人體熱紅外隱身技術

摘要:通過人體紅外輻射特征的理論分析,結合熱像儀探測原理及熱紅外隱身機理,探討了實現人體熱紅外隱身的技術途徑。研究表明,人體紅外隱身應主要控制8~14 μm 波段的紅外輻射能量,降低服用柔性材料紅外發射率及應用溫控纖維/織物柔性材料,是實現人體熱紅外隱身的重要技術途徑。本文通過閱讀大量文獻,從理論分析與實踐的角度分析了熱紅外隱身的原理及實現的途徑,以及現價段的研究狀況。最后描述了今后熱紅外隱身的發展方向。

關鍵詞:人體;熱紅外;隱身技術;相變材料; 偽裝網; 涂層;

1 引言

熱紅外隱身技術是指對目標?3~5?μm?及8~14?μm?紅外波段特征信號進行偽裝、減縮和控制,以降低中遠紅外偵察裝備對目標的探測和識別能力[1~3]。提高單兵行動的隱蔽性和突防性,是現代高技術戰爭呈現的一大特點,隨著先進的偵察探測技術如熱像儀的出現,單兵的生存力和戰斗力受到嚴重威脅,熱成像技術在軍事領域的快速滲透,使各種軍事目標的生存也受到嚴重威脅,為此,以降低和消弱敵方熱紅外探測設備效能為目的的熱紅外偽裝技術受到各國軍方的廣泛關注。熱紅外隱身服的研究方向目前主要有(1)冷卻目標;(2)改變目標的輻射性能;(3)采取條狀覆蓋層“混雜”輻射法;(4)應用防紅外涂層。國外開展對人體熱紅外隱身的研究起始于上世紀?90?年代初,美國1994?年開始實施“單兵熱成像防護”的專門計劃,發展能迷惑熱探測器的隱身作戰服,目前其研究水平處于領先地位。目前國外可見光/近紅外迷彩服用材料研究及應用技術較為成熟,因此熱紅外隱身服已發展成為單兵隱身的研究重點。美、英、法、德、俄等國,在其各自的21?世紀單兵綜合作戰系統計劃中,均將單兵熱紅外隱身技術列為研究重點,并已陸續試裝具有防熱紅外偵察儀器探測性能的隱身服用材料,國內在該方面的研究則剛剛起步。

本文在查閱大量文獻的基礎上,?通過人體熱紅外隱身原理及熱像儀探測機理的分析,結合部分探索性試驗,探討適宜的人體熱紅外隱身技術途徑。并針對目前熱紅外偽裝技術的不足以及今后的發展方向,介紹三種新機理型熱紅外偽裝體系。

2?人體紅外輻射特征分析

人體自身是一個紅外輻射源。皮膚的紅外發射率很高,接近黑體,并且與種族、膚色和個性無關,如表1所示。人體裸露皮膚溫度通常為32℃~33℃。若將人體看作黑體,并假設其紅外輻射面積0.6m2,可通過斯蒂芬-玻爾茲曼定律、維恩定律等紅外輻射理論計算出有關人體紅外輻射特征數據,如表2?所示。

表1?人體的紅外輻射特征

波段范圍/μm???<5??5~9??9~16??>16

在總輻射能量中的分量/%??1??20??38??41

表2?人體紅外外輻射特征值

人體總輻出度

490.66W?m-2

光譜輻出度峰值

33.96W?m-2?μm-1

平均輻射強度

93.76W?sr-1

峰值波長

9.5?μm

3~5?μm?波段的輻出度

6.87W?m-2,占總能量的1.4%

8~14?μm?波段的輻出度

184.49W?m-2,占總能量的37.6%

表觀溫差是熱像儀探測和識別目標的主要依據[9]。夏季環境下,某些目標與背景的溫差值如表3?所示。

表3?典型目標夏季野外平均溫差值

目標??ΔT/℃??面積/(m×m)

坦克/側面?5.25??2.7×5.25
坦克/正面?6.34??2.7×3.45
2.5 t?車/側面?10.40??2.03×4.22
2.5 t?車/正面?8.25??2.03×1.67
自行炮/側面??4.67?1.8×4.8

自行炮/正面?5.65??1.8×2.09

站立人?8.0??0.5×1.5

表?3?表明,人體與環境的溫差值較大,僅次于2.5 t?的車體,與其他目標相比,人體在背景下呈現顯著的熱源特征。

根據斯蒂芬2玻耳茲曼定律以及發射率的定義,對于發射率為ε的物體在單位時間內單位表面積上向半球空間輻射出的總能量為:

E =εσT 4 =ε(λ,T)??(1)?

