人体热红外隐身技术

摘要:通过人体红外辐射特征的理论分析,结合热像仪探测原理及热红外隐身机理,探讨了实现人体热红外隐身的技术途径。研究表明,人体红外隐身应主要控制8~14 μm 波段的红外辐射能量,降低服用柔性材料红外发射率及应用温控纤维/织物柔性材料,是实现人体热红外隐身的重要技术途径。本文通过阅读大量文献,从理论分析与实践的角度分析了热红外隐身的原理及实现的途径,以及现价段的研究状况。最后描述了今后热红外隐身的发展方向。

关键词:人体;热红外;隐身技术;相变材料; 伪装网; 涂层;

1 引言

热红外隐身技术是指对目标 3~5 μm 及8~14 μm 红外波段特征信号进行伪装、减缩和控制,以降低中远红外侦察装备对目标的探测和识别能力[1~3]。提高单兵行动的隐蔽性和突防性,是现代高技术战争呈现的一大特点,随着先进的侦察探测技术如热像仪的出现,单兵的生存力和战斗力受到严重威胁,热成像技术在军事领域的快速渗透,使各种军事目标的生存也受到严重威胁,为此,以降低和消弱敌方热红外探测设备效能为目的的热红外伪装技术受到各国军方的广泛关注。热红外隐身服的研究方向目前主要有(1)冷却目标;(2)改变目标的辐射性能;(3)采取条状覆盖层“混杂”辐射法;(4)应用防红外涂层。国外开展对人体热红外隐身的研究起始于上世纪 90 年代初,美国1994 年开始实施“单兵热成像防护”的专门计划,发展能迷惑热探测器的隐身作战服,目前其研究水平处于领先地位。目前国外可见光/近红外迷彩服用材料研究及应用技术较为成熟,因此热红外隐身服已发展成为单兵隐身的研究重点。美、英、法、德、俄等国,在其各自的21 世纪单兵综合作战系统计划中,均将单兵热红外隐身技术列为研究重点,并已陆续试装具有防热红外侦察仪器探测性能的隐身服用材料,国内在该方面的研究则刚刚起步。

本文在查阅大量文献的基础上, 通过人体热红外隐身原理及热像仪探测机理的分析,结合部分探索性试验,探讨适宜的人体热红外隐身技术途径。并针对目前热红外伪装技术的不足以及今后的发展方向,介绍三种新机理型热红外伪装体系。

2 人体红外辐射特征分析

人体自身是一个红外辐射源。皮肤的红外发射率很高,接近黑体,并且与种族、肤色和个性无关,如表1所示。人体裸露皮肤温度通常为32℃~33℃。若将人体看作黑体,并假设其红外辐射面积0.6m2,可通过斯蒂芬-玻尔兹曼定律、维恩定律等红外辐射理论计算出有关人体红外辐射特征数据,如表2 所示。

表1 人体的红外辐射特征

波段范围/μm   <5  5~9  9~16  >16

在总辐射能量中的分量/%  1  20  38  41

表2 人体红外外辐射特征值

人体总辐出度

490.66W⋅m-2

光谱辐出度峰值

33.96W⋅m-2⋅μm-1

平均辐射强度

93.76W⋅sr-1

峰值波长

9.5 μm

3~5 μm 波段的辐出度

6.87W⋅m-2,占总能量的1.4%

8~14 μm 波段的辐出度

184.49W⋅m-2,占总能量的37.6%

表观温差是热像仪探测和识别目标的主要依据[9]。夏季环境下,某些目标与背景的温差值如表3 所示。

表3 典型目标夏季野外平均温差值

目标  ΔT/℃  面积/(m×m)

坦克/侧面 5.25  2.7×5.25
坦克/正面 6.34  2.7×3.45
2.5 t 车/侧面 10.40  2.03×4.22
2.5 t 车/正面 8.25  2.03×1.67
自行炮/侧面  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,人体与环境的温差值较大,仅次于2.5 t 的车体,与其他目标相比,人体在背景下呈现显著的热源特征。

根据斯蒂芬2玻耳兹曼定律以及发射率的定义,对于发射率为ε的物体在单位时间内单位表面积上向半球空间辐射出的总能量为:

E =εσT 4 =ε(λ,T)  (1) 

