地面武器系统智能隐身技术发展现状分析

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来源：《战术导弹技术》

作者：郭晓铛 郝璐

转自：海鹰资讯

信息化体系作战条件下，导弹发射车、装甲车、指挥车等地面武器装备系统从战前部署、进入战斗阵地、执行作战任务、系统撤收的全作战过程中面临严重的侦察探测及攻击威胁，威胁波段涵盖了可见光、红外及雷达波段。地面武器系统在机动作战过程中，行军路上战场背景种类复杂多变，背景环境光学反射、红外辐射、雷达散射特征等变化多端；同一地点的季节变更、气候转变、时间变化也会带来背景环境光学、红外及雷达特征的改变。现有隐身材料只针对单一背景、单一状态开展设计，存在着指定时间、指定地点隐身性能优异，地点、季节、时间等发生变化时，隐身性能大幅减弱的应用瓶颈问题，已难以满足高价值地面武器系统跨区域、全季节、多时段的隐身需求。因此，地面武器系统智能隐身技术作为新一代隐身技术应运而生，成为隐身技术未来重点发展方向。

本文瞄准地面武器装备系统的智能隐身需求，梳理智能隐身基本概念，围绕智能隐身技术原理和实现方法，梳理智能隐身技术发展现状，提出发展建议。

基本概念

1、基本定义

智能隐身技术是一种可自主感知、识别目标周围环境变化，并通过控制系统开展智能优化计算，调控目标光电特性实现隐身目的的技术。智能隐身技术可使目标与背景实时匹配或融合，消除或降低背景环境变化时目标表面与背景环境的光电及雷达特性差异，或使目标根据背景情况模拟民用车辆、生物等可迷惑敌方探测的物质，从而降低目标被探测、识别及打击的概率，进而提升目标战场生存能力。

2、基本组成

智能隐身技术是一项以智能隐身材料/器件为核心，集新型材料、目标特性分析、电子信息系统、计算机系统等多学科交叉复杂系统工程。智能隐身系统通常可由背景环境特性数据库、环境感知系统、信息处理系统、特征控制系统和特征显示系统等分系统组成。

图1 智能隐身系统基本组成

背景环境特性数据库是通过大量采集背景环境的光电信号，进行统计归类形成的典型背景环境特性数据库，用于控制系统分析调用；环境感知系统是完成环境特征信号提取的分系统，利用特定功能的传感器收集背景环境的光学反射特性、红外辐射特性和雷达散射特性，并通过电路将特征信号传递给信息处理系统；信息处理系统是将环境感知系统收集的目标特征信号进行降噪后信号放大等处理，并转化为计算机处理器可识别分析信号的分电路系统；特征控制系统可接收感知系统传递的数字信号，通过特征分析模块，对背景环境和典型背景环境的亮度、色彩、红外辐射、反射率等目标特性进行对比分析，并通过控制系统对特征显示系统进行控制；特征显示系统的主要是由智能隐身材料/器件，以及控制驱动电路组成，通过驱动电路给予智能隐身材料/器件调控输入，实现目标表面光电特征和电磁特性的转变。

智能隐身技术发展现状

根据针对的探测威胁频段分类，智能隐身技术可分为可见光智能隐身技术、红外智能隐身技术、雷达智能隐身技术，下面根据上述分类对智能隐身技术发展现状展开论述。

1、可见光智能隐身技术

可见光智能隐身技术的目的是降低车体与背景环境之间的亮度对比、色彩差别和反射特征差别，使目标始终保持色彩与亮度系数等考核指标与背景相融合，从而达到智能隐身的效果。根据实现机理的不同可分为主动景象隐身技术、人工电磁隐身技术和仿生变色技术。

主动景象隐身技术

主动景象隐身技术主要采用一种基于投影的技术，将目标背后或周围的景象呈现在目标前面，达到与背景完全融合的目的，是一种可见光智能隐身技术。其工作原理为将摄像-投影-显示等技术集成为一个系统，通过对隐身目标背后或周围的背景环境进行摄像，将采集的背景图像分解为图像信号后，通过光电转换系统转化为电信号，经处理后转化为存储或传输信号；重现图像时把电信号转化为图像信号，从而将背景影像实时投影到目标表面的显示系统上，造成背景前方没有物体阻挡的透明感。

