红外伪装技术研究进展

胡 杰,路 远,候典心,杨 星

(1.国防科技大学电子对抗学院,安徽 合肥 230037；2.脉冲功率激光技术国家重点实验室,安徽 合肥 230037)

1 引 言

随着科学技术水平的不断提升,各种探测设备迅速发展。迄今,红外探测技术主要对陆地、海洋和天空等背景下的军事目标进行探测、侦察和跟踪。红外探测技术是对目标自身的红外辐射进行探测,目标只要高于绝对零度就会向外发射红外辐射,无法做到完全的消除。面对红外探测设备对军事目标生存能力的严重威胁,尤其是对武器装备的保护也更加迫切,作为对抗红外探测的红外伪装技术成为了科学研究的重点对象。

由Stefan-Boltzmann定律可知,影响目标红外辐射能量的主要参数有两个,即目标表面的发射率和目标表面的温度。红外伪装技术通过对这两个参数进行调整控制,对目标的结构材料进行设计,以减弱目标的红外辐射特性,从而实现目标与背景的红外辐射相融合,最终达到降低目标被红外探测系统识别的概率和被红外制导武器命中的概率,以提高武器装备自身的生存能力[1]。

2 天空背景的红外伪装技术

天空背景中的红外伪装技术研究对象主要是飞机和导弹等。在白天,天空背景的红外辐射主要是散射太阳光和大气热辐射的组合；在夜间,因为不存在散射的太阳光,天空的红外辐射主要为大气的热辐射。

2.1 飞行器红外辐射源

在飞行状态下,飞行器的红外辐射源主要包括外部蒙皮的近似为灰体连续谱的热辐射和金属尾喷管,以及有选择性的带状谱的尾焰气体辐射。尾喷管是被排除气体加热而形成的圆柱形腔体,可视为一个发射率为0.9的灰体；尾焰主要是二氧化碳和水蒸气,在大气中传输时,容易被吸收,但是由于温度过高,仍然表现出红外辐射特征,尾喷管和尾焰的红外辐射能量主要分布在中红外3～5 μm波段内。其中飞行器外部蒙皮的红外辐射能量主要集中在大气窗口的远红外8～14 μm波段内,分布于飞行器的前向和侧向,飞行器的蒙皮温度Ts[2]为:

(1)

其中,Ts为飞行器的蒙皮温度；T0为周围的大气温度；k为恢复系数,其取值取决于气流的流场,层流取0.82,紊流取0.87；γ为空气的定压热容量和定容热容量之比,常取1.3;Ma2为飞行马赫数。

由于飞行器无法避免这些红外辐射的产生,这部分的红外辐射能量的总和将是飞行器成为一个能量很大的发射体。对于大多数的飞行器,在中红外3～5 μm波段内其红外辐射强度在1500～20000 W/sr量级,并且随着发动机的工作状态和观察角度而变化；在远红外8～14 μm波段内其红外辐射强度在1000～3000 W/sr量级,并且随着飞行器的马赫数和观测角度而变化[2]。而且由于天空背景的红外辐射能量极低,飞行器的红外辐射特征十分明显,因此如何尽可能地屏蔽飞行器的红外辐射成为了主要的研究方向。

2.2 蒙皮红外辐射伪装

飞行器的蒙皮红外辐射的伪装技术目前发展较为成熟,主要通过抑制飞行器表面的气动加热、减小飞行器表面对外界辐射的吸收以及降低其表面的红外发射辐射。通过对飞行器的整体外形设计,优化其形状,从而减小飞行器与空气的摩擦,以达到抑制表面的气动加热所引起的蒙皮热辐射。飞行器表面的红外辐射可以通过在飞行器涂覆大热惯量的涂层来实现。相对成熟的是在表层涂料中添加石蜡等相变材料,利用相变材料的相变潜热特性将涂层表面温度控制在一定的范围之内。表1列举了几种典型的相变材料,可以看出,目前相变材料的控温能力基本能满足要求。

表1 典型的相变材料及其性能[3]

