·316· 材料导报 2007年5月第21卷专辑MⅧ 激光隐身技术的现状和发展趋势 张晶，李会利，张其土 (南京工业大学材料科学与工程学院南京210009) 摘要介绍了激光隐身的基本原理综述了激光隐身技术的儿个主要方面及其国内外的研究现状：在此基础 上展望了其发展趋势、并提出了几种新型的多功能激光隐身材料体系， 关键词激光隐身多功能多频谱兼容隐身 Present Status and Development Tendency of Laser Stealth Technology ZHANG Jing,LI Huili,ZHANG Qitu (College of M aterials Science and Engineering.Nanjing University of Technology.Nanjing 210009) Abstract The basie principle of aser stealth is int roduced in this paper.The key technologies and present re searc status of the laser stealth at home and abroad are summarized.Based on these the development tendency is prospected.and some new-style multifunctional laser stealth materials are introduced. Key words laser stealth.multifunctional multispectral compatible stealth 隐身技术是降低己方目标的可探测性信号，使敌方不易探 量高、定向性强的优点。激光反射波的能量大小与目标的反射 测到的伪装技术是近年来备受瞩日的重大军事技术之一隐 率和日标被照射部分的面积密切相关。物体的激光雷达截面 身技术按频谱可分为雷达隐身技术，激光隐身技术，可见光隐身 LRCS被定义为在激光雷达接收机上产生同样光强的全反射球 技术，红外隐身技术等2.20世纪60年代以后.随着激光技 体的横截面积即 术的飞速发展，武器装备等方面也有迅猛发展，以激光束作为信 息载体的各种激光设备，如激光测距机、激光制导装置，激光雷 = (1) 达等越来越普遍应用到战场中。日标因为容易被发现而处于被 式中：2，是目标散射波束立体角：A是目标的实际投影面积：P 动地位。大大影响其战斗力，因而激光隐身技术在现代隐身技术 是目标反射率，不同类型目标的激光雷达截面不同，其中漫反 中的地位变得越来越重要，受到国内外的高度重视.美国等发 射目标的反射信号将在大范围内散射，反射光的幅度及分布由 达国家相继展开了对激光隐身的普遍研究。近年来国内也开始 双向反射分布函数(BRDF)描述 加强对激光隐身技术的研究。并取得了初步的成果。本文综述 1.2激光雷达测距方程 了近几年来激光隐身技术的研究现状在此基础上对其发展趋 激光雷达接收到的激光回波功率P。为： 势进行了探讨。 P=Rt(pA)益 (2) 1 激光隐身原理 式中：P。是发射的激光功率：P是目标的反射率：A,是日标面 激光隐身是通过减少日标对激光的反射信号，使目标具有 积A:是接收机有效孔径面积：Ω，是发射波数的立体角：2，是 低可探测性。其主要出发点是减少目标的激光雷达散射截面 目标散射波束的立体角：τ是单向传播路径透过率：R是激光雷 (LRCS)和激光反射率.LRCS综合反映了激光波长，目标表面 达作用距离。因此非合作目标激光雷达作用距离可以表示为： 材料及其粗糙度、目标几何结构形状等各种因素对目标激光散 (3) 射特性的影响，是用于表征目标激光散射特性的主要指标也是 =[品a周时 最重要的日标光学特性指标之一，在激光测距机、激光制导武 从激光雷达测距方程(3)可以看出。在测距机的性能与大气的传 器、激光雷达等激光测量系统的论证设计、性能评价中有广泛应 输条件确定以后，测程主要与目标的漫反射率有关因此激光 用。反射率是指当材料的厚度达到其反射比不受厚度的增加而 隐身的核心在于对低漫反射率材料的研究。如能使日标材料的 变化时的反射比。由于在一般情况下，激光隐身材料都有一定 漫反射率降低1个数量级，则激光测距机的最大测程将减少V 的厚度.其厚度的变化不影响反射比。因此.评价激光隐身材料 2-1/39 性能的参数可以称为光谱反射率或光谱漫反射率。 1.3临界散射截面 1.1激光雷达截面 把激光雷达波散射截面代入测距方程并设R为最大作用 激光雷达以激光为辐射源并作为载频具有波长短、光束质 距离时，对应的=G。称为“临界散射截面，则有： *973项目资助(513402☑T01) 张漏9本l9s?年生，预taut0283587246c5mai07863,6e"All rights reserved.htp:www.cmki.ndt
＊973 项目资助(513402ZT01) 张晶:女, 1982 年生, 硕士 Te l:025-83587246 E-mail:zjyy 0417 @163 .com 激光隐身技术的现状和发展趋势 张 晶 , 李会利 , 张其土 (南京工业大学材料科学与工程学院, 南京 210009) 摘要 介绍了激光隐身的基本原理, 综述了激光隐身技术的几个主要方面及其国内外的研究现状;在此基础 上, 展望了其发展趋势, 并提出了几种新型的多功能激光隐身材料体系。 