DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2019)10-3007-06
國防科技大學電子對抗學院脈沖功率激光技術國家重點實驗室,安徽 合肥,230000國防科技大學電子對抗學院脈沖功率激光技術國家重點實驗室,安徽 合肥,230000國防科技大學電子對抗學院脈沖功率激光技術國家重點實驗室,安徽 合肥,230000國防科技大學電子對抗學院脈沖功率激光技術國家重點實驗室,安徽 合肥,230000國防科技大學電子對抗學院脈沖功率激光技術國家重點實驗室,安徽 合肥,230000
摘 要 為研究紅外低發射率隱身涂層對太赫茲波的反射特性，制備了紅外低發射率隱身涂料，測試了其可見光效果、紅外熱像圖及紅外發射率等特性參數。以土黃色紅外低發射率涂料為測試樣品，利用透射式太赫茲時域光譜系統獲得了樣品在太赫茲波段的復折射率。分析了特征矩陣理論，并利用特征矩陣理論計算了涂層厚度(0.3～0.5 mm)與入射角度(0°～60°)的變化對入射太赫茲波反射特性的影響。結果表明，在相應厚度及入射角度范圍內，太赫茲波在0.8 THz頻率下具有多個反射峰值，最高值可達90%以上，有利于實現太赫茲波對紅外低發射率隱身涂層下金屬目標的探測。此外，涂層厚度變化對入射太赫茲波反射率具有較大影響，涂層越厚，太赫茲波的反射振蕩越多，反射峰值越大。入射角度對太赫茲波的反射特性具有一定的影響，但整體影響不大，有利于太赫茲波實現多角度目標的探測。最后，以表面均勻涂覆0.42 mm厚涂料的金屬板為測試樣品，實驗測量了樣品在0.1～1.5 THz頻率范圍內的反射特性，并與部分理論計算結果進行對比。結果表明：實驗測量結果與理論計算結果在數值和趨勢上較為吻合，但也存在一定的偏差。究其原因，主要由樣品厚度和樣品參數誤差導致，但依然可利用特征矩陣理論研究紅外低發射率涂層對太赫茲波的反射光譜特性。
關鍵詞 紅外低發射率隱身涂層；太赫茲波;太赫茲時域光譜系統;特征矩陣理論;反射特性
紅外隱身技術是利用紅外偽裝材料、紅外煙幕等方式降低目標的紅外輻射特性，降低目標的可探測性，從而達到紅外隱身目的的一種隱身技術。針對紅外成像探測，可通過調整目標表面的紅外發射率，形成熱紅外迷彩效應，與背景紅外輻射相融合的方式，實現目標的紅外隱身。涂覆紅外低發射率涂層是一種可降低目標表面紅外發射率的有效手段，經過幾十年的發展，已廣泛應用于飛行器、軍艦和坦克等軍事目標中。
近十年來，太赫茲雷達在研究和應用上得到蓬勃發展，有望突破各種偽裝材料的限制，為探測隱身目標提供一種新的技術手段[1-2]。與紅外成像探測及激光雷達探測相比，太赫茲雷達探測具有諸多探測優勢，在軍事探測等領域具有廣闊的應用前景：(1)太赫茲波具有強穿透性，能夠穿透沙塵、紅外煙幕以及生物氣溶膠等物質，在惡劣環境下可探測敵方隱蔽的軍事目標，且具有全天候工作的優勢[3]。(2)與微波、毫米波雷達相比，太赫茲雷達發出的電磁波波長更短，帶寬更寬，具有探測精度高、抗干擾能力強、角分辨率高等特點，在探測隱身目標和精確制導方面具有更大的優勢。因此，針對太赫茲雷達具有的這些技術優勢，提出利用太赫茲波探測紅外低發射率隱身目標的可能性，為后續太赫茲雷達實現紅外隱身探測提供理論和技術支撐。
