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(shù)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(xué) 機(jī)場建筑工程系，陜西 西安 710038）

近紅外偽裝技術(shù)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(chǔ)上，研究了近紅外偽裝技術(shù)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(shù)未來的發(fā)展趨勢，如完善現(xiàn)有技術(shù)缺陷、開發(fā)多功能偽裝技術(shù)、提升偽裝效果評(píng)價(jià)能力以及追求偽裝效果與環(huán)境保護(hù)并重等。

近紅外；偽裝技術(shù)；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(shù)和精確制導(dǎo)武器在戰(zhàn)場上的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的可見光偽裝技術(shù)已不能滿足需求，大多數(shù)發(fā)達(dá)國家的軍隊(duì)均不同程度地裝備了各種紅外偵察器材，比如像增強(qiáng)器、弱光電視系統(tǒng)、星光鏡、武器瞄準(zhǔn)器以及各類夜視裝具[1]。近紅外探測儀器的運(yùn)用更是使軍事行動(dòng)不分白晝與黑夜，成為各國軍隊(duì)必不可少的偵察工具[2]。由于紅外偵察的威脅日益嚴(yán)重，防紅外偵察技術(shù)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(shù)研究的前列[3]。所以，很有必要考慮軍事行動(dòng)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(shù)和材料也就成為了各國軍事偽裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文在研究近紅外偽裝技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)近年來近紅外偽裝技術(shù)和材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對(duì)其未來發(fā)展趨勢進(jìn)行思考與展望。

1 近紅外偽裝技術(shù)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(yuǎn)紅外波段，14～1000mm則為極遠(yuǎn)紅外波段。由于空氣中存有極性分子（水、氧氣、二氧化碳），會(huì)吸收極遠(yuǎn)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(gè)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(diǎn)，但其在大氣中的穿透力要更強(qiáng)，即使在夜間、薄霧等不利狀況下，也可以進(jìn)行偵察監(jiān)測[5]。由于紅外線沒有顏色之分，目標(biāo)被偵察到多是因?yàn)槠淞炼扰c背景不同[3]，所以對(duì)于近紅外偽裝，就應(yīng)當(dāng)保持目標(biāo)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(shí)，近紅外偽裝往往需兼顧可見光，因此對(duì)于目標(biāo)與背景的顏色也要保持一致。如此即達(dá)到了“同色同譜”的要求，可有效提高目標(biāo)隱蔽性，降低其可探測性[6]。

對(duì)偽裝時(shí)目標(biāo)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(shè)目標(biāo)和背景亮度對(duì)比為，二者的亮度系數(shù)差為D，背景的亮度系數(shù)（對(duì)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(dāng)D達(dá)到人類可察覺的最小亮度差別時(shí)，＝，也就是在某一亮度背景下的亮度容限。通過實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)＜0.02時(shí)目標(biāo)無法被發(fā)現(xiàn)，所以值也應(yīng)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(gè)NBS單位。這就要求在進(jìn)行近紅外可見光偽裝時(shí)，偽裝色的色差也符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

由于時(shí)間、空間、觀察或照射角度不同，背景的亮度甚至顏色都會(huì)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(biāo)所處背景為綠色植被，如用偽裝涂料來實(shí)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(yīng)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(yīng)當(dāng)分別具有當(dāng)?shù)乇M可能多的植物光譜反射曲線并進(jìn)行擬合，得到該地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)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(huì)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(duì)草綠色偽裝涂料光譜反射曲線的偏差范圍作出規(guī)定，調(diào)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(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1 近紅外偽裝的主要方式