关键词 激光隐身 多功能 多频谱兼容隐身 Present Status and Development Tendency of Laser Stealth Technology ZHANG Jing , LI Huili , ZHANG Qitu (Co llege of M aterials Science and Engineering , Nanjing University o f Technolog y , Nanjing 210009) Abstract The basic principle of la ser stealth is int roduced in this paper .The key technolog ies and present resear ch status o f the laser stealth at home a nd abr oad a re summarized .Ba sed o n these , the developme nt tendency is prospected , and some new-sty le multifunctional lase r stealth materials are introduced . Key words laser stealth , multifunctional, multispectral compa tible stealth 隐身技术是降低己方目标的可探测性信号, 使敌方不易探 测到的伪装技术, 是近年来备受瞩目的重大军事技术之一。 隐 身技术按频谱可分为雷达隐身技术、激光隐身技术、可见光隐身 技术、红外隐身技术等[ 1 ,2] 。 20 世纪 60 年代以后, 随着激光技 术的飞速发展, 武器装备等方面也有迅猛发展, 以激光束作为信 息载体的各种激光设备, 如激光测距机、激光制导装置、激光雷 达等越来越普遍应用到战场中。 目标因为容易被发现而处于被 动地位, 大大影响其战斗力, 因而激光隐身技术在现代隐身技术 中的地位变得越来越重要, 受到国内外的高度重视。 美国等发 达国家相继展开了对激光隐身的普遍研究。 近年来国内也开始 加强对激光隐身技术的研究, 并取得了初步的成果。 本文综述 了近几年来激光隐身技术的研究现状, 在此基础上对其发展趋 势进行了探讨。 1 激光隐身原理 激光隐身是通过减少目标对激光的反射信号, 使目标具有 低可探测性。 其主要出发点是减少目标的激光雷达散射截面 (LRCS)和激光反射率。 LRCS 综合反映了激光波长 、目标表面 材料及其粗糙度、目标几何结构形状等各种因素对目标激光散 射特性的影响, 是用于表征目标激光散射特性的主要指标, 也是 最重要的目标光学特性指标之一 , 在激光测距机、激光制导武 器、激光雷达等激光测量系统的论证设计、性能评价中有广泛应 用。反射率是指当材料的厚度达到其反射比不受厚度的增加而 变化时的反射比。 由于在一般情况下, 激光隐身材料都有一定 的厚度, 其厚度的变化不影响反射比, 因此, 评价激光隐身材料 性能的参数可以称为光谱反射率或光谱漫反射率[ 3] 。 1.1 激光雷达截面 激光雷达以激光为辐射源并作为载频, 具有波长短 、光束质 量高、定向性强的优点。 激光反射波的能量大小与目标的反射 率和目标被照射部分的面积密切相关。 物体的激光雷达截面 LRCS 被定义为在激光雷达接收机上产生同样光强的全反射球 体的横截面积, 即: σ= 4πρA Ψr (1) 式中:Ψr 是目标散射波束立体角;A 是目标的实际投影面积;ρ 是目标反射率。 不同类型目标的激光雷达截面不同。 其中漫反 射目标的反射信号将在大范围内散射, 反射光的幅度及分布由 双向反射分布函数(BRDF)描述。 1 .2 激光雷达测距方程 激光雷达接收到的激光回波功率 PR 为: PR = P T R 2ΨT (ρAr) Ac R 2Ψr τ2 (2) 式中:PR 是发射的激光功率;ρ是目标的反射率;Ar 是目标面 积;Ac 是接收机有效孔径面积;ΨT 是发射波数的立体角;Ψr 是 目标散射波束的立体角;τ是单向传播路径透过率;R 是激光雷 达作用距离。 因此, 非合作目标激光雷达作用距离可以表示为: R = PT P RΨT (ρAr) Ac Ψr τ2 1 4 (3) 从激光雷达测距方程(3)可以看出, 在测距机的性能与大气的传 输条件确定以后, 测程主要与目标的漫反射率有关, 因此, 激光 隐身的核心在于对低漫反射率材料的研究。 如能使目标材料的 漫反射率降低 1 个数量级, 则激光测距机的最大测程将减少 1/ 2 ～ 1/ 3 [ 4] 。 1 .3 临界散射截面 把激光雷达波散射截面代入测距方程, 并设 R 为最大作用 距离时, 对应的 σ=σm 称为“临界散射截面” , 则有: · 316 · 材料导报 2007 年 5 月第 21 卷专辑Ⅷ
激光隐身技术的现状和发展趋势/张 晶等 °317 []] 形设计方面，各国的设计方案中多采用非规则的升立体。例如， (4) 挪威的新一代超音速隐身反舰导弹也进入了设计开发阶段。该 在这个距离上若目标的散射截面o<am,则目标将处于隐身状 导弹采用了扁平弹体加梯形短翼和X尾翼及弹腹动力舱的紧 态. 凑布局，按隐身原理进行低探测性设计，以获得更小的雷达反 1.4理论减小激光雷达截面的方法 射截面。 基于矢量微扰动理论的一阶解，有人提出3种减小激光雷 2.2材料技术 达截面的方法：①降低表面粗糙度，把目标外形设计成大块面结 按激光隐身材料的隐身机理来分主要有吸收材料、导光材 构以增大可能的激光入射角；②使表面随机起伏具有一维取向 料、透射材料，其中吸收材料应用最为普遍。 性；③研究新技术使目标散射回波不能被相干激光雷达天线光 2.2.1吸收材料 开关有效隔离。这3种方法都得到了实验验证，近年来一些刊 激光吸收材料(LAM)的作用在于对激光有强烈吸收从而 物上已有关于国外采用控制表面微结构来隐身的方法在模拟飞 减小激光反射信号或改变激光频率。吸收材料按材料的成型工 机上试验成功的报道 艺和承载能力分为涂覆型和结构型，现在各国采用的激光材料 2激光隐身技术的现状 隐身技术主要有： (1)“涂覆型”，降低目标对激光的后向散射。