红外辐射的光谱转换技术,即光谱的选择性发射也有了一定的发展。通过改变飞行器蒙皮的红外辐射波段,使其处于红外探测器探测的波段之外。Zhang等人制备了一维选择性发射光子晶体并应用于红外伪装涂层中,图1为制备得到的光子晶体反射率[4]。Crunteanu等人研究了氧化钒薄膜在相变的前后过程,得到其红外辐射特性的变化,并提出了了其在红外伪装涂层应用中的可行性[5]。

图1 光子晶体的红外光谱反射率

2.3 尾喷管红外伪装措施

飞行器在飞行过程中需要通过燃烧燃料来提供动力,尾喷管被排出的气体加热,温度可达到500～600 ℃,甚至更高,使得其红外特征在天空背景中呈现明显的红外辐射源。通过对尾喷管进行遮挡来降低飞行器的红外辐射强度,常见的有S形弯曲喷管技术、二元喷管技术和下遮挡技术。例如美军的B-2飞机采用S形弯曲喷管技术,F22战斗机也采用了二元喷管的红外伪装技术,使得其尾喷管的红外辐射得到很大程度的降低,红外伪装效果十分显著。

尾喷管的冷却技术,即通过对尾喷管内高温器件中心锥、支板采用气膜冷却措施,将利用外涵道的低温气流来冷却尾喷管,使得高温器件可以有效地降温,可以使尾喷管的红外辐射强度降低约30%,从而有效地抑制排气系统对尾喷管的红外辐射。对于尾喷管腔体,也可以通过在排气系统的涡轮叶片、中心锥、支板等高温器件上涂覆或镀制低红外发射率材料,以降低其红外辐射强度[6]。

2.4 飞行器尾焰红外伪装技术

飞行器在飞行过程中一定会有发动机燃烧的高温尾焰排除,扩散在空气中,从理论上一定会被红外探测系统所发现。对尾焰红外辐射的伪装措施可以采用大宽高比二元非轴对称矢量喷管,常规的发动机采用的是轴对称的喷管,要实现红外伪装,可以采用大宽高比的非轴对称喷管,使尾焰和外部的空气快速地混合,喷出的尾焰高温区域的长度将会变短,从而使尾焰的红外辐射强度降低,达到红外伪装的效果[7]。采用典型的矩形非轴对称喷管,以宽高比2∶1的实验喷口为例,可使正尾部方向的红外辐射强度降低10%以上,其他方向上可降低20%～60%的红外辐射强度[8]。通过在飞行器的燃料中添加掺杂有金属或金属化合物粒子的发泡高分子材料，如环氧树脂等,经高温燃烧后在空气中冷却可形成悬浮泡沫颗粒,在尾喷流周围形成红外屏蔽云,可有效遮蔽尾焰的红外辐射特性。通过在尾喷管末端安装引射装置,采用引射外界冷空气技术,使高温气体与引射的大气低温气体进入混合室,经过两者的混合均衡之后排除,可以使原来的高温气体温度大幅降低,从而达到降低飞行器尾焰的红外辐射强度。宗靖国等人通过对尾焰的红外辐射特性研究,采用多种方式进行伪装可使得尾焰的辐射强度衰减94.2%,实验结果如图2和图3所示[7]。

图2 未采用伪装措施

图3 采用上述所有伪装措施

3 海洋背景的红外伪装技术

对于在海面上目标,其背景的红外辐射特征主要取决于海水的温度。从不同的探测角度探测目标时,目标所处的背景也会变化,从空中对其进行探测时,目标的环境背景应为单一的海洋背景；在海面上以中等距离探测时,目标的环境背景不仅仅是海洋而且要考虑到海平面上的天空；在海平面上较远距离探测时,此时目标的环境背景将成为海平面上方的天空背景。在海面作战的主要是各种大型的军事舰船,其发动机功率很大、舰船的总体表面积大,从而导致目标表现出较强红外辐射特征,很难将舰船的红外特征与背景较好地融合。在近十几年,国外对于舰船的红外特征研究已经有了相应的报道,而且实际的红外伪装技术也成功地应用在军事舰船上[9],国内对于目标的红外辐射特征研究已卓有成效,但是红外伪装技术仍处于实验研究阶段,未能实际应用于军事舰船上。