實(shí)施近紅外偽裝多是對(duì)目標(biāo)的紅外輻射特性進(jìn)行改進(jìn)使其難以被發(fā)現(xiàn)，而這種特性則與目標(biāo)表面溫度及材料息息相關(guān)[10]。根據(jù)偽裝目標(biāo)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(duì)于固定目標(biāo)或機(jī)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(duì)于作訓(xùn)服一類的織物，往往是以染料染色的方式達(dá)到近紅外偽裝的目的[12]。涂料一般是噴涂在目標(biāo)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(yīng)助劑，再采用特定的有機(jī)溶劑調(diào)配。染料的主要成分是有機(jī)化合物，可以把纖維等基質(zhì)染成特定的顏色，以此對(duì)織物進(jìn)行染色和印花，其通?？扇苡谒贁?shù)不溶于水的染料在相應(yīng)的化學(xué)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(yīng)用最為廣泛的近紅外偽裝技術(shù)之一，涂料有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，主要是操作相對(duì)簡單，可在較短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)目標(biāo)的偽裝，且使用方式靈活多變，適應(yīng)于各種形狀的目標(biāo)，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(jì)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(duì)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(biāo)可見性下降30%，但此涂料仍以防可見光偵查為主，對(duì)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(jì)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(shí)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(zhì)，這些成膜物質(zhì)以某種或某幾種新型樹脂為原料，使涂料的各項(xiàng)性能得以提高。

海軍后勤技術(shù)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(shí)驗(yàn)對(duì)其機(jī)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(jìn)行檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)的耐候性和耐光性，實(shí)驗(yàn)中通過加入多異氰酸酯構(gòu)成雙組份原料，使其耐化學(xué)試劑和耐溫性得到提高。然而，丙烯酸樹脂對(duì)顏料的濕潤分散性較差，易產(chǎn)生浮色發(fā)花現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步研究。

南京航空航天大學(xué)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(shí)驗(yàn)中通過調(diào)整涂料含水率控制涂層反射光譜，最終確定當(dāng)含水率為60%時(shí)，涂層與天然葉片反射光譜最為接近，如圖3、圖4所示。同時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)材料由于含水量低造成了目標(biāo)與背景在近紅外波段難以達(dá)到“同譜”，而此涂料卻彌補(bǔ)了這一缺陷，有效提高了目標(biāo)的防近紅外偵察能力。

此外，南京工業(yè)大學(xué)的尤欣敏等[17]研制了一種以氟碳樹脂為主要成膜物質(zhì)的近紅外偽裝涂料，它的特點(diǎn)是在樹脂中引入氟元素，增加了電負(fù)性，同時(shí)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(xué)介質(zhì)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(shí)踐數(shù)據(jù)，與其他類型的涂料相比優(yōu)勢明顯。與此同時(shí)，氟碳樹脂也存在對(duì)顏料濕潤分散性差的問題，實(shí)驗(yàn)中采取兩種分散劑搭配的方法，使整個(gè)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(chǔ)穩(wěn)定性更好。試驗(yàn)最終選用的涂料配方如表1所示，對(duì)其各項(xiàng)性能檢測均符合標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。這種氟碳樹脂在惡劣環(huán)境中所顯示的超強(qiáng)抗老化性、耐候性，具有廣泛的應(yīng)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(duì)織物進(jìn)行偽裝，也能夠具有一定偽裝效果，但隨著用量增大，對(duì)熱紅外波段的吸收將增多，同時(shí)也會(huì)反射更多的雷達(dá)波、可見光和激光，影響了目標(biāo)對(duì)雷達(dá)、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(huì)不同程度降低。因此，各國愈發(fā)重視用染料對(duì)織物等目標(biāo)進(jìn)行偽裝。20世紀(jì)五六十年代國外就展開了對(duì)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(jī)理性的研究還較為缺乏[18]。此外，所用染料的結(jié)構(gòu)組成對(duì)于織物的近紅外偽裝性能具有重要影響，結(jié)構(gòu)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(xiàng)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(jià)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(duì)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(shí)需根據(jù)要求進(jìn)行選擇。

西安工程大學(xué)的張輝等[21-22]分別采用還原和分散染料對(duì)棉、滌綸及滌棉混紡織物進(jìn)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(shí)驗(yàn)中不僅采用了不同染料，還選用不同的染色方法進(jìn)行染色，對(duì)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(guān)，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(jié)果