如利用涂料 激光隐身技术采取的主要手段有外形技术和材料技术，外 降低目标表面的光洁度，或在目标表面涂覆吸收材料，使目标反 形技术主要是通过改变目标的几何外形，以减小其激光散射截 射信号强度减弱；或采用激光伪装隐身网，可在网上涂覆吸收激 面，材料技术主要在激光隐身材料的设计及制备方面，设计出 光的涂料；因为伪装隐身网价格低廉、使用方便、工艺稳定、易 具有高吸收、低反射的材料体系，并制备出吸收性能好的隐身材 于批量生产且可实现多频谱隐身功能，国际上正大力发展此种 料. 材料。德国的Pusch Gunter发明了一种伪装网，在雷达波段、 2.1外形技术 可见光隐身及红外波段处可产生逼近环境（树木）的辐射，对 外形技6.7在飞机的隐身技术中应用比较多，其途径和 于涂覆型吸收材料，主要从两方面降低目标材料的漫反射：①研 方法通常有以下几种： 究对激光具有高吸收的材料；②研究涂层的表面形态，以构造漫 (1)消除可产生角反射效应的外形组合。飞机的机翼、机尾 反射表面，使入射的激光能量以散射的形式传输到其它方向上， 和机身之间的组合都是能产生角反射器效应的部位，可采用翼 同时进行多层结构设计，波长匹配层导入激光信号，吸收层消耗 身融合体结构、V型尾翼和倾斜式双立尾结构的方法。美国的 激光能量41，据报道1，国内激光隐身涂料对1.06m波长 F-117改进型战斗机就具有机翼机身均匀过渡的结构，具有宽 的激光吸收率已高达95%以上，可以使激光测距机的测距能力 的加厚的中段和相对短的外翼，没有垂直尾翼，有效地增强了隐 降低近70%，起到了激光隐身的作用。 身能力。 (2)“结构型”，将结构设计成吸收型的多层夹芯，或把复合 (2)用平板外形代替曲边外形。激光散射截面的大小与目 材料制成蜂窝状，在蜂窝另一端返回，这样既降低了反射激光信 标的几何面积直接有关。对两个投影面积相同的物体，平板的 号的强度，又延长了反射光的到达时间。结构型吸波材料的研 散射截面积比球体小4个数量级，因此可将飞机的机身、短舱 制起始于20世纪60年代，其在武器装备上的应用是20世纪70 等处向扁平方向压缩，做成近似三角形机身。例如美国的“黑 年代末和80年代初，应用较为广泛的是在隐身飞机上，结构型 星”无人驾驶隐形侦察机，有细长的机翼平面结构，不仅有较好 吸波材料具有轻质、高强和吸波等特点，是一种多功能复合材 的空气动力学性能，而且使其激光截面积减小，具有正面隐身能 料，受到国内外高度重视，目前结构吸波材料正积极地朝着 力，可大大减小被发现和跟踪的可能性。 (3)变后向散射为非后向散射。采用倾斜式双立尾对付侧 宽频吸收的方向发展。 向入射光；采用后掠角和三角翼结构对付正前方入射光，这样减 2.2.2其它隐身功能材料 少前方和侧向的激光反射截面。 透射材料是让激光透过目标表面而无反射，从原理上，透 (4)用边缘衍射代替镜面反射。尽量使机上可造成镜面反 光材料后应有激光光束终止介质，否则仍有反射或散射激光存 射的部分平滑，使之形成边缘衍射而无强反射，减弱回波信号。 在，导光材料是使入射到目标表面的激光能够通过某些渠道传 (5)缩小飞机尺寸，设计时尽量缩小飞机尺寸，当采用高密 输到其它方向去，以减少直接反射回波。这两种隐身功能材料 度燃油及适应这种燃油的发动机时，就可以在不增加飞机尺寸 作为激光隐身材料，实现难度较大。 的前提下提高航程。 3激光隐身的发展趋势 (6)减少散射源数量。可采用一些柔性薄膜将舱盖周围、浮 动表面与固定表面间的空隙遮挡起来，或使飞机的机翼接近最 3.1新型多波段隐身材料 低限度的气动布局。 单一的隐身材料已不能满足现代战争的隐身需要，随着各 另外，激光隐身技术在导弹、舰艇等上也有应用，舰艇的激 波段先进探测设备的应用，隐身材料正朝着能够兼容米波、厘米 光隐身多采用吸收材料，防激光隐身网，或施放可遮蔽激光的 波、毫米波、红外、激光等多波段电磁波隐身的多频谱隐身材料 各种烟幕，气溶胶等，也可采用以消除可产生角反射器效应的外 方向发展。国外已经对这项工作展开了一系列的研究。目前国 形组合来降低目标的激光反射截面，导弹的激光隐身可采用材 外先进的多功能隐身材料在可见光、近红外、远红外、8mm和 料法和外形技术法材料法主要是在弹体表面涂覆吸收层；在外 3mm五波段一体化方面取得较大进展。例如，德国研制的半导 rouse. 7A 11gnts TCSCrveu. VWCK1,0C
Rmax = PT P R Ψr σm · Ac 4π τ2 1 4 (4) 在这个距离上若目标的散射截面 σ<σm , 则目标将处于隐身状 态。 1.4 理论减小激光雷达截面的方法 基于矢量微扰动理论的一阶解, 有人提出 3 种减小激光雷 达截面的方法:①降低表面粗糙度, 把目标外形设计成大块面结 构以增大可能的激光入射角;②使表面随机起伏具有一维取向 性;③研究新技术使目标散射回波不能被相干激光雷达天线光 开关有效隔离。 这 3 种方法都得到了实验验证。 近年来一些刊 物上已有关于国外采用控制表面微结构来隐身的方法在模拟飞 机上试验成功的报道[ 5] 。 2 激光隐身技术的现状 激光隐身技术采取的主要手段有外形技术和材料技术, 外 形技术主要是通过改变目标的几何外形, 以减小其激光散射截 面。 材料技术主要在激光隐身材料的设计及制备方面, 设计出 具有高吸收、低反射的材料体系, 并制备出吸收性能好的隐身材 料。 2.1 外形技术 外形技术[ 6 , 7] 在飞机的隐身技术中应用比较多, 其途径和 方法通常有以下几种: (1)消除可产生角反射效应的外形组合。 飞机的机翼、机尾 和机身之间的组合都是能产生角反射器效应的部位, 可采用翼 身融合体结构 、V 型尾翼和倾斜式双立尾结构的方法。 美国的 F-117 改进型战斗机就具有机翼机身均匀过渡的结构, 具有宽 的加厚的中段和相对短的外翼, 没有垂直尾翼, 有效地增强了隐 身能力。 (2)用平板外形代替曲边外形。 激光散射截面的大小与目 标的几何面积直接有关。 对两个投影面积相同的物体, 平板的 散射截面积比球体小 4 个数量级。 因此可将飞机的机身、短舱 等处向扁平方向压缩, 做成近似三角形机身。 例如美国的“ 黑 星” 无人驾驶隐形侦察机, 有细长的机翼平面结构, 不仅有较好 的空气动力学性能, 而且使其激光截面积减小, 具有正面隐身能 力, 可大大减小被发现和跟踪的可能性。 (3)变后向散射为非后向散射。 采用倾斜式双立尾对付侧 向入射光;采用后掠角和三角翼结构对付正前方入射光 , 这样减 少前方和侧向的激光反射截面。 (4)用边缘衍射代替镜面反射。 尽量使机上可造成镜面反 射的部分平滑, 使之形成边缘衍射而无强反射 , 减弱回波信号。 (5)缩小飞机尺寸。 设计时尽量缩小飞机尺寸, 当采用高密 度燃油及适应这种燃油的发动机时, 就可以在不增加飞机尺寸 的前提下提高航程。 (6)减少散射源数量。 可采用一些柔性薄膜将舱盖周围、浮 动表面与固定表面间的空隙遮挡起来, 或使飞机的机翼接近最 低限度的气动布局。 另外, 激光隐身技术在导弹、舰艇等上也有应用。 舰艇的激 光隐身多采用吸收材料, 防激光隐身网, 或施放可遮蔽激光的 各种烟幕、气溶胶等, 也可采用以消除可产生角反射器效应的外 形组合来降低目标的激光反射截面。 导弹的激光隐身可采用材 料法和外形技术法, 材料法主要是在弹体表面涂覆吸收层;在外 形设计方面, 各国的设计方案中多采用非规则的升立体。 例如, 挪威的新一代超音速隐身反舰导弹也进入了设计开发阶段。 该 导弹采用了扁平弹体加梯形短翼和 X 尾翼及弹腹动力舱的紧 凑布局, 按隐身原理进行低探测性设计, 以获得更小的雷达反 射截面。 2 .2 材料技术 按激光隐身材料的隐身机理来分主要有吸收材料、导光材 料、透射材料, 其中吸收材料应用最为普遍。 2 .2 .1 吸收材料 激光吸收材料(LAM)的作用在于对激光有强烈吸收从而 减小激光反射信号或改变激光频率。吸收材料按材料的成型工 艺和承载能力分为涂覆型和结构型。现在各国采用的激光材料 隐身技术主要有: (1)“涂覆型” 。 降低目标对激光的后向散射。 如利用涂料 降低目标表面的光洁度, 或在目标表面涂覆吸收材料, 使目标反 射信号强度减弱;或采用激光伪装隐身网, 可在网上涂覆吸收激 光的涂料;因为伪装隐身网价格低廉、使用方便、工艺稳定、易 于批量生产且可实现多频谱隐身功能, 国际上正大力发展此种 材料。 德国的 Pusch Gunter 发明了一种伪装网, 在雷达波段、 可见光隐身及红外波段处可产生逼近环境(树木)的辐射[ 8] 。 对 于涂覆型吸收材料, 主要从两方面降低目标材料的漫反射:①研 究对激光具有高吸收的材料;②研究涂层的表面形态, 以构造漫 反射表面, 使入射的激光能量以散射的形式传输到其它方向上, 同时进行多层结构设计, 波长匹配层导入激光信号, 吸收层消耗 激光能量[ 4 ,9] 。 据报道[ 10] , 国内激光隐身涂料对 1 .06μm 波长 的激光吸收率已高达 95 %以上, 可以使激光测距机的测距能力 降低近 70 %, 起到了激光隐身的作用。 (2)“结构型” 。 将结构设计成吸收型的多层夹芯, 或把复合 材料制成蜂窝状, 在蜂窝另一端返回, 这样既降低了反射激光信 号的强度, 又延长了反射光的到达时间。 结构型吸波材料的研 制起始于20 世纪60 年代, 其在武器装备上的应用是 20 世纪 70 年代末和 80 年代初, 应用较为广泛的是在隐身飞机上。结构型 吸波材料具有轻质、高强和吸波等特点, 是一种多功能复合材 料, 受到国内外高度重视[11] 。目前结构吸波材料正积极地朝着 宽频吸收的方向发展 。 2 .2 .2 其它隐身功能材料 透射材料是让激光透过目标表面而无反射。 从原理上, 透 光材料后应有激光光束终止介质, 否则仍有反射或散射激光存 在。 导光材料是使入射到目标表面的激光能够通过某些渠道传 输到其它方向去, 以减少直接反射回波。 这两种隐身功能材料 作为激光隐身材料, 实现难度较大。 3 激光隐身的发展趋势 3 .1 新型多波段隐身材料 单一的隐身材料已不能满足现代战争的隐身需要, 随着各 波段先进探测设备的应用, 隐身材料正朝着能够兼容米波、厘米 波、毫米波、红外、激光等多波段电磁波隐身的多频谱隐身材料 方向发展。 国外已经对这项工作展开了一系列的研究。 目前国 外先进的多功能隐身材料在可见光、近红外、远红外、8mm 和 3mm 五波段一体化方面取得较大进展。 例如, 德国研制的半导 激光隐身技术的现状和发展趋势/张 晶等 · 317 ·
318 材料导报 2007年5月第21卷专辑Ⅷ 体多功能隐身材料在可见光范围有低反射率，在热红外波段有 有隐身作用，原因主要有两点：①纳米粒子尺寸远小于红外、雷 低辐射率，在毫米波段有高吸收率，这种涂层可同时对抗可见 达及激光的波长，因此纳米粒子材料对这些光波的透过率比常 光、近红外、激光、热红外和雷达的威胁，据报道1，国内研 规材料要强得多，这大大减少了波的反射率，使红外或激光在内 制的隐身涂料也达到了良好的多频谱隐身性能，目标隐身效果 的各种波段的电磁波接收的反射信号变得很微弱，从而达到隐 和综合使用性能都达到了各自的战标要求，其技术水平在国内 身的作用；②纳米粒子材料的比表面积比常规粗粉大3~4个数 首创，优于国际资料上报导的先进同类产品。在红外与激光复 量级，对红外和电磁波的吸收率也比常规材料大很多，这使得红 合隐身方面，国内王自荣等已经基本上研制出1.06m激光与 外及激光雷达探测器得到的反射信号强度大大降低,因此很难 8~14m波段的复合隐身涂料，但对10.6m和3~5m波段 被探测器发现，从而起到了隐身作用1，由于纳米材料具有特 红外隐身并没有考虑，并且对于完全意义上的激光和红外隐身 有的光学性质，同时具备了宽频带、兼容性好、质量小和厚度薄 还有待进一步研究，以下是有望作为多波段隐身材料的几 等特点，因此成为激光隐身材料未来的研究对象，美、俄、法、德、 种新型的材料体系。 日等国都把纳米材料作为新一代隐身材料加以研究和探索，国 3.1.1半导体化合物 内王春秀等研究了纳米晶CeO2和La2O3的近红外吸收性能， 在半导体内等离子波长大于入射光波长情况下半导体有低 得出其有望作为激光隐身吸收剂材料的结论192。 反射率，半导体的等离子波长取决于它的载流子浓度5。