隐身材料红外光谱特性评价方法改

隐身材料红外光谱特性评价方法华兰冀克俭周彤邓卫华（中国兵器工业集团第五三研究所，济南250031）摘要：对隐身材料光红外谱特性评价方法展开了综述。

分别介绍了近红外分光光度计光谱反射率测定方法、热红外成像技术、热红外发射率测定方法以及高光谱成像方法。

通过人工绿与自然绿色物体的光谱反射率实验提出了近红外隐身材料与实际地物背景存在的差异及其需要改进的技术。

关键词：隐身材料红外光谱特性评价红外隐身技术主要是通过降低或改变目标的红外辐射特征来实现目标对红外系统的低可探测性，具体措施包括改进热结构设计、对主要发热部件进行强制冷却、表面涂覆红外隐身涂料、使用红外伪装网和遮障等。

随着红外隐身技术的发展与应用，对各种红外隐身技术的隐身效果评价方法研究已成为军事红外技术中新的研究热点。

在各国军事领域中，对红外隐身技术的研究已经开展了约30年，现有研究成果主要集中在利用红外成像系统对目标及背景进行探测，形成红外热图像，并通过人眼对目标进行发现或识别以得出主观结论的经验方法、测定红外隐身材料热辐射特性的算术方法以及基于红外目标可探测性模型的计算机模型方法。

以上方法均有其优缺点，但目前尚未有一种适合于军事工程应用并能客观、准确、简便、快速地评价红外隐身效果。

1 隐身材料光谱特性评价方法1.1 野外条件下近红外伪装检测现有的近红外伪装检测器材在野外条件下有一定的局限性，基于对自然绿色与人工绿色的光谱差异进行的分析，结合绿色检验镜的检测原理，赵会超等〔1〕在绿色检验镜光谱透射特性检测原理的基础上提出了在野外条件下窄波滤光片的近红外伪装检测方法，验证了其检测效果，探讨了其在军事上的应用。

由于自然绿在近红外区反射很大，而一般的人工绿则反射很小。

因此提出采用窄波滤光片的方法。

根据自然绿色和人工绿色的光谱反射曲线的不同，在滤光片的制作中选择一系列的波段，做成不同波段的滤光片，然后对人工绿色和自然背景进行照相，通过对比其效果来进行检测。

检测近红外伪装效果是使其在数码相机上成像，通过观察照片效果就可以很明显地看出目标在近红外区的反射情况。

1.2 热红外照相机热红外伪装材料是指用于减弱武器系统热红外特征信号，以达到伪装技术要求的材料。

热红外伪装材料具有阻隔武器装备热红外辐射的能力，同时在大气窗口波段内具有低的红外发射率。

按照作用原理，红外隐身材料可分为控制发射率和控制温度两类。

军事伪装通常采用迷彩变形方法，三色或四色迷彩涂料具有不同的热红外发射率，使目标在热图中呈现灰度不同的斑点，从而分割目标外形，造成敌方识别困难。

实际背景中，绿色植被与裸露土壤都具有较高的发射率，但在阳光照射下，绿色植被由于蒸腾作用、光合作用等，表面温度较低，呈暗色调；而传统迷彩涂料在阳光照射下升温迅速，热红外特征明显。

在美军自动化热红外隐身计划SCI114中〔2〕，为了研发适应某种背景模型的隐身模型，采用计算机辅助设计技术，将背景形态与条件的变化加以综合考虑，它涉及到背景选取、实验装备、材料表征、野外实验数据分析、热隐身模仿、诊断模板等理念。

这一技术的难点在于所设计的模型必须在各种不同背景条件下表现良好，可用于计算机来优化隐身模式，从而不断开发针对某种地形背景的隐身方式。

SCI114计划的第一步是研发能够从特殊背景来创立模型的专业系统，有效模型建立在空间和光谱算法基础之上。

采用的设备有：（1）AGEMA 570 照相机(AME003-00) 光谱范围8 ～12 μm.；（2）MERLIN NIR 照相机(AME052-00)；（3）计量工作站GEÓNICA (AME018-00), 其中包括风速计标板JOUNG (AME018-01)、温湿度探测器GEÓNICA (AME018-02)、Piranometer THEMBRECHT (AME012-03)；（4）寄存器数据采集器HP 34970 A (AME038-00), 其中包括K系8位热电耦，温度范围：–200～1100ºC。