日本于2003年进行的主动式光学景象隐身试验，即是通过投影仪再现背景图像达到透明隐身的效果。2011年英国BAE系统公司在CV90装甲车上加装“电子墨水”系统，通过将战车周围地形、颜色、线条和形状投射至战车，使战车表面图像随周围环境的变化实时发生改变，其概念图如图2所示。德国也曾在奔驰车上贴覆柔性发光二极管屏幕进行动态隐身演示，如见图3所示。这种基于显示背景的隐身理念，具有实时动态特性，技术较为成熟，但存在观测角度变化时，显示屏的图像与背景会存在位移差的问题。

图2 “电子墨水”可见光智能隐身效果示意图

图3 德国奔驰车柔性显示屏及隐身演示

仿生变色技术

自然界中动物们在千万年进化中形成了变色隐身本领，它们往往可感应背景更替、光刺激或温度改变，并通过控制皮肤的色素囊改变表皮颜色，使自身与背景融合。研究人员从章鱼、变色龙等变色机理得到启发并开展变色材料技术研究，根据作用机理不同研制出了热致、光致和电致变色材料技术。

热致变色材料是一类在一定温度范围内颜色和亮度随温度改变而改变的材料。光致变色材料是在一定的波长和强度的光作用下分子结构发生变化而引起对光的吸收峰值变化，导致颜色改变的材料。电致变色材料在直流电或交流电作用下，依靠电流和电场的激发产生颜色的可逆变化。以上三种材料的变色机理和主要材料种类在相关文献中有详细论述，本文不再进行说明。考虑实际变色效果及应用需求，热致变色材料和光致变色材料存在调控困难、变色范围有限等局限性，限制了其在智能隐身技术方向上的应用。电致变色的可取之处在于通过控制外加电流可以调节物质的变化颜色、变色速度、变色深浅等，使变色现象按照预定的模式进行，而电压的控制技术相对较容易实现。典型的无机电致变色和有机电致变色的器件结构如图4所示。

图4 电致变色器件结构原理示意图

美国休斯敦大学和伊利诺伊大学联合研究了热致变色的柔性“变色布”，该变色布将热敏材料置于最外层作为感温变色层，底层装设传感器，通过对应槽孔感知环境变化，夹层中安装加热片实现对材料颜色的控制。法国2014年欧洲国际防务展上展示的“多光谱活性皮肤”变色仿生隐身材料具有电致发光、电致反射和电致辐射等功能，可使目标如同“变色龙”动态变色模拟背景环境。南澳大学和巴斯大学Robert Brooke等2015年制备的基于PEDOT（聚乙烯二氧噻吩聚合物）的电致变色器件可不同电压条件下可实现绿色至红色的转变，且转换时间在1秒内，循环次数超过1万次。

图5 基于PEDOT和PTh/PPy的电致变色器件加压效果示意

人工电磁隐身技术

人工电磁隐身技术即通过人工电磁结构单元实现对电磁波的特殊响应，通过合理的设计可使入射波绕过目标，使得反射波为零，从而实现完美隐身。图6为隐身斗篷实物图及隐身效果。该斗篷由很多谐振单元周期性排列，将目标置于隐身斗篷内，可以使得电磁波绕过目标，实现隐身。可见光波段的人工电磁隐身在原理上与微波频段的人工电磁隐身技术相通。

图6 隐身斗篷实物及隐身效果图

2012年加拿大超隐形生物技术（HBC）公司在公司网站主页上发布了“量子隐形：军队隐身成为现实”的文章，首次介绍了“量子隐形”技术及计算机合成的隐身效果。“量子隐形”本质上为人工电磁隐身技术实现的光线曲绕，原理可行，但要使人工电磁结构弯曲可见光波段的光线，其周期结构单元必须在纳米量级，现有纳米材料的大面积制造及加工工艺尚未解决。

2、红外智能隐身技术

红外智能隐身技术的原则是保护目标与所处背景环境的红外辐射信息相一致，从而在红外探测器的作用下与背景环境融为一体。实现红外智能隐身的途径包括自主控温技术和变发射率技术。