据 3.1.5近红外线激光防护染料 此，通过掺杂控制其载流子浓度，从而改变掺杂半导体化合物等 目前，有大量近红外防护吸收的有机化合物不断涌现，能引 离子波长，使其在1.06m波长附近产生强吸收。同时，通过掺 起电子激发而产生近红外吸收的生色基团归纳起来大致可分为 杂改性还可以使掺杂半导体化合物的红外辐射范围脱离红外大 两类：无环的近红外生色基团（如多次甲基菁、双硫烯配体等）和 气窗口，达到红外与激光复合隐身相兼容的目的。因此，这种掺 有共轭环的近红外生色基团（如方酸菁），这些染料可用于增感 杂半导体化合物可以作为激光隐身功能元之一。这类激光隐身 材料、疾病治疗、液晶材料、激光印刷系统、激光防护、激光隐身 功能元可以In2O3、SnO2和ITO等半导体材料作为研究对象， 等，其中菁类染料对近红外特定波长的激光隐身有一定的应用 可采用半导体氧化物，如氧化铁、二氧化钛、氧化钴、氧化铬等对 潜力，但要真正应用到激光隐身中，还需要对该种染料进行研 半导体In2O3、SnO2和ITO等进行掺杂，通过掺杂使等离子波 究[21.221。 长处于合适的范围内，从而达到激光和红外复合隐身的效果。 3.2多波段隐身的新理论、新方法 於定华等1以合成的ITO晶体粉末为填料制备涂层，该涂层 雷达与激光复合隐身可以通过新概念的外形设计，减小武 红外发射率在8~14m之间为0.6~0.941.06m激光反射 器的激光散射截面来实现。1985年美国国防高级研究计划局 率小于0.4%. 和战术技术委员会公布了一种概念型的“未来坦克”Ninja这种 单人坦克将利用人工智能和机器人技术、先进的目标搜索和跟 3.1.2光谱转换材料 踪技术，在保证装甲防护和武器火力的前提下，使正面和侧面投 根据上转换材料的发光机理，可以吸收多个低能量的长 影面积下降了50%以上，加上其机动性高，将使其生存能力大 波长光子，然后发出高能量的短波长光，利用它对激光频率的转 大提高23， 换特性来降低激光回波反射的能量，从而达到激光隐身的目的。 激光和红外复合隐身是存在矛盾的，因为激光隐身要求目 因此，这种光谱转换材料也可以作为激光隐身功能元之一，从 标有低反射率、高吸收率，而红外隐身要求目标具有低发射率。 这个角度出发,可以考虑选择对1.06m波长的激光有强吸和 根据基尔霍夫定律，不透明物体在热力学平衡条件下，其发射率 光谱转换效率的稀土离子，如(Sm3+、Er3+),掺杂在基质体系 和吸收率在数值上相等，因此在目标满足激光隐身要求同时，对 中，将1.06m的光转化为其它波长的光从而达到吸收的效果。 红外必然会“显形”，解决红外与激光复合隐身的问题，有人提 3.1.3有机金属络合物 出用非平衡辐射描述理论，该理论中引入了时间量，即利用材料 通过对各种过渡金属离子、稀土离子吸收光谱特性的分析 的非平衡辐射性能可以在某一时刻同时获得低发射率和低瞬态 研究，选择能有效吸收1.06m波长激光的金属离子。同时对 红外激光反射率材料24，研究动态热辐射理论，建立起非平衡 能与过渡金属离子、稀土离子络合（或整合）的各种有机络合剂 状态下的隐身机理将有助于同一波段内红外与激光复合隐身的 进行选择对比，找到所需的有机络合剂（或进行适当的改性）。 研究。另外，解决红外与激光复合隐身的问题还可以引进 通过有机络合剂与相应的金属离子络合（或螯合）制备成能有效 “适度隐身”的概念，即两方面都降低部分性能以达到复合隐身 吸收1.06m波长激光的有机金属化合物，再经提纯也可作为 的效果，在具体实施时，以激光隐身材料为主，红外隐身侧重于 激光隐身功能元之一，这种激光隐身功能元可能更适合作为激 热变形与热迷彩等融合技术的应用，利用空间混色原理和计算 光隐身薄膜的功能性原料。 机迷彩斑点图案设计技术，采用小斑点迷彩设计和热迷彩图案 3.1.4纳米隐身材料 设计的方法4。 纳米粒子是在纳米尺度上原子和分子的集合体，一般粒径 在1~100nm之间的粒子只能用高倍电子显微镜进行观察。纳 4结语 米材料具有显然不同于体材料和单个分子的独特性能，如表面 在国外,激光隐身技术在外形技术和材料技术上已有了较 效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应等。利用纳米微 快的发展，近年来，国内也展开了激光隐身的研究，并取得了初 粒的小尺寸效应可制备出具有一定频宽的微波吸收纳米材料 步的研究成果，但随着激光武器向多波段、可调谐的方向发展， 用于电磁波屏蔽、隐形飞机等，纳米粒子对红外及各种电磁波 (下转第324页) China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/v
体多功能隐身材料在可见光范围有低反射率, 在热红外波段有 低辐射率, 在毫米波段有高吸收率。 这种涂层可同时对抗可见 光、近红外、激光、热红外和雷达的威胁[ 12] 。 据报道[ 13] , 国内研 制的隐身涂料也达到了良好的多频谱隐身性能, 目标隐身效果 和综合使用性能都达到了各自的战标要求, 其技术水平在国内 首创, 优于国际资料上报导的先进同类产品。 在红外与激光复 合隐身方面, 国内王自荣等已经基本上研制出 1 .06μm 激光与 8 ～ 14μm 波段的复合隐身涂料, 但对 10 .6μm 和 3 ～ 5μm 波段 红外隐身并没有考虑, 并且对于完全意义上的激光和红外隐身 还有待进一步研究[ 14] 。 以下是有望作为多波段隐身材料的几 种新型的材料体系。 3 .1 .1 半导体化合物 在半导体内等离子波长大于入射光波长情况下半导体有低 反射率, 半导体的等离子波长取决于它的载流子浓度[ 15] 。 据 此, 通过掺杂控制其载流子浓度, 从而改变掺杂半导体化合物等 离子波长, 使其在 1 .06μm 波长附近产生强吸收。 同时, 通过掺 杂改性还可以使掺杂半导体化合物的红外辐射范围脱离红外大 气窗口, 达到红外与激光复合隐身相兼容的目的。因此 , 这种掺 杂半导体化合物可以作为激光隐身功能元之一。 