其中: T 為物體的表面絕對溫度

ε物體的比輻射率

σ斯蒂芬-波爾茲曼常數,即為黑體輻射常數

c1為普朗克第一輻射常數

c2為普朗克第二輻射常數

λ輻射波長

T1黑體絕對溫度

為了減少目標的輻射能量使其與背景的輻射能量相近,達到隱身偽裝的效果,需要改變目標的發射率ε和溫度T ,使其與背景的發射率和溫度相近是顯而易見的措施。這兩個因素對輻射度效果的影響是不同的。在較高溫度情況下,溫度將是影響目標輻射度的主要因素;在較低溫(與環境溫度接近) 情況下,發射率將是影響目標輻射度的主要因素。同時,由于背景的復雜性,單一降低目標的發射率并不能提供有效的熱紅外隱身,而只有使目標各個部位的發射率不同,讓目標熱像圖形分割,消除目標熱像的典型輪廓,才能降低熱像儀的識別能力,取得良好的熱紅外隱身效果。

物體輻射紅外能量不僅取決于物體的溫度,還決定于物體的比輻射率。溫度相同的物體,由于比輻射率的不同,而在紅外探測器上顯示出不同的紅外圖像。對于灰體,比輻射率不隨溫度和波長變化,而對非灰體比輻射率式波長和溫度的函數,若一般軍事目標的輻射強于背景,可采用低比輻射率的涂料來降低目標的紅外輻射能量。另一方面,為降低表面的溫度,熱紅外偽裝涂層在可見光和近紅外還具有較低的太陽能吸收率和一定的隔熱能力,以使目標的表面溫度盡可能接近背景溫度,從而降低目標和背景的輻射對比度,減少目標的被探測概率。

采用?IR-913A?型熱像儀,對人體白天和夜間的紅外輻射特征進行探測,相關數據處理見表4。

表4?人體熱像圖中人體與背景的表觀溫度數據

時間

區域Z[1]??區域Z[2]?平均溫差

最高??最低??平均??最高??最低??平均?(Z[1]平均-Z[2]平均)

白天12?點?8??-4.1??1.6??4.3??-5.8??-2.4??4

夜間12?點?-24.4??-48.4??-39.2??-53.9??-66.9??-61.5?22.3

試驗結果表明,中午12?時人體上身的熱像表觀溫度比背景草地高4℃左右,午夜0?時比背景草地溫差高22.3℃,呈現出人體在晝夜不同時間下,與背景的紅外輻射特征差異較大的現象。通過上述人體的紅外輻射特征分析及熱像儀測試,可以認為單兵隱蔽性的主要威脅源于8~14?μm?波段的熱紅外探測,因此采取措施控制該波段內的紅外輻射能量,是提高人體熱紅外隱身性能的關鍵所在。

3?人體熱紅外隱身技術途徑理論分析

熱像儀探測時接收的能量為W=W1+W2,其中W1?為目標自身的紅外輻射能量,W2 為目標對周圍環境的反射能量,即W2=(1-ε)W 環境。W1?由斯蒂芬-玻爾茲曼定律決定,即W1=εσT4,(式中σ為玻耳茲曼常數,ε為物體的紅外發射率,T為物體的絕對溫度)。