自主控温技术

自主控温技术是通过控制目标表面温度实现对目标红外辐射特性控制的红外智能隐身技术，目前适用于自主控温技术的温控原理主要有相变控温法和电致变温法。

（1）相变控温法

相变控温法通过相变材料实现对目标表面红外辐射特征的控制。相变材料是指以潜热形式储存和释放能量的材料，其在物相变化过程中吸收和放出的热量，同时其自身温度保持不变。相变控温法解决红外智能隐身的难点在于相对固定的相变温度无法适应在大范围动态变化的背景温度，目前相变材料潜热仍不能完全满足军事装备红外隐身的大热量排放与存储需求。美国在2003年提出将相变微胶囊用于垂直起降飞机的底部涂层，以降低机腹温度，德国提出将相变温度调节技术进行单兵隐身服研制。

（2）电致变温法

电致变温法即通过控制电压或电流，实现目标表面热量转移，从而达到控制表面温度的目的。最典型电致变温器件为半导体制冷器，其变温原理是帕尔贴效应（Peltier effect）。如图7所示，在两片导热性良好的绝缘体材料中间夹有P型和N型半导体材料，P型、N型错落排开，两端由金属材料相连。当半导体制冷片两端加上电压时，由P型和N型半导体构成的热电偶对两端之间产生热量转移，热量从一端转移到另一端，产生温差形成冷热端；当电压反向时，热电偶对两端的热量转移发生转变，此时冷热端发生互换。冷热端的温度可随所加电压的不同而发生变化。

图7 半导体制冷原理

英国BAE系统公司研发的ADAPTIV自适应红外隐身系统，是基于电致变温法改变目标红外辐射强度，如图8所示。通过对温度进行实时控制，使其与背景相匹配或改变红外热成像图形状达到拟其他车辆红外信号的目的。2013年波兰防务公司和英国BAE公司联合研制的PL-01战车（图9）在采用外形融合设计的同时，外表面也应用了ADAPTIV隐身装甲。以色列Altix公司研发的“黑狐”红外自适应隐身系统也采用了同样的设计理念。电致变温法是现阶段红外自适应隐身中技术较为成熟的方法，具有体积小、调节精度高、温控范围大、装备兼容性好等特点，是目前实现红外辐射动态控制的主流方法。

图8 加装ADAPTIV红外智能隐身系统的装甲车

图9 波兰PL-01隐身战车

变发射率技术

变发射率技术是通过控制温度或电压等输入对目标表面的变发射率材料进行动态调节，从而改变目标红外辐射特性的一种红外智能隐身技术。根据发射率变化激励能力的不同，可分为热致变发射率和电致变发射率。

（1）热致变发射率技术

材料热致变发射率的机理有以下几种，一是在材料金属-绝缘体转变温度点附近晶体场调整，引发材料电子结构转变；二是温度改变导致体系内载流子浓度变化促使电子结构产生突变；此外，双交换作用也可引起电子结构变化等。发射率较大范围的变化往往是上述机理综合作用而得到。Mn、V、La等金属氧化物具有较显著的热致变发射率特性，通过掺杂其它元素可以对相变温度和发射率特性进行调节。

（2）电致变发射率技术

电致变下多元过渡金属氧化物正离子之间发生电荷迁移，形成同一元素的混合价结构，同时改变了材料的能带结构；另一方面，电子/阳离子注入会改变氧化物结构中载流子浓度，调节能带中费米能级所处位置，致使材料在金属/绝缘态和低/高发射率间实现可逆转变。常见的红外电致变发射率材料有导电高分子和W、V、Mo、Nb等金属氧化物。其中，三氧化钨（WO3）和聚苯胺具有良好的电致变发射率性能，具备较好应用前景。

美国陆军曾将导电高分子电致变发射率材料（PEDT/PPS）涂覆在士兵服装及武器装备表面，利用涂层在白天与夜间的红外发射率不同达到动态隐身的目的。美国佛罗里达大学和加利福尼亚大学在军方资助下对聚噻吩衍生物进行研究，设计了类似三明治结构的双聚合物基红外电致变发射率器件，具有优良的发射率变化特性，有望实现红外智能隐身。