这类激光隐身 功能元可以 In2O3 、SnO2 和 ITO 等半导体材料作为研究对象, 可采用半导体氧化物, 如氧化铁、二氧化钛、氧化钴、氧化铬等对 半导体 In2O3 、SnO2 和 ITO 等进行掺杂, 通过掺杂使等离子波 长处于合适的范围内, 从而达到激光和红外复合隐身的效果。 於定华等[ 16, 17] 以合成的 ITO 晶体粉末为填料制备涂层, 该涂层 红外发射率在 8～ 14 μm 之间为 0 .6 ～ 0 .94;1 .06 μm 激光反射 率小于 0.4%。 3 .1 .2 光谱转换材料 根据上转换材料的发光机理[18] , 可以吸收多个低能量的长 波长光子, 然后发出高能量的短波长光, 利用它对激光频率的转 换特性来降低激光回波反射的能量, 从而达到激光隐身的目的。 因此, 这种光谱转换材料也可以作为激光隐身功能元之一。 从 这个角度出发, 可以考虑选择对 1.06μm 波长的激光有强吸和 光谱转换效率的稀土离子, 如(Sm3 +、Er 3 +), 掺杂在基质体系 中, 将 1.06μm 的光转化为其它波长的光, 从而达到吸收的效果。 3 .1 .3 有机金属络合物 通过对各种过渡金属离子、稀土离子吸收光谱特性的分析 研究, 选择能有效吸收 1.06μm 波长激光的金属离子。 同时对 能与过渡金属离子、稀土离子络合(或螯合)的各种有机络合剂 进行选择对比, 找到所需的有机络合剂(或进行适当的改性)。 通过有机络合剂与相应的金属离子络合(或螯合)制备成能有效 吸收 1.06μm 波长激光的有机金属化合物, 再经提纯也可作为 激光隐身功能元之一。 这种激光隐身功能元可能更适合作为激 光隐身薄膜的功能性原料。 3 .1 .4 纳米隐身材料 纳米粒子是在纳米尺度上原子和分子的集合体。 一般粒径 在 1～ 100nm 之间的粒子只能用高倍电子显微镜进行观察。 纳 米材料具有显然不同于体材料和单个分子的独特性能, 如表面 效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应等。 利用纳米微 粒的小尺寸效应可制备出具有一定频宽的微波吸收纳米材料, 用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。 纳米粒子对红外及各种电磁波 有隐身作用, 原因主要有两点:①纳米粒子尺寸远小于红外、雷 达及激光的波长, 因此纳米粒子材料对这些光波的透过率比常 规材料要强得多, 这大大减少了波的反射率, 使红外或激光在内 的各种波段的电磁波接收的反射信号变得很微弱, 从而达到隐 身的作用;②纳米粒子材料的比表面积比常规粗粉大 3 ～ 4 个数 量级, 对红外和电磁波的吸收率也比常规材料大很多, 这使得红 外及激光雷达探测器得到的反射信号强度大大降低, 因此很难 被探测器发现, 从而起到了隐身作用[ 10] 。 由于纳米材料具有特 有的光学性质, 同时具备了宽频带、兼容性好、质量小和厚度薄 等特点, 因此成为激光隐身材料未来的研究对象, 美、俄、法、德、 日等国都把纳米材料作为新一代隐身材料加以研究和探索。 国 内王春秀等研究了纳米晶 CeO2 和 La2O3 的近红外吸收性能, 得出其有望作为激光隐身吸收剂材料的结论[ 19 ,20] 。 3 .1 .5 近红外线激光防护染料 目前, 有大量近红外防护吸收的有机化合物不断涌现, 能引 起电子激发而产生近红外吸收的生色基团归纳起来大致可分为 两类:无环的近红外生色基团(如多次甲基菁、双硫烯配体等)和 有共轭环的近红外生色基团(如方酸菁)。 这些染料可用于增感 材料、疾病治疗、液晶材料、激光印刷系统、激光防护、激光隐身 等。 其中菁类染料对近红外特定波长的激光隐身有一定的应用 潜力, 但要真正应用到激光隐身中, 还需要对该种染料进行研 究[ 21 , 22] 。 3 .2 多波段隐身的新理论 、新方法 雷达与激光复合隐身可以通过新概念的外形设计, 减小武 器的激光散射截面来实现。 1985 年美国国防高级研究计划局 和战术技术委员会公布了一种概念型的“未来坦克” Ninja , 这种 单人坦克将利用人工智能和机器人技术、先进的目标搜索和跟 踪技术, 在保证装甲防护和武器火力的前提下, 使正面和侧面投 影面积下降了 50 %以上, 加上其机动性高, 将使其生存能力大 大提高[ 23] 。 激光和红外复合隐身是存在矛盾的。 因为激光隐身要求目 标有低反射率、高吸收率, 而红外隐身要求目标具有低发射率。 根据基尔霍夫定律, 不透明物体在热力学平衡条件下, 其发射率 和吸收率在数值上相等, 因此在目标满足激光隐身要求同时, 对 红外必然会“ 显形” 。 解决红外与激光复合隐身的问题, 有人提 出用非平衡辐射描述理论, 该理论中引入了时间量, 即利用材料 的非平衡辐射性能可以在某一时刻同时获得低发射率和低瞬态 红外激光反射率材料[ 24] 。 研究动态热辐射理论, 建立起非平衡 状态下的隐身机理将有助于同一波段内红外与激光复合隐身的 研究[ 25] 。 另外, 解决红外与激光复合隐身的问题还可以引进 “ 适度隐身”的概念, 即两方面都降低部分性能以达到复合隐身 的效果。 在具体实施时, 以激光隐身材料为主, 红外隐身侧重于 热变形与热迷彩等融合技术的应用, 利用空间混色原理和计算 机迷彩斑点图案设计技术, 采用小斑点迷彩设计和热迷彩图案 设计的方法[ 4] 。 4 结语 在国外, 激光隐身技术在外形技术和材料技术上已有了较 快的发展。 近年来, 国内也展开了激光隐身的研究, 并取得了初 步的研究成果。 但随着激光武器向多波段、可调谐的方向发展, (下转第 324 页) · 318 · 材料导报 2007 年 5 月第 21 卷专辑Ⅷ