其中: T 为物体的表面绝对温度

ε物体的比辐射率

σ斯蒂芬-波尔兹曼常数,即为黑体辐射常数

c1为普朗克第一辐射常数

c2为普朗克第二辐射常数

λ辐射波长

T1黑体绝对温度

为了减少目标的辐射能量使其与背景的辐射能量相近,达到隐身伪装的效果,需要改变目标的发射率ε和温度T ,使其与背景的发射率和温度相近是显而易见的措施。这两个因素对辐射度效果的影响是不同的。在较高温度情况下,温度将是影响目标辐射度的主要因素;在较低温(与环境温度接近) 情况下,发射率将是影响目标辐射度的主要因素。同时,由于背景的复杂性,单一降低目标的发射率并不能提供有效的热红外隐身,而只有使目标各个部位的发射率不同,让目标热像图形分割,消除目标热像的典型轮廓,才能降低热像仪的识别能力,取得良好的热红外隐身效果。

物体辐射红外能量不仅取决于物体的温度,还决定于物体的比辐射率。温度相同的物体,由于比辐射率的不同,而在红外探测器上显示出不同的红外图像。对于灰体,比辐射率不随温度和波长变化,而对非灰体比辐射率式波长和温度的函数,若一般军事目标的辐射强于背景,可采用低比辐射率的涂料来降低目标的红外辐射能量。另一方面,为降低表面的温度,热红外伪装涂层在可见光和近红外还具有较低的太阳能吸收率和一定的隔热能力,以使目标的表面温度尽可能接近背景温度,从而降低目标和背景的辐射对比度,减少目标的被探测概率。

采用 IR-913A 型热像仪,对人体白天和夜间的红外辐射特征进行探测,相关数据处理见表4。

表4 人体热像图中人体与背景的表观温度数据

时间

区域Z[1]  区域Z[2] 平均温差

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

白天12 点 8  -4.1  1.6  4.3  -5.8  -2.4  4

夜间12 点 -24.4  -48.4  -39.2  -53.9  -66.9  -61.5 22.3

试验结果表明,中午12 时人体上身的热像表观温度比背景草地高4℃左右,午夜0 时比背景草地温差高22.3℃,呈现出人体在昼夜不同时间下,与背景的红外辐射特征差异较大的现象。通过上述人体的红外辐射特征分析及热像仪测试,可以认为单兵隐蔽性的主要威胁源于8~14 μm 波段的热红外探测,因此采取措施控制该波段内的红外辐射能量,是提高人体热红外隐身性能的关键所在。

3 人体热红外隐身技术途径理论分析

热像仪探测时接收的能量为W=W1+W2,其中W1 为目标自身的红外辐射能量,W2 为目标对周围环境的反射能量,即W2=(1-ε)W 环境。W1 由斯蒂芬-玻尔兹曼定律决定,即W1=εσT4,(式中σ为玻耳兹曼常数,ε为物体的红外发射率,T为物体的绝对温度)。

人体的红外辐射能量通常高于对环境背景的反射能量,通过降低红外发射率即降低W1 大于升高W2 对热红外隐身的贡献,所以降低红外发射率有利于降低热像仪接收能量。目标表面的温度与周围环境的空气状态,除与目标内部散失的热量有关外,还与其太阳光吸收系数有关。96%的太阳能可通过0.2~2.5 μm 波长范围传输,能量分布情况为:5%紫外光区域,45%可见光区域,50%近红外区域。如果材料表面对太阳能的吸收系数较高,则材料表面温升较快,与背景温差加大,不利于热红外隐身。

上述分析表明,人体热红外隐身对隐身材料的技术要求为:(1)服用材料表面应具有较低的红外发射率;(2)服用材料应具有吸热或隔热效果;(3)降低服用材料表面的太阳吸收系数;(4)在可见光、近红外波段(0.4~1.5 μm)的光谱反射特性应与自然背景匹配。低红外发射率表面和热阻隔均可实现目标红外迷彩效果;降低太阳光吸收系数,则能够降低目标与背景的温差,有利于红外隐身。

4 理论分析下热红外隐身的可行技术途径

目前可实现单兵热红外隐身的技术途径有3 种方式:1)改变人体热红外辐射特性,即降低红外发射率;2)降低人体红外辐射强度技术,即热抑制技术;3)光谱转换技术,将辐射能量以8~14 μm 以外的波段辐射散除。