人體的紅外輻射能量通常高于對環境背景的反射能量,通過降低紅外發射率即降低W1?大于升高W2?對熱紅外隱身的貢獻,所以降低紅外發射率有利于降低熱像儀接收能量。目標表面的溫度與周圍環境的空氣狀態,除與目標內部散失的熱量有關外,還與其太陽光吸收系數有關。96%的太陽能可通過0.2~2.5?μm?波長范圍傳輸,能量分布情況為:5%紫外光區域,45%可見光區域,50%近紅外區域。如果材料表面對太陽能的吸收系數較高,則材料表面溫升較快,與背景溫差加大,不利于熱紅外隱身。

上述分析表明,人體熱紅外隱身對隱身材料的技術要求為:(1)服用材料表面應具有較低的紅外發射率;(2)服用材料應具有吸熱或隔熱效果;(3)降低服用材料表面的太陽吸收系數;(4)在可見光、近紅外波段(0.4~1.5?μm)的光譜反射特性應與自然背景匹配。低紅外發射率表面和熱阻隔均可實現目標紅外迷彩效果;降低太陽光吸收系數,則能夠降低目標與背景的溫差,有利于紅外隱身。

4 理論分析下熱紅外隱身的可行技術途徑

目前可實現單兵熱紅外隱身的技術途徑有3?種方式:1)改變人體熱紅外輻射特性,即降低紅外發射率;2)降低人體紅外輻射強度技術,即熱抑制技術;3)光譜轉換技術,將輻射能量以8~14?μm?以外的波段輻射散除。

4.1 降低紅外發射率

4.1.1 目標發射率的影響因素

目標與背景的紅外輻射特征是目標與背景相互作用、相互影響的結果。目標的背景,特別是移動目標的背景是相當復雜并在不停變化的。目標的紅外隱身偽裝的一個方面就是調節目

標的發射率使目標的紅外特征與環境的紅外特征相適應。影響目標發射率的因素有目標的材料種類、溫度、熱過程以及環境條件等。作為移動目標坦克,熱過程和環境條件是復雜難以改變的[2 ,6 ,7 ,10 ] ,故調節發射率主要是改變目標表面材料的種類和溫度。絕大多數非金屬材料發射率值都較高,當溫度低于77 ℃時,一般大于0. 8 。當低于熔融溫度時在0. 3~0. 8 之間,絕大多數金屬的發射率都很低。而植物葉子、人的皮膚、各種皮毛,在環境溫度下都有很高的發射率,甚至可看作接近黑體的輻射表面。溫度對發射率的影響在不同材料、不同波長及溫度范圍內影響不一樣,絕大多數非金屬的發射率隨溫度的升高而減小,絕大多數金屬發射率近似地隨其絕對溫度成正比增加。

4.1.2目標發射率的調節方式

對于一般目標,由于其對太陽能的吸收和本身的發熱使其表面溫度比環境溫度高,根據斯蒂芬-玻耳茲曼定律,降低目標發現概率主要采用的手段之一就是降低目標表面的發射率ε。當前降低目標表面發射率ε的主要方式是采用熱紅外隱身偽裝涂料。實現熱紅外隱身涂料的方法是采用低發射率粘合劑,添加各種顏料或填料制成涂料,在涂料底層摻入高反射微粒也能起到一定的發射率調節作用。

(1) 粘合劑的選擇

粘合劑是影響熱紅外涂料隱身性能的主要因素,很多研究者認為,涂料在紅外波段的吸熱能力至少有60 %取決于粘合劑。因此,熱紅外隱身涂料粘合劑除應滿足物理機械性能、施工性能等一般要求外,還應有對熱輻射低吸收或高透明度的性能。目前看來,符合此要求的是紅外透明性良好的有機粘合劑和無機粘合劑。紅外透明聚合物既有較低的紅外吸收率,又有較好的物理機械性能,是較理想的熱隱身涂料粘合劑。

可供熱隱身涂料選用的聚合物范圍較廣,如烯烴類:聚乙烯、聚乙烯與乙烯乙酸酯的共聚物、聚乙烯與乙烯醇縮醛的共聚物、聚乙烯與聚四氟乙烯的共聚物、聚乙烯與聚苯乙烯的共聚物;橡膠類:環狀橡膠、丁基橡膠、硅橡膠;其他有醇酸樹脂、硅醇酸樹脂、聚氨酯。實際上,高聚物的熱性能是很復雜的,上述物質熱性能相差極大。