3、雷达智能隐身技术

雷达智能隐身技术主要通过调节目标雷达特征信号，使其与背景匹配、融合，从而显著降低目标被SAR成像雷达探测、发现和识别的概率，提高战场生存能力。雷达特征信号的智能调节主要可通过两种途径实现：一为电磁参数可调的导电聚合物材料，二为基于主动频率选择表面（FSS）的可调雷达吸波体。

（1）电致变电磁参数调节技术

电致变电磁参数调节技术利用某些聚合物吸波材料在外加电压不同的刺激下，阻抗或介电常数具有可控性的特点，实现对电磁参数的调控。英国谢菲尔德大学研制了成分为PANi·HBF4，PEO（Poly(ethylene oxide)，Ag，AgBF4）的导电聚合物，其作用原理是：一旦为导电聚合物施加电压，聚合物会发生下列化学反应：

PANi·HBF4+Ag ↔ PANi+H0+AgBF4

其中，方程左边易导电，右边不易导电，施加电压后向易导电的方向发展，电磁参数发生变化。对于含40% PANi·HBF4的导电聚合物，施加电压后，反射率变化的时间小于100ms，说明该导电聚合物满足反应时间足够快的要求。图10为施加电压前后导电聚合物的反射率变化图。可应用电磁参数可调的导电聚合物来设计基于Jaumann原理的宽频雷达可调雷达吸波体，但其稳定性、调控范围仍有待进一步研究。

图10 施加电压后导电聚合物反射率变化

（2）基于主动FSS的可调雷达吸波技术

基于主动FSS的可调雷达吸波技术是建立在超材料（周期结构单元）电磁隐身技术上发展而出现的自主可调的吸波技术，其主要实现途径是在周期结构单元上增加主动PIN二极管，用以控制周期结构单元的阻抗。Chambers B和Berginc G于2001年提出了基于FSS的可调雷达吸波体的设计理念；英国Tennat和Chambers于2004年研究了用PIN二极管控制主动的FSS，能对9~13GHz频段的反射率进行有效的动态控制，实现了智能可调的雷达吸波结构；Osman Balci等2015年利用石墨烯制备的一种反射率、透过率和吸收率都可调的智能雷达吸波表面，如图11所示，可通过改变原子级别薄度电极的电荷密度来改变吸波性能，该装置可完美贴合平面和曲面。

图11 基于石墨烯的宽频智能雷达吸波表面及其曲面设计

大量研究结果表明，该技术具有可电控、快速响应、精确控制等特征，通过控制PIN二极管的栅流，可动态控制吸波体的吸波特性，但其吸波损耗机理研究还待加强，模型建立和分析的准确度有待提高。

结束语

智能隐身技术是隐身技术的发展趋势，是未来武器装备，特别是地面武器系统提高战场生存力，最大程度发挥作战效能的有力保障。目前智能隐身技术尚未能满足地面装备复杂战场环境下的应用需求，一方面对智能隐身的多频谱兼容问题关注极少，需开展可见光、红外、雷达智能隐身面层兼容设计;另一方面，智能隐身技术的调控精度、系统稳定性、调控时间等影响实际隐身效果的性能还需深入开展研究;此外，还需开展一体化系统集成设计，综合考虑能耗分配、接口设计和系统协调设计，实现智能隐身系统的低能耗、轻量化、小型化。

针对武器装备智能隐身技术的长期发展，应注重开展顶层设计，搭建武器装备智能隐身技术体系。首先，集中力量开展基础技术的研究和关键技术的攻关，确保智能隐身技术途径的有效性;其次，构建相关研究条件，提高智能隐身设计仿真计算能力，建立智能伪装试验平台及考核体系，做好相关支撑平台的建设;再者，需加强目标特性专业与隐身专业的融合共进，搭建目标与背景环境特性数据库;最后，智能隐身技术是一门多专业多学科的技术，需搭建多学科联合攻关平台，共同促进地面装备智能隐身技术的发展及应用。

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