1.3 傅里叶红外光谱仪总装工程兵科研一所王海燕等〔3〕采用PE公司GX-Ⅲ型傅里叶红外光谱仪。

尽管FT方法实现了快速辐射测量，但还存在以下几个方面的误差：(1)被测辐射体与已知标淮黑体温度的稳定性和一致性。

采取循环水的解决办法，并且可降低背景噪声。

(2)大气中和的吸收。

采取双光路，参比与样品相互抵消。

GX-Ⅲ型傅里叶红外光谱仪为单光路仪器，具有扣除背景中水和二氧化碳的功能。

(3)黑体空腔的发射率达不到理想黑体。

采取给出修正因子加以解决。

(4)背景与仪器都会发射干扰噪声。

采取循环水或用液氯对探测器致冷，提高信噪比。

GX-Ⅲ型傅里叶红外光谱仪外配红外显微镜，由于红外显微镜与光谱仪检测器不同，灵敏度增高，因此还可以通过利用红外显微镜检测器，提高性噪比。

1.4热红外发射率光谱的测定中国科学院遥感应用研究所遥感信息科学重点实验室肖青等〔4〕研究了热红外发射率光谱的野外测量方法与土壤热红外发射率特性，基于光谱平滑的温度／发射率迭代算法，提出热红外发射率光谱的野外测量与反演方法。

河北大学物理科学与技术学院杨景发等〔5〕设计了粉体材料的法向光谱发射比测试系统, 采用“单光束比较辐射度量法”测量材料的法向光谱发射率的原理和系统设计方法，改进、设计制作了黑体炉、样品炉、斩波装置、扫描装置和A／D转换系统，用VC++完成了“法向光谱发射比测试系统中文操作软件”的编写，利用此系统测量了涂料样品的法向光谱发射率。

采用的是广泛使用的“单光束比较辐射度量法”，这种方法保证了样品光束和比较黑体光束经同一光路，有相同的光程长度和衰减损耗。

“材料的法向光谱发射比测度系统”主要有6部分组成：棱镜单色仪主机、辐射源、调制系统、探测器、扫描装置、信号的采集与处理、计算机等部分组成，原理框图见图1。

Leonard M Hanssen〔6〕设计1～18 μm范围的方向半球红外反射率测定装置，测定了金漫反射体的方向半球反射率，在1～18 μm范围内，其扩展不确定度0.02。

Leonard M Hanssen 〔7〕设还计了一种与积分球装置联用，测定了镜面试样的透过率和反射率，在（2 ～18）μm范围内，其扩展不确定度小于0.003。

1.5高光谱成像总装工程兵科研二所刘凯龙等〔8〕根据光谱揭露伪装的检测机制分析，对伪装材料及应用背景的紫外、可见光、近红外波段光谱反射特征进行了研究，探索试验目标光谱模拟伪装材料的检测技术，经光谱特征选择及空间降维处理，建立特征参数的判别函数，确定判别规则。

针对多类判别和谱空间模式重叠的情况，提出数学分析模型及统计计算和判别效果检验相结合的光谱特征检测新方法。

探索适合区分人工目标与背景光谱的最佳分类特征和判别函数。

高光谱成像数据包括空间、辐射和光谱三重信息。

需要分析目标的位置和形状等空间几何特征、目标与背景的谱亮度差别等辐射特征以及表面材料的光谱特征。

高光谱目标伪装检测是一个光谱模型分析、统计计算和判别效果检验相结合的综合过程。

Marbach[9] [10]提出一种新的多变量光谱数据校正高光谱解析方法。

1.6近红外分光光度计反射率测定傅里叶变换分光光度计朱仲良〔11〕等以固体漫反射光谱仪为研究手段，通过定性和定量两种方式探索固体紫外—可见漫反射光谱在有机染料、无机氧化物和生物介质方面的应用；探索了近红外漫反射光谱在军工材料方面的应用。