熱性能較好,作為熱隱身涂料粘合劑報道的有Kraton 樹脂、氯化聚苯乙烯、丁基橡膠。熱紅外性能較差(ε≥0. 8) ,實際上并不適合作熱隱身涂料粘合劑的有醇酸樹脂、硅醇酸樹脂、聚氨酯、硅橡膠、聚苯乙烯。此外,聚乙烯熱吸收率雖低,但工藝性能很差,亦不適合作涂料的粘合劑。與有機粘合劑相比,無機粘合劑紅外性能比較簡單,紅外吸收率也較低,但物理機械性能和施工性能較差。Kalvert 等在比較了醇酸樹脂、丙烯酸樹脂、環氧樹脂、松脂、無機硅酸鹽、無機磷酸鹽等多種粘合劑的熱紅外性能后,認為最理想的是無機磷酸鹽粘合劑。Kalvert 等研制了ε值較低的熱隱身涂料,其質量分數組成分別為:磷酸24. 2 %、氧化鎂4. 3 %、鉻酸4. 7 %、乙醇1. 7 %、水65. 1 %。盡管磷酸鹽和鉻酸鹽離子在熱紅外波段強烈吸收,但它們的混合物在高溫下燒結形成一種玻璃質材料,其漫反射率高達60 % ,這樣也就相當于降低了涂層在紅外探測器方向上的ε值。

(2) 顏料(或填料) 的影響

顏料(或填料) 是影響涂料紅外隱身性能的基本因素之一,選用時要符合以下要求: ①在紅外波段有較低的發射率或較高的透射率(對著色顏料而言) ,其紅外吸收峰不能在大氣窗口內;②能與雷達、可見光和近紅外等波段的隱身要求兼容。實際上,要找到完全滿足以上要求的顏料是有很大困難的。目前用于熱隱身涂料配方中的顏料大致分為3 種:金屬顏料、著色顏料和半導體顏料。

有較高反射率的金屬是熱隱身涂料最常用和最重要的顏料種類??捎玫挠蠥l 、Zn、Sn、Au、青銅等,實際選用集中于性能優良、價廉易得的Al 。Tschulena 研究了金屬顏料粒子尺寸對ε的影響后認為,粒子的直徑應在0. 1~100μm 范圍內。形狀不同,粒子的尺寸范圍也不同,鱗片狀粒子的直徑1~100μm ,最佳厚度0. 1~10μm;小棒狀粒子的直徑0. 1~10μm ,最佳長度1~100μm;球狀粒子的平均直徑在0. 1~100μm。對于前兩者,直徑/ 厚度(或長度) 比越大,降低ε的效果越明顯。澳大利亞國防部材料實驗室最先做過比較,在涂料配方中,將鋁箔片的直徑由12μm 增至70μm ,其余參數條件不變,結果ε值明顯降低。熱紅外隱身涂料選用著色顏料主要是為了滿足與可見光隱身兼容的要求。大多數著色染料不具備降低ε的作用,僅能要求其不損害涂料的熱隱身性能。因此,著色顏料的篩選一直是隱身涂料研究工作的難點之一。

金屬氧化物顏料具有較高的紅外透明度,對涂料隱身性能不會有影響。而有機顏料由于有復雜的C2N2O 結構,在紅外波段有強度吸收,不適宜作為隱身涂料的顏料。無機鹽類顏料也有類似的缺陷。但Areson 則認為硫化物顏料更適于作熱隱身涂料的顏料。他比較了硫化鎘、氧化鐵、鉻綠和鉻黃等4 種著色顏料的計算機模擬光譜后,認為硫化鎘的紅外透明性最好,吸收峰在紅外大氣窗口之外,在軍用綠色涂層中能產生額外的散射,從而能降低涂層的ε值,有希望用于新一代熱隱身涂料。氧化鐵稍優于鉻綠,鉻黃則最差,即使它在涂料中的體積含量小于1 % ,也會使涂層的ε猛增。金屬顏料雖然有良好的紅外反射性能,但不利于雷達隱身和可見光隱身偽裝,而著色顏料一般難以調低涂料的ε值。