3.1 舰船红外辐射源

海面舰船和飞行器类似,都需要燃料燃烧来提供动力,所以舰船的红外辐射源有两个部分。一类是发动机管道和燃料燃烧的尾气及其排气设备,其中烟囱管道和排气烟羽的温度可达到400～500 ℃[10],是舰船红外辐射源最强的部位。另一类是舰船表面对周围环境吸收反射产生的。舰船的两类红外辐射特征中,虽然舰船主体表面的温度比发动机和其他高温设备温度要低,但是舰船主体巨大,发动机的热量和烟囱、尾气的红外辐射比例远小于舰船主体所产生的辐射,因此若舰船主体与背景环境存在一定的温差,将在红外探测器中呈现出很明显的特征信号,容易被敌方识别发现。

3.2 舰船内部发热设备红外伪装方法

对于舰船上发热较大的部分,可以采用引射散热技术。引入外界低温气体,将其与排出的高温尾气混合在一起,经冷却系统降温后通过烟囱管道时可使其温度降低250～300 K[10]。通过在烟囱内壁和排气管道采用热绝缘材料和玻璃钢排气烟囱来减小其红外特征信号。最典型的是法国海军的“拉斐特”级护卫舰,用玻璃钢代替原来的钢铁来制造舰船烟囱,并在烟囱表面涂覆低辐射的涂料,达到较好的隔热作用,与此同时发动机的排气口和排气管道也进行了隔热处理。美军的“阿利伯克”级导弹驱逐舰,在舰船的高温部位涂覆屏蔽和绝热材料,并利用引射冷空气与尾气混合来降低温度,达到红外伪装的目的。通过对舰船总体结构布局设置,将烟囱排气口放置在舰船尾部,尾气排放至水面以下,利用海水对烟囱和尾气进行降温处理。瑞典的“维斯比”级轻型护卫舰采用这种设计,使其尾气温度降低至100 ℃以下,红外探测系统的探测距离减小50%以上[11]。

3.3 舰船主体红外伪装技术

对于舰船主体可以采用与飞行器蒙皮相似的红外伪装技术,表面涂覆选择性的红外发射涂层,减弱舰船主体对周围环境热辐射的吸收,从而降低船体表面的温度。舰船的船体属于军事目标中常见的竖壁结构,表面积很大,温度高于背景温度,对外表现出明显的红外辐射特征。过冷液膜冷却技术通过在目标的表面布设大面积的过冷降膜,使层流液膜与竖壁表面产生热传导作用,使得其温度降低,并起到对目标表面遮蔽作用。通过合理的分布过冷降膜,可以使目标的红外辐射显著降低,达到红外伪装的效果。彭友顺等人通过对过冷降膜的研究,发现其对目标的红外伪装具有良好的效果,中红外波段最大可降低52.43%,远红外波段最大可降低26.85%[12]。采用屏蔽措施来改变舰船表面的红外辐射特征,可以使用红外烟幕。利用烟火等手段产生大量的气溶胶颗粒来形成烟幕,烟幕中的颗粒可以对防护目标的红外辐射进行吸收、反射和散射,从而躲避红外探测器的识别。还可以通过在舰船表面喷射海水,对舰船进行预润湿,不仅可以改变舰船表面的红外特征,而且可以产生一层薄雾使舰船主体融入到海洋和天空背景中。图4显示了Neele等人的研究数据[13],通过研究发现该方法可以有效地改变舰船表面的温度,达到较好的红外伪装效果。

图4 舰船表面温度变化

4 陆地背景的红外伪装技术

相比天空背景和海洋背景的单一性红外辐射,陆地背景的红外辐射特征是极其复杂的,常见的陆地背景有道路、沙漠、丛林、雪地、城市等,并且会随着季节性的变化而发生相应的改变,这使得地面目标的伪装十分困难,无法将目标与背景的红外辐射特征很好地融合在一起。陆地背景主要包括裸地背景和非裸地背景。