4.1 降低红外发射率

4.1.1 目标发射率的影响因素

目标与背景的红外辐射特征是目标与背景相互作用、相互影响的结果。目标的背景,特别是移动目标的背景是相当复杂并在不停变化的。目标的红外隐身伪装的一个方面就是调节目

标的发射率使目标的红外特征与环境的红外特征相适应。影响目标发射率的因素有目标的材料种类、温度、热过程以及环境条件等。作为移动目标坦克,热过程和环境条件是复杂难以改变的[2 ,6 ,7 ,10 ] ,故调节发射率主要是改变目标表面材料的种类和温度。绝大多数非金属材料发射率值都较高,当温度低于77 ℃时,一般大于0. 8 。当低于熔融温度时在0. 3~0. 8 之间,绝大多数金属的发射率都很低。而植物叶子、人的皮肤、各种皮毛,在环境温度下都有很高的发射率,甚至可看作接近黑体的辐射表面。温度对发射率的影响在不同材料、不同波长及温度范围内影响不一样,绝大多数非金属的发射率随温度的升高而减小,绝大多数金属发射率近似地随其绝对温度成正比增加。

4.1.2目标发射率的调节方式

对于一般目标,由于其对太阳能的吸收和本身的发热使其表面温度比环境温度高,根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律,降低目标发现概率主要采用的手段之一就是降低目标表面的发射率ε。当前降低目标表面发射率ε的主要方式是采用热红外隐身伪装涂料。实现热红外隐身涂料的方法是采用低发射率粘合剂,添加各种颜料或填料制成涂料,在涂料底层掺入高反射微粒也能起到一定的发射率调节作用。

(1) 粘合剂的选择

粘合剂是影响热红外涂料隐身性能的主要因素,很多研究者认为,涂料在红外波段的吸热能力至少有60 %取决于粘合剂。因此,热红外隐身涂料粘合剂除应满足物理机械性能、施工性能等一般要求外,还应有对热辐射低吸收或高透明度的性能。目前看来,符合此要求的是红外透明性良好的有机粘合剂和无机粘合剂。红外透明聚合物既有较低的红外吸收率,又有较好的物理机械性能,是较理想的热隐身涂料粘合剂。

可供热隐身涂料选用的聚合物范围较广,如烯烃类:聚乙烯、聚乙烯与乙烯乙酸酯的共聚物、聚乙烯与乙烯醇缩醛的共聚物、聚乙烯与聚四氟乙烯的共聚物、聚乙烯与聚苯乙烯的共聚物;橡胶类:环状橡胶、丁基橡胶、硅橡胶;其他有醇酸树脂、硅醇酸树脂、聚氨酯。实际上,高聚物的热性能是很复杂的,上述物质热性能相差极大。

热性能较好,作为热隐身涂料粘合剂报道的有Kraton 树脂、氯化聚苯乙烯、丁基橡胶。热红外性能较差(ε≥0. 8) ,实际上并不适合作热隐身涂料粘合剂的有醇酸树脂、硅醇酸树脂、聚氨酯、硅橡胶、聚苯乙烯。此外,聚乙烯热吸收率虽低,但工艺性能很差,亦不适合作涂料的粘合剂。与有机粘合剂相比,无机粘合剂红外性能比较简单,红外吸收率也较低,但物理机械性能和施工性能较差。Kalvert 等在比较了醇酸树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、松脂、无机硅酸盐、无机磷酸盐等多种粘合剂的热红外性能后,认为最理想的是无机磷酸盐粘合剂。Kalvert 等研制了ε值较低的热隐身涂料,其质量分数组成分别为:磷酸24. 2 %、氧化镁4. 3 %、铬酸4. 7 %、乙醇1. 7 %、水65. 1 %。尽管磷酸盐和铬酸盐离子在热红外波段强烈吸收,但它们的混合物在高温下烧结形成一种玻璃质材料,其漫反射率高达60 % ,这样也就相当于降低了涂层在红外探测器方向上的ε值。

(2) 颜料(或填料) 的影响

颜料(或填料) 是影响涂料红外隐身性能的基本因素之一,选用时要符合以下要求: ①在红外波段有较低的发射率或较高的透射率(对着色颜料而言) ,其红外吸收峰不能在大气窗口内;②能与雷达、可见光和近红外等波段的隐身要求兼容。实际上,要找到完全满足以上要求的颜料是有很大困难的。目前用于热隐身涂料配方中的颜料大致分为3 种:金属颜料、着色颜料和半导体颜料。