研制兼容性能良好的寬波段隱身涂料一直是研究者奮斗的方向。近年來出現的摻雜半導體顏料系統的研究使這種努力的結果已露端倪。摻雜半導體由金屬氧化物(主體) 和摻雜劑(載流子給予體) 兩種基本成分構成。理論證明,摻雜半導體的ε值由材料的載流子密度n、載流子遷移率ν和載流子碰撞頻率ωt 控制,而n、v 和ωt 可以通過控制摻雜條件加以調整。適當選擇n、v 和ωt 等參數,可以使摻雜半導體在紅外波段有較低的ε值,而在微波和毫米波段具有較高的吸收率,從而形成紅外、雷達一體化材料。摻雜半導體在涂料體系中作為非著色顏料所占的質量分數可為10 %~90 % ,粒子形狀通常為細桿狀、細片狀和扁平狀;尺寸為5~100μm ,最常見的摻雜半導體材料是SnO2?和In2O3。

(3) 涂料底層摻入高反射微粒

熱偵察探測到的目標熱輻射包括經過目標反射的環境熱量。顯然, 目標表面漫反射的能量分量越高, 熱偵察儀器探測到的目標輻射能量越少。涂料底層摻入高反射微粒就可增加底層熱紅外的漫反射。同時良好的紅外反射性能也能降低發射率ε。例如在醇酸樹脂中加入硅酸粒子, 或在無機磷酸鹽粘合劑中加入粒子或片狀鋁粉都可有效降低涂料的發射率,提高涂層的漫反射能力,降低目標的發現概率。表1 中列舉了防紅外隱身涂料的典型配方[7 ] 。而灰塵和水則能大大提高涂層的吸收率, 所以只有涂層表面清潔、干燥才能保持低發射率。光譜轉換技術是采用在3~5μm 和8~14μm 波段發射率低、而在這兩個波段外發射率高的涂料,使被保護目標的紅外輻射落在大氣窗口以外。其根本目的是降低紅外探測器探測波段的發射率。具有共軛結構的有機聚合物熱紅外性能的研究與利用是目前光譜轉換類材料研究和利用的基礎。

4.2 熱抑制技術

4.2.1 靜止目標表面溫度的控制

對于靜止的高溫目標主要是采用各種具有吸熱、隔熱功能的纖維/ 織物來實現熱抑制,在需要隱身的目標表面上加一層隔熱層即隔熱材料(如絕緣帆布等) , 構成熱紅外隱身偽裝遮障。目前,應用最多的熱紅外隱身遮障是由多層結構構成的。其結構中間是纖維織物,上下都涂有一層紅外反射材料(如金屬鋁、鋅等) ,外層涂有可見光吸收材料的半透明聚烯膜。這種隱身遮障對靜止物體隱身效果較好。隔熱材料用來阻隔裝備發出的熱量使之難以外傳,從而降低裝備的紅外輻射強度,有微孔結構材料和多層結構材料兩類。隔熱材料可由泡沫塑料、粉末、鍍金屬塑料薄膜等組成。薄膜塑料能儲存熱量,鍍金屬塑料薄膜能有效反射目標發出的紅外輻射。隔熱材料的表面還可涂覆各種涂料以達到其他波段的隱身效果。

偽裝網和隔熱毯是近些年來國內外發展較快的熱紅外隱身偽裝器材,它是以織物為基材,在滿足其它功能的條件下,在接近目標表面采用鍍有電介質(如C、Al) 的布或網,制成多層的材料。底層的導電布或網能反射目標表面的散熱,起到比較好的熱紅外隱身效果。如瑞典的“巴拉居達”偽裝網就是這種結構的典型代表。而且由于其厚度相對較薄、重量輕、可折疊、性能穩定、價格相對便宜、使用方便等諸多優點,對地面各種武器裝備、車輛、物資、人員的遮擋相當方便有效。將低發射率的絲、帶物以簇狀形式附著在常規偽裝網上,通過簇狀飾物在偽裝目標周圍產生氣流而有效地散熱,以達到降溫和抑制目標紅外信號的目的。該飾物可以拆卸、更換,以便于其顏色以及其它性質隨目標所處背景的變化而變化。由這些防護材料遮擋的目標用熱紅外成像系統在規定距離內,或在一定高度的高空用機載熱紅外掃描成像系統偵察時,隱身面在熱像圖上呈現迷彩分割,隱身面與背景圖像融合良好,發