4.1 地面目标的红外辐射源

在战场上,地面目标主要为坦克、装甲车辆、机动式导弹车和其他各类车辆。随着军事科技的发展,各种红外制导武器和红外探测器的运用,使地面目标的安全受到严重的威胁。地面目标车辆的发动机和排气口温度最高,是其最大的红外辐射源。若不加处理,坦克的排气口温度将超过600 K,发动机的外壳温度可达到500～600 K,红外特征异常明显。而且对于坦克来说,其炮管也是一个重要的红外辐射源,炮管在射击时产生强烈的闪光和升温,某坦克射击后炮管的温度可达到673 K[14]。此外,由于车辆的轮胎和履带在行驶过程中,由于摩擦会产生大量的热,导致其温度较高,成为不可避免的辐射源。

4.2 裸地背景的红外伪装

道路、土壤、沙漠等是常见的裸地背景,其红外辐射特征比较单一,因此需要目标和背景的温度保持一致,最理想的伪装状态是目标与背景保持实时的统一。目前可应用电致变温材料和电致变发射率材料,在外加电场的作用下,可使其温度或发射率改变。由于电致变发射率的变化能力有限,一般采用电致变温材料,通过热电制冷器件和基于帕尔贴的半导体制冷/制热技术,已经研制了相应的红外伪装样机[15],但是系统性的设备还处于研发中。国外已经研制了相关的红外伪装系统,并搭载在装甲车进行了实验,由于技术的军事保密性,相关的技术手段没有报道。目前,对裸地背景的红外辐射性质研究已经比较成熟,相关的研究覆盖了道路、土壤和沙漠等典型的裸地背景。通过对裸地地表形态和其表面的辐射特性研究,得到了在不同形态地表下背景的红外辐射特性[16]。

4.3 非裸地背景的红外伪装技术

自然植被和建筑物是主要的非裸地背景,其中自然植被背景的红外伪装更具军事价值,最常见的是伪装涂层和伪装网。伪装涂层是利用特殊材料制备成与植被背景拥有相似的红外特性涂层,最成熟的应用是迷彩伪装。在可见光波段,各种类型的迷彩伪装技术已经较为成熟,数码迷彩以其优越的伪装效果成为世界各国研究的重要方向,但是在红外波段的数码迷彩研究仍处于初步发展阶段。伪装网是各类军事目标降低探测概率的重要手段,红外伪装网可将目标的红外辐射特征掩盖,或显示出与目标不同的红外特征,以迷惑敌方的侦察。通过研究典型植被叶片的辐射特性和内部结构,Ye等人制备出模拟植被叶片的仿生树状遮障,实验证明该遮障与植被具有相似的红外光谱特征,而且红外辐射温度也十分接近[17],起到很好的红外伪装效果。

5 结 语

随着现代化技术的快速发展,未来的红外伪装技术必然和更加先进的红外探测技术相对抗,而且对于不同环境背景的红外伪装也有所不同。近年来,红外探测技术逐渐向多光谱和高光谱发展,2016年Digitalglobe公司在发射的WorldView-3卫星上搭载了多光谱探测器,成功实现了近红外多波段的探测器在商业上的实用化[18]。Notesco研制了一种高光谱的红外探测器,在7.7～12.0 μm波段可探测11个波段,其光谱分辨率达到了0.1 μm[19]。由此可见,未来的红外伪装技术需要面对的是探测精度更高、探测波段更广的红外探测设备。针对探测器给武器装备带来的威胁,红外伪装技术需要向精细化方向发展以应对分辨率不断提高的红外探测设备。例如,在可见光波段广泛使用的数码迷彩技术,可以应用到红外波段以提高伪装设备的精度。另一方面,需要避免“木桶效应”,面对集成化的多波段探测技术手段,不仅仅只重视一个波段的伪装,需要兼容红外、可见光和雷达等多波段的伪装,发展多种材料的综合使用,将具有不同波段伪装效果的材料通过形成多层结构或复合的方式以实现多波段的兼容伪装。此外,目前对于新型材料的研究仍然处于探索阶段,通过研究新材料来实现多波段的伪装也是未来发展的重要方向。