帶”相似度較低，而高光譜成像正是利用這一點，尤其是對反射光譜一階微分處理后進行成像，可有效識別綠色植被環(huán)境中的綠色偽裝涂料。所以，想要提高偽裝性能，必須改進技術短板。

2） 注重多功能偽裝技術的研究

現(xiàn)代偵察探測技術手段日新月異，且種類繁多，諸如可見光、近紅外、熱紅外、雷達、激光、聲學等，如果僅針對其中一類實施偽裝顯然已不能滿足要求，這就需要偽裝技術具有多功能，即多譜段兼容的特性。然而，多譜段兼容同時也是難點所在，傳統(tǒng)材料在這方面往往相互矛盾，造成顧此失彼，所以新材料的研發(fā)就顯得尤為重要。如采用PbTe和Na3AlF6設計的一種一維雙缺陷模式的光子晶體[24]，在1～5mm和8～14mm的紅外波段，其反射率達到99%以上，而僅在1.06mm和10.6mm的軍用激光波長處，其透過率在96%以上，這樣就如同在紅外反射板上挖了兩個孔留給激光穿過，解決了激光與紅外隱身分別需要高透射和高反射的矛盾，實現(xiàn)了激光與近、中、遠紅外的兼容隱身?？梢灶A見，新材料的研發(fā)或以其他方法實現(xiàn)多功能偽裝，應當是今后偽裝領域的研究重點。

3） 提升偽裝效果評價能力

隨著偽裝技術的不斷發(fā)展革新，相應的偽裝效果檢驗評價也應做出一定調整細化。檢驗偽裝效果所采用的設備性能、方法應盡量與敵方偵察設備、方法相近，這就需要密切關注敵方高新偵察設備和方法，定期對我方檢驗設備方法進行改進更新，或者適當提高評價標準。同時，相應的偽裝效果規(guī)范、標準也應及時修訂完善，這樣在檢驗研究成果時也可做到有理有據(jù)，而不能總依靠老標準規(guī)范或者外軍標準規(guī)范。

4）追求偽裝效果與環(huán)境保護并重

如同雷達輻射會對人體造成傷害，近紅外偽裝所用的技術材料也存在相應隱患。例如偽裝涂料中常用的無機黃顏料，其所含的六價鉻極易被人體吸收，會對人體造成嚴重危害。為此，國家也制定了各類標準要求，對專用涂料中危害人體的重金屬物質限值做出規(guī)定，特別是可溶性重金屬鉛、鉻、汞、鎘的限值，以保證涂料的安全使用[25]。由此可見，減小技術材料對人體和環(huán)境的危害已勢在必行。

4 結語

本文研究了近紅外偽裝的基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，“發(fā)現(xiàn)即摧毀”已成為不爭的事實，隨著近紅外偵察探測技術的發(fā)展進步，隱藏目標越來越困難，防護難度也空前巨大，各國對近紅外偽裝技術的研究更為重視。偵察探測與偽裝如同矛與盾，當矛愈發(fā)鋒利，盾也必須更加堅固?，F(xiàn)有的近紅外偽裝技術已逐漸不能滿足需求，對于新技術新材料的研發(fā)必定是一項重要課題。

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Advance and Trend of Near Infrared Camouflage Technology

GUO Jiaqi，ZHANG Zhigang，HU Zebin，YAN Huanmin

(,,￠710038,)

In the modern wars, the significance of near infrared camouflage technology becomes more and more obvious. This paper, based on expounding the principle, researches major ways of near infrared camouflage technology including near infrared camouflage coatings and near infrared camouflage dyes. With the development of near infrared camouflage technology, it is analyzed that trend of the technology is developing towards perfecting existing technical defects, developing multipurpose camouflage technology, improving camouflage effect evaluation and paying equal attention to camouflage effect evaluation and environmental protection.

near infrared，camouflage technology，near infrared camouflage coatings，near infrared camouflage dyes

TN219，E951.4

A

1001-8891(2016)02-0096-06

2015-07-23；

2015-09-25.

郭家齊（1992-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事偽裝防護工程研究。E-mail：gjqfromxz@163.com。

爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室開放課題（DPMEIKF201409）。