为紫外—可见和近红外漫反射光谱在各种固体材料上的应用积累了经验。

在有机染料的研究中，以食用苋菜红和食用亮兰合成色素为研究对象，研究了固体染料的浓度和反射率之间的关系。

研究发现，单组分色素的浓度和Kubelka-Munk(K)函数，反射率R和反射吸光度A之间均存在较好的线性关系，其中K函数和浓度之间的线性关系最好；双组分色素浓度与反射率之间通过主成分回归法(PCR)建立模型，以测定未知样品的反射率来预报未知样浓度。

在对无机氧化物(氧化铁)的研究中，以直接混合法合成了不同氧化铁掺杂浓度的二氧化硅材料。

研究发现，不同氧化铁的掺杂浓度对掺杂二氧化硅的可见漫反射光谱有较大影响，通过定量实验可以得到氧化铁掺杂浓度和漫反射光谱的标准曲线，为测定催化剂(如二氧化硅)中有色金属的含量提供参考。

在生物介质的研究中，主要以处于不同季节不同生长周期的银杏叶为研究对象。

定性分析了银杏叶的特征漫反射光谱及在其生长过程中的漫反射光谱的变化，研究发现银杏叶的反射率R在5月至7月期间逐步降低，而反射吸光度A则在增加，且5月至7月期间的变化最为显著。

用近红外漫反射光谱检测了高反射率材料和普通反射材料的近红外漫反射光谱，结果发现，高反射率材料的近红外漫反射光谱明显高于普通材料。

为军工材料中的高反射率材料的反射性能研究提供了一条非常有利的参考依据。

笔者近年来对所搜集的部分人工绿（涂料）与自然物体（植物）的近红外光谱发射率进行了对比实验，测试结果见图2。

40060080010001200140016005101520253035404550556065707580857654321R ，%λ,n m图2 人工绿与自然物体的光谱反射率曲线1-涂料A ，2-涂料B ，3-涂料C ，4-冬青树叶，5-萁萁菜叶子，6-苦菜叶子，7-涂料D从图2人工绿与自然物体的光谱反射率曲线对比可以看出，自然绿光谱反射率特征具有如下3个特点：（1）在波长680 nm 处反射率最低值，对应光谱强烈吸收;（2）在波长550 nm 处有反射率峰出现，对应光谱吸收非常弱；（3）在波长550～680 nm 之间光谱反射率斜坡式下降。

而人工绿则在波长680 nm 处反射率无最低值，在波长550 nm 处有反射率峰不明显，在波长550～680 nm 之间光谱反射率斜坡式下降不明显。

因此上述3点可以区别人工绿与自然物体,这也是近红外隐身材料需要改进的一点。

1.7 其它方法解放军军械工程学院黄峰等〔12〕提出了一种基于图像灰度相关算法的红外隐身效果评价方法，通过对隐身前后目标图像的相关处理，以相关峰的峰显著系数、峰与相关能量比和峰与背景比这3个量化指标衡量红外隐身装备所能达到的隐身效果。

采用人眼对红外热图进行判识的统计结果来确定红外隐身概率中各参量的统计权重，从而使计算机图像处理方法所得结果与实际人眼的主观判识结果一致。

实验结果表明，此方法适用于对地面典型军事目标的红外隐身效果进行客观评价，所采用的相关峰三参量检测方法避免了单纯对相关峰取阈在判别图像相似性上容易出现的误判，同时采用人眼对大量隐身前后红外目标图像的判读实验的统计结果来确定红外隐身概率中各参量的统计权重，从而使计算机图像处理方法所得结果与实际应用中人眼通过红外系统观察目标的主观判识结果相一致。

这种红外隐身效果评价方法既克服了以往依靠人眼判读主观经验方法的不足，在技术难度和计算量方面又明显优于计算机模型方法，经大量实验证明具有较强的实用性；其中对相关峰三参量统计权重的确定还依赖于人眼的主观判识经验，达不到完全的客观评价，且与人眼视觉特性有关，原理复杂，有待进一步研究。