年324 材料导报 2007年5月第21卷专辑 应增加使发光强度得到提高：但是当激活剂的粒子浓度增大到 形成均一的山(Mo0:·Eu固溶体750C制得的样品的发射 浓店 用 生浓度猝灭现 度 其发 强度是常规固相反 使发光强度和发光效奉 ,常规固相反应法制备的 好的颗粒形貌 参考文献 Table3 Relative brightness of mpes prepared by sogel process conventional so lid state reaction 三屋电机株式会社，韩国化学研究院。红色荧光粉及制法及 发光二极管和活性动态液晶装置【P],CP g ple x Sint temperature C Intensity/(a.u.) CN1654593A.2005 10 750 646653 Ozaw A L[J]J Soe Fleetrochem.1977 124(3):413 081g1 杨南如余桂郁.溶胶-凝胶法简介1儿，硅酸盐通报.1992 Solid state reaction 1.0 900 521.502 4 李彬溶胶凝胶法及其在无机材料合成中的应用】，材料 3结论 料学与工程19908(2)：26 Yu Min Lin Jun.Zhou Yonghui.et al.Synthesis and prop m的小颗料 erties of SraCe0.pow der phosphor by sobgel method [] 采用溶股凝胶初 Chin J Lumin.2003,24(1):91 制备Ii(MoO4):E与常规固相反应相比显示出明显的优越 6 an入m, in Jun.Yu Min et al.Patterning and lumin 性，常规固相反应合成Li(Mo0,)2:Eu需要在900℃以上才 Mn tilms b soFgel soft lithography 能形成均一的固溶体且在900℃时制得的样品的发射强度最 Chin Lamin 02(1):17 高：而采用溶胶-凝胶法E+用量=1.0时.在700℃就己经 (上接第318百) 2001.(2)28 材料工作湾 12 Pusch Gunter.Camouflaze net having a semicorductive 求因此 型的 材 的 方向之一 探素 身的新技术 和发 新方法积极开展 的隐身机理也是今后的一个研究方向和热点 参考文献 15 1 Grissom M P.The role of stealth in naval aviation and joint/ombined operations[R]AD Report.A D-A 240595 16 自荣余大斌於定华等.T0涂料在8 14m波段红外 Neil Kacena G.Stealth:an example of technology's role in 99 1:4 the American w of warI R.AD Report.AD-A328900 17 ,余大斌等.IT0作填料的涂层光谱特性研 3王自荣，孙晓泉.光电隐身性能的表征概述[】.激光与红 列·功能19930)：66 外.2005.(1).11 18陈晓波张光寅，宋增福.稀士化合物材料上转换发光与 4侯学光.张晓光.可见光、激光、毫米波与红外的复合隐身技 光的研究与进展.光谱学与光谱分析，199，(3)：1 术，航天电子对抗2003.(3)：35 19王春秀，胡克良，李福利.纳米C02的制备及其红外吸收性 5何毅.关于减小激光雷达截面方法的几点分析』，激光与 能研究』.激光与红外.2006.(5)：399 红外.1999.(2).77 20王春秀.李福利.纳米品La,0,的制各及其红外吸收特性的 6付伟.飞机的光电隐身技村』.航空兵器、2001，(4,9 研究Ⅱ.光谱学与光兽分折析.2006.(5).46 蒋耀庭简涛.激光物理和激光隐身技术』.激光与红外 21杨小兵丁松涛杨裕生.近红外激光防护染礼』.有机化 200L.（4).195 学.2002.（1).33 张卫东冯小云，孟秀兰.国外隐身材料研究进展】·宇航 22孙成才，霍冀川，雷永林等.近红外吸收功能菁染料的研究 材料工艺200m.(3):1 进展·.材料导报.2006(8)248 23徐志伟.设想中的未米坦克刀.现代兵器，1988(12)：3 the 24周建胁胡江华皮德富.红外与激光复合隐引』.红外技 犬1006（8).33 胡传析隐身涂层我 1.北京：化 业出版社 25王广民房红兵汪贵华等，地面武器的红外与激光隐身技 马玉璞舰用非金属隐身材料的发展·搬船科学技术 利.红外技术198(26 ?1994-2014 China Aeademie Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
应增加, 使发光强度得到提高;但是当激活剂的粒子浓度增大到 一定浓度时, 发光中心间的作用增强会导致产生浓度猝灭现象, 使发光强度和发光效率下降。 表 3 溶胶-凝胶法 、常规固相反应法制备的 样品的相对亮度性能比较 Table 3 Relative brightness o f sam ples prepared by sol-gel pr ocess, co nv entional so lid state reactio n Sample x Sint temperature/ ℃Inte nsity/(a.u .) Sol-gel 1 .0 750 646.663 So lid state reac tion 1 .0 750 398.191 So lid state reac tion 1 .0 900 521.502 3 结论 采用溶胶-凝胶法制备了平均粒径为 2 ～ 3μm 的小颗粒、高 发射强度的 Li (MoO4)2 ∶Eu 红色荧光粉。 采用溶胶-凝胶法 制备 Li(M oO4)2∶Eu , 与常规固相反应相比显示出明显的优越 性。 常规固相反应合成 Li(MoO4)2 ∶Eu 需要在 900 ℃以上才 能形成均一的固溶体, 且在 900 ℃时制得的样品的发射强度最 高;而采用溶胶-凝胶法, Eu 3 +用量 x=1.0 时, 在 700 ℃就已经 形成均一的 Li (MoO4)2 ∶Eu 固溶体, 750℃制得的样品的发射 强度最高, 其发射强度是常规固相反应合成方法的 124 %。 