值得一提的是，伊朗亞茲德大學(xué)（University of Yazd）的M. A. Tavanaie[23]等人對(duì)用高速熔融紡絲法制成的聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）多纖絲紗線進(jìn)行了可見光-近紅外偽裝性能研究。這種紡絲相對(duì)于其他織物有均勻性好、牢固不易褪色的優(yōu)點(diǎn)，且相關(guān)研究并不多。實(shí)驗(yàn)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(jī)碳黑制成橄欖綠偽裝色，對(duì)其在叢林地區(qū)的偽裝性能進(jìn)行測試，主要指標(biāo)有反射率、熱學(xué)性能和力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhì)影響，所得織物的熱學(xué)性能和力學(xué)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(shù)的發(fā)展趨勢

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，各類偵察探測手段層出不窮，不斷更新，在對(duì)偽裝技術(shù)和材料提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的同時(shí)，也促進(jìn)了其發(fā)展和完善。結(jié)合相關(guān)資料和個(gè)人研究思考，筆者認(rèn)為今后的研究重點(diǎn)應(yīng)放在以下幾點(diǎn)：

1）改進(jìn)完善現(xiàn)有技術(shù)的缺陷漏洞

新型偵察探測技術(shù)的產(chǎn)生，通常是利用了現(xiàn)有偽裝技術(shù)存在的缺陷漏洞，避開鋒芒，攻其軟肋，達(dá)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(diǎn)，尤其是對(duì)反射光譜一階微分處理后進(jìn)行成像，可有效識(shí)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(jìn)技術(shù)短板。

2） 注重多功能偽裝技術(shù)的研究

現(xiàn)代偵察探測技術(shù)手段日新月異，且種類繁多，諸如可見光、近紅外、熱紅外、雷達(dá)、激光、聲學(xué)等，如果僅針對(duì)其中一類實(shí)施偽裝顯然已不能滿足要求，這就需要偽裝技術(shù)具有多功能，即多譜段兼容的特性。然而，多譜段兼容同時(shí)也是難點(diǎn)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(shè)計(jì)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(dá)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(gè)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(shí)現(xiàn)了激光與近、中、遠(yuǎn)紅外的兼容隱身?？梢灶A(yù)見，新材料的研發(fā)或以其他方法實(shí)現(xiàn)多功能偽裝，應(yīng)當(dāng)是今后偽裝領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

3） 提升偽裝效果評(píng)價(jià)能力

隨著偽裝技術(shù)的不斷發(fā)展革新，相應(yīng)的偽裝效果檢驗(yàn)評(píng)價(jià)也應(yīng)做出一定調(diào)整細(xì)化。檢驗(yàn)偽裝效果所采用的設(shè)備性能、方法應(yīng)盡量與敵方偵察設(shè)備、方法相近，這就需要密切關(guān)注敵方高新偵察設(shè)備和方法，定期對(duì)我方檢驗(yàn)設(shè)備方法進(jìn)行改進(jìn)更新，或者適當(dāng)提高評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，相應(yīng)的偽裝效果規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)及時(shí)修訂完善，這樣在檢驗(yàn)研究成果時(shí)也可做到有理有據(jù)，而不能總依靠老標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范或者外軍標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

4）追求偽裝效果與環(huán)境保護(hù)并重

如同雷達(dá)輻射會(huì)對(duì)人體造成傷害，近紅外偽裝所用的技術(shù)材料也存在相應(yīng)隱患。例如偽裝涂料中常用的無機(jī)黃顏料，其所含的六價(jià)鉻極易被人體吸收，會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重危害。為此，國家也制定了各類標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)專用涂料中危害人體的重金屬物質(zhì)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(shù)材料對(duì)人體和環(huán)境的危害已勢在必行。

4 結(jié)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(shí)，隨著近紅外偵察探測技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，隱藏目標(biāo)越來越困難，防護(hù)難度也空前巨大，各國對(duì)近紅外偽裝技術(shù)的研究更為重視。偵察探測與偽裝如同矛與盾，當(dāng)矛愈發(fā)鋒利，盾也必須更加堅(jiān)固。現(xiàn)有的近紅外偽裝技術(shù)已逐漸不能滿足需求，對(duì)于新技術(shù)新材料的研發(fā)必定是一項(xiàng)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(hù)工程研究。E-mail：gjqfromxz@163.com。

爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（DPMEIKF201409）。