有较高反射率的金属是热隐身涂料最常用和最重要的颜料种类。可用的有Al 、Zn、Sn、Au、青铜等,实际选用集中于性能优良、价廉易得的Al 。Tschulena 研究了金属颜料粒子尺寸对ε的影响后认为,粒子的直径应在0. 1~100μm 范围内。形状不同,粒子的尺寸范围也不同,鳞片状粒子的直径1~100μm ,最佳厚度0. 1~10μm;小棒状粒子的直径0. 1~10μm ,最佳长度1~100μm;球状粒子的平均直径在0. 1~100μm。对于前两者,直径/ 厚度(或长度) 比越大,降低ε的效果越明显。澳大利亚国防部材料实验室最先做过比较,在涂料配方中,将铝箔片的直径由12μm 增至70μm ,其余参数条件不变,结果ε值明显降低。热红外隐身涂料选用着色颜料主要是为了满足与可见光隐身兼容的要求。大多数着色染料不具备降低ε的作用,仅能要求其不损害涂料的热隐身性能。因此,着色颜料的筛选一直是隐身涂料研究工作的难点之一。

金属氧化物颜料具有较高的红外透明度,对涂料隐身性能不会有影响。而有机颜料由于有复杂的C2N2O 结构,在红外波段有强度吸收,不适宜作为隐身涂料的颜料。无机盐类颜料也有类似的缺陷。但Areson 则认为硫化物颜料更适于作热隐身涂料的颜料。他比较了硫化镉、氧化铁、铬绿和铬黄等4 种着色颜料的计算机模拟光谱后,认为硫化镉的红外透明性最好,吸收峰在红外大气窗口之外,在军用绿色涂层中能产生额外的散射,从而能降低涂层的ε值,有希望用于新一代热隐身涂料。氧化铁稍优于铬绿,铬黄则最差,即使它在涂料中的体积含量小于1 % ,也会使涂层的ε猛增。金属颜料虽然有良好的红外反射性能,但不利于雷达隐身和可见光隐身伪装,而着色颜料一般难以调低涂料的ε值。

研制兼容性能良好的宽波段隐身涂料一直是研究者奋斗的方向。近年来出现的掺杂半导体颜料系统的研究使这种努力的结果已露端倪。掺杂半导体由金属氧化物(主体) 和掺杂剂(载流子给予体) 两种基本成分构成。理论证明,掺杂半导体的ε值由材料的载流子密度n、载流子迁移率ν和载流子碰撞频率ωt 控制,而n、v 和ωt 可以通过控制掺杂条件加以调整。适当选择n、v 和ωt 等参数,可以使掺杂半导体在红外波段有较低的ε值,而在微波和毫米波段具有较高的吸收率,从而形成红外、雷达一体化材料。掺杂半导体在涂料体系中作为非着色颜料所占的质量分数可为10 %~90 % ,粒子形状通常为细杆状、细片状和扁平状;尺寸为5~100μm ,最常见的掺杂半导体材料是SnO2 和In2O3

(3) 涂料底层掺入高反射微粒

热侦察探测到的目标热辐射包括经过目标反射的环境热量。显然, 目标表面漫反射的能量分量越高, 热侦察仪器探测到的目标辐射能量越少。涂料底层掺入高反射微粒就可增加底层热红外的漫反射。同时良好的红外反射性能也能降低发射率ε。例如在醇酸树脂中加入硅酸粒子, 或在无机磷酸盐粘合剂中加入粒子或片状铝粉都可有效降低涂料的发射率,提高涂层的漫反射能力,降低目标的发现概率。表1 中列举了防红外隐身涂料的典型配方[7 ] 。而灰尘和水则能大大提高涂层的吸收率, 所以只有涂层表面清洁、干燥才能保持低发射率。光谱转换技术是采用在3~5μm 和8~14μm 波段发射率低、而在这两个波段外发射率高的涂料,使被保护目标的红外辐射落在大气窗口以外。其根本目的是降低红外探测器探测波段的发射率。具有共轭结构的有机聚合物热红外性能的研究与利用是目前光谱转换类材料研究和利用的基础。

4.2 热抑制技术

4.2.1 静止目标表面温度的控制

对于静止的高温目标主要是采用各种具有吸热、隔热功能的纤维/ 织物来实现热抑制,在需要隐身的目标表面上加一层隔热层即隔热材料(如绝缘帆布等) , 构成热红外隐身伪装遮障。目前,应用最多的热红外隐身遮障是由多层结构构成的。其结构中间是纤维织物,上下都涂有一层红外反射材料(如金属铝、锌等) ,外层涂有可见光吸收材料的半透明聚烯膜。这种隐身遮障对静止物体隐身效果较好。隔热材料用来阻隔装备发出的热量使之难以外传,从而降低装备的红外辐射强度,有微孔结构材料和多层结构材料两类。隔热材料可由泡沫塑料、粉末、镀金属塑料薄膜等组成。薄膜塑料能储存热量,镀金属塑料薄膜能有效反射目标发出的红外辐射。隔热材料的表面还可涂覆各种涂料以达到其他波段的隐身效果。