溶 胶-凝胶法合成的 Li (MoO4)2 ∶Eu 荧光体具有较小的尺寸, 良 好的颗粒形貌。 参考文献 1 三星电机株式会社, 韩国化学研究院.红色荧光粉及制法及 发光 二 极 管 和 活 性 动 态 液 晶 装 置 [ P] .CN Pa t, CN1654593A .2005 2 Ozaw A L.[ J] .J So c Electrochem , 1977, 124(3):413 3 杨南如, 余桂郁.溶胶-凝胶法简介[ J] .硅酸盐通报, 1992, 2:56 4 李彬.溶胶-凝胶法及其在无机材料合成中的应用[ J] .材料 科学与工程, 1990, 8(2):26 5 Yu Min, Lin Jun , Zhou Yonghui , e t al .Sy nthesis and pro pertie s o f Sr2 CeO4 pow der phospho r by sol-g el method [ J] . Chin J Lumin , 2003 , 24(1):91 6 H an Xiumei , Lin Jun , Yu Min, et al.Patter ning and luminescence o f Zn2 SiO4 ∶Mn films by so l-ge l so ft litho g raphy [ J] . Chin J Lumin , 2003 , 24(1):177 (上接第 318 页) 现有的激光吸收材料工作波段固定、且对气候有一定的依赖性, 已不能满足实际应用的要求, 因此开展新型的多功能、多频谱兼 容的激光隐身材料体系的研究, 已成为今后的研究趋势和发展 方向之一。 另外, 探索激光隐身的新技术 、新方法, 积极开展新 的隐身机理, 也是今后的一个研究方向和热点 。 参考文献 1 Grissom M P .The ro le o f stealth in nav al aviatio n and joint/ combined opera tions[ R] .AD Report , AD-A240595 2 Neil Kacena G.S tealth :an example o f technolog y's ro le in the American w ay of w ar[ R] .AD Repo rt , AD-A328900 3 王自荣, 孙晓泉.光电隐身性能的表征概述[ J] .激光与红 外, 2005 ,(1):11 4 侯学光, 张晓光.可见光、激光、毫米波与红外的复合隐身技 术[ J] .航天电子对抗, 2003 ,(3):35 5 何毅.关于减小激光雷达截面方法的几点分析[ J] .激光与 红外, 1999 ,(2):77 6 付伟.飞机的光电隐身技术[ J] .航空兵器, 2001 ,(4):9 7 蒋耀庭, 简涛.激光物理和激光隐身技术[ J] .激光与红外, 2001,(4):195 8 张卫东, 冯小云, 孟秀兰.国外隐身材料研究进展[ J] .宇航 材料工艺, 2000 ,(3):1 9 Escouba s L A .An antireflectiv e silicon g ra ting wo rking in the resonance domain fo r the nea r infra red spectral reg io n [ J] .Optics Communicatio ns, 2003 , 226:81 10 胡传炘.隐身涂层技术[ M] .北京:化学工业出版社, 2004 11 马玉璞.舰用非金属隐身材料的发展[ J] .舰船科学技术, 2001 ,(2):28 12 Pusch, Gunte r.Camouflag e net having a semico n-duc tive lay er[ P] .US Pa t , 4621012.1986-11-04 13 谢国华.新型多频谱隐身材料及其应用研究进展[ J] .材料 导报, 2001, 15(2):48 14 王自荣, 余大斌, 孙晓泉, 等.激光与红外复合隐身涂料的初 步研究[ J] .激光与红外, 2001 ,(5):301 15 邓志杰, 郑安生.半导体材料[ M] .北京:化学工业出版社, 2004 16 王自荣, 余大斌, 於定华, 等.ITO 涂料在 8 ～ 14μm 波段红外 发射率的研究[ J] .红外技术, 1999 , (1):41 17 於定华, 叶熙源, 余大斌, 等.ITO 作填料的涂层光谱特性研 究[ J] .功能材料, 1999, (30):660 18 陈晓波, 张光寅, 宋增福.稀土化合物材料上转换发光与激 光的研究与进展[ J] .光谱学与光谱分析, 1995 ,(3):1 19 王春秀, 胡克良, 李福利.纳米 CeO2 的制备及其红外吸收性 能研究[ J] .激光与红外, 2006 ,(5):399 20 王春秀, 李福利.纳米晶 La2O3 的制备及其红外吸收特性的 研究[ J] .光谱学与光谱分析, 2006 ,(5):846 21 杨小兵, 丁松涛, 杨裕生 .近红外激光防护染料[ J] .有机化 学, 2002,(1):33 22 孙成才, 霍冀川, 雷永林, 等.近红外吸收功能菁染料的研究 进展[ J] .材料导报, 2006, (8):48 23 徐志伟.设想中的未来坦克[ J] .现代兵器, 1988,(12):3 24 周建勋, 胡江华, 皮德富 .红外与激光复合隐身[ J] .红外技 术, 1996,(5):23 25 王广民, 房红兵, 汪贵华, 等.地面武器的红外与激光隐身技 术[ J] .红外技术, 1998, (2):6 · 324 · 材料导报 2007 年 5 月第 21 卷专辑Ⅷ