現概率不大于50 %。

4.2.2 移動目標表面溫度的控制

熱紅外隱身偽裝遮障對靜止目標具有較好的隱身偽裝效果,但是對于移動目標,這種偽裝遮障材料就顯得比較厚,而且不易固定在像坦克等車輛上,它們不太適合于移動目標。對于

移動目標表面溫度的控制只能采用不影響其機動性能的方式來控制,即涂覆型熱紅外隱身材料。

近年來相變材料在熱隱身方面的應用備受矚目,其隱身偽裝方式是利用其在相變溫度發生相變時伴隨有大量的吸熱和放熱效應而溫度保持不變的特性來實現隱身偽裝的目的。當前相變材料的使用方式是將內裝有相變材料的膠囊埋置在泡沫狀物質中、分散在織物中或是與膠粘劑混合后用在軍事目標上,通過吸收目標放出的熱量,降低其熱紅外輻射強度[13 ] 。其埋置在泡沫狀物質中、分散在織物中可作為靜止目標的熱紅外隱身偽裝材料使用。而對于移動目標則只能與膠粘劑混合后涂覆在目標的表面。為某一具體用途設計紅外吸收涂層時,應考慮到相變材料的種類及用量、被偽裝目標的溫度、目標所處環境的溫度、通風量、所需偽裝的時間等許多因素。選擇符合溫度變化需要的相變材料,并按需用量加入這種相變材料膠囊,由此制成的紅外吸收涂層的有效溫度范圍可以滿足某一特定環境。例如,烷烴族同系物的熔點與其碳原子的數目有直接關系,隨著碳原子數的增加,各烷烴化合物的熔點逐漸升高,其物相也發生變化。將其獨立封裝成膠囊,每種同系物在接近其各自熔點時吸熱最有效。費逸偉等將中空微珠添加到熱紅外隱身偽裝涂料進行研究,發現中空微珠是一種性能優良的熱紅外偽裝涂料用填料,它不會影響涂料的常規使用性能,不會增加涂料的表面發射率,具有明顯的消光作用,而且降溫效果顯著,添加了中空微珠的灰色涂層比單純的灰色涂層溫度降低約9~11 ℃。

為降低目標表面的溫度變化范圍,采用大熱慣量材料是人們首選的辦法。主要利用材料的熱容量較大、熱導率較低,使目標的溫度特征不易暴露,利用這種材料較易模擬背景的光譜反射特性,達到偽裝效果。但是對于有源熱源而言,隨著其不停工作產生的熱量不易散發,在這種遮障條件下,目標容易積累熱量超出設備工作溫區而不能正常運行。熱電材料是一種將“熱”和“電”直接轉換的功能材料。其工作原理是固體在不同溫度下具有不同的電子(或空穴) 激發特征,當熱電材料兩端存在溫差時,材料兩端電子或空穴激發數量的差異將形成電勢差(電壓) 。高的熱電轉換效率要求熱電材料具有高的電導率和低的熱導率。高的電導率使得材料的表面發射率比較低,低的熱導率則使得目標的溫度特征不易暴露,同時其“熱”和“電”的直接轉換功能,能將目標發散的熱量轉換為電能而減緩熱量的積累,還能為設備提供一定的電能。用熱電材料制造的熱電轉換裝置具有:無運動部件、無污染、無噪聲、無磨損、免維護、對形狀大小和使用條件的限制小、適用面廣等突出優點。由此可見其作為熱紅外隱身偽裝材料具有極大的應用前景。

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