伪装网和隔热毯是近些年来国内外发展较快的热红外隐身伪装器材,它是以织物为基材,在满足其它功能的条件下,在接近目标表面采用镀有电介质(如C、Al) 的布或网,制成多层的材料。底层的导电布或网能反射目标表面的散热,起到比较好的热红外隐身效果。如瑞典的“巴拉居达”伪装网就是这种结构的典型代表。而且由于其厚度相对较薄、重量轻、可折叠、性能稳定、价格相对便宜、使用方便等诸多优点,对地面各种武器装备、车辆、物资、人员的遮挡相当方便有效。将低发射率的丝、带物以簇状形式附着在常规伪装网上,通过簇状饰物在伪装目标周围产生气流而有效地散热,以达到降温和抑制目标红外信号的目的。该饰物可以拆卸、更换,以便于其颜色以及其它性质随目标所处背景的变化而变化。由这些防护材料遮挡的目标用热红外成像系统在规定距离内,或在一定高度的高空用机载热红外扫描成像系统侦察时,隐身面在热像图上呈现迷彩分割,隐身面与背景图像融合良好,发

现概率不大于50 %。

4.2.2 移动目标表面温度的控制

热红外隐身伪装遮障对静止目标具有较好的隐身伪装效果,但是对于移动目标,这种伪装遮障材料就显得比较厚,而且不易固定在像坦克等车辆上,它们不太适合于移动目标。对于

移动目标表面温度的控制只能采用不影响其机动性能的方式来控制,即涂覆型热红外隐身材料。

近年来相变材料在热隐身方面的应用备受瞩目,其隐身伪装方式是利用其在相变温度发生相变时伴随有大量的吸热和放热效应而温度保持不变的特性来实现隐身伪装的目的。当前相变材料的使用方式是将内装有相变材料的胶囊埋置在泡沫状物质中、分散在织物中或是与胶粘剂混合后用在军事目标上,通过吸收目标放出的热量,降低其热红外辐射强度[13 ] 。其埋置在泡沫状物质中、分散在织物中可作为静止目标的热红外隐身伪装材料使用。而对于移动目标则只能与胶粘剂混合后涂覆在目标的表面。为某一具体用途设计红外吸收涂层时,应考虑到相变材料的种类及用量、被伪装目标的温度、目标所处环境的温度、通风量、所需伪装的时间等许多因素。选择符合温度变化需要的相变材料,并按需用量加入这种相变材料胶囊,由此制成的红外吸收涂层的有效温度范围可以满足某一特定环境。例如,烷烃族同系物的熔点与其碳原子的数目有直接关系,随着碳原子数的增加,各烷烃化合物的熔点逐渐升高,其物相也发生变化。将其独立封装成胶囊,每种同系物在接近其各自熔点时吸热最有效。费逸伟等将中空微珠添加到热红外隐身伪装涂料进行研究,发现中空微珠是一种性能优良的热红外伪装涂料用填料,它不会影响涂料的常规使用性能,不会增加涂料的表面发射率,具有明显的消光作用,而且降温效果显著,添加了中空微珠的灰色涂层比单纯的灰色涂层温度降低约9~11 ℃。

为降低目标表面的温度变化范围,采用大热惯量材料是人们首选的办法。主要利用材料的热容量较大、热导率较低,使目标的温度特征不易暴露,利用这种材料较易模拟背景的光谱反射特性,达到伪装效果。但是对于有源热源而言,随着其不停工作产生的热量不易散发,在这种遮障条件下,目标容易积累热量超出设备工作温区而不能正常运行。热电材料是一种将“热”和“电”直接转换的功能材料。其工作原理是固体在不同温度下具有不同的电子(或空穴) 激发特征,当热电材料两端存在温差时,材料两端电子或空穴激发数量的差异将形成电势差(电压) 。高的热电转换效率要求热电材料具有高的电导率和低的热导率。高的电导率使得材料的表面发射率比较低,低的热导率则使得目标的温度特征不易暴露,同时其“热”和“电”的直接转换功能,能将目标发散的热量转换为电能而减缓热量的积累,还能为设备提供一定的电能。用热电材料制造的热电转换装置具有:无运动部件、无污染、无噪声、无磨损、免维护、对形状大小和使用条件的限制小、适用面广等突出优点。由此可见其作为热红外隐身伪装材料具有极大的应用前景。

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