紅外低發射率涂料是實現目標紅外隱身的一種有效手段，其基本要求是實現可見光/近紅外與熱紅外波段的兼容偽裝，即同時滿足較低的熱紅外發射率和可見光/近紅外反射要求[4]。此類涂料一般均勻涂覆在高溫目標表面，目標表面即基底材料一般為高溫的金屬材料。目前，紅外低發射率涂料制成的紅外隱身涂層或紅外偽裝網在軍事上獲得了廣泛的應用，并不斷向多波段兼容方向擴展。
本文根據國軍標GJB 798—90中規定的可見光/近紅外偽裝涂料顏色要求，以不同比例的金屬鋁粉、酚醛樹脂粘合劑、三種著色顏料制備出紅外隱身涂料，顏色分別為土黃色、墨綠色和淺綠色，其可見光效果圖如圖1所示。
圖1 涂料的可見光圖像
Fig.1 Visible image of coatings
根據熱迷彩分割原理，不同顏色的紅外偽裝涂層具有不同的發射率，土黃色涂料、墨綠色涂料和淺綠色涂料分別具有由低到高的發射率。利用紅外熱像儀對3種涂料進行熱成像分析，獲得如圖2所示的測試結果。
圖2 不同顏色涂料的紅外熱像圖
Fig.2 Infrared thermography of different color coatings
圖2上面為淺綠色涂料，左下角為土黃色涂料，右下角為墨綠色涂料。獲得的土黃色涂料具有較低的發射率(發射率為0.51)，其次為墨綠色涂料(發射率為0.75)，淺綠色涂料具有最高的熱紅外發射率(發射率為0.95)，整體具有較好的熱紅外隱身效果。
土黃色涂料具有較低的紅外發射率，在對抗紅外成像探測過程中起到很好的效果。在下面的理論分析與實驗測試中，均以低紅外發射率的土黃色涂料為樣品進行測試，研究太赫茲波對紅外低發射率隱身涂層的反射特性。
紅外低發射率隱身目標是由紅外低發射率涂層和金屬表面組成?？紤]各層是均勻分布的，電磁波在多層復合結構中的傳輸可采用特征矩陣法[5]、平面波展開法和傳輸矩陣法等。與平面波展開法和傳輸矩陣法相比，特征矩陣法對入射電磁波在復合結構中的透射與反射光譜具有計算便捷的特點，故本文選用該方法進行傳輸特性研究。利用特征矩陣理論研究太赫茲波在復合介質中的傳輸特性時，必須知道各層材料的復折射率。而低發射率功能涂料是由多種物質混合組成，物質的成分和比例不同，其復折射率往往難以通過文獻資料獲得。
太赫茲時域光譜系統(Terahertz time domain spectroscopy,THz-TDS)的關鍵特征是可以有效地測量電磁波經過材料后透過系數的振幅和相位[6]，得到材料在太赫茲波段下的物理和化學信息，可用于提取材料在太赫茲波段的光學常數，如介電常數、復折射率等，在半導體材料[7-8]、電介質材料[9]、生物大分子(如DNA、蛋白質)以及超材料[10-11]等研究中具有重要作用。材料的光學常數不是常數，而是頻率的函數。通常，我們用材料的復折射率描述其宏觀光學性質，可表示為
(1)
其中，w為角頻率，n(w)為材料的折射率，描述材料的色散情況；k(w)為材料的消光系數，描述材料的損耗。本文采用透射式THz-TDS測量材料在太赫茲波段的光學參數，其結構示意圖如圖3所示[12]。
圖3 透射式THz-TDS結構示意圖
Fig.3 Assumption diagram of transmitted THz-TDS
在測試過程中，加充氮氣使樣品倉中的空氣濕度低于5%，利用中央空調對室內溫度進行調節，測試采用的紅外低發射率涂料樣品表面平行光滑，厚度為1.912 mm。該樣品的太赫茲時域光譜信號和頻域信號如圖4所示。
由圖4可知，太赫茲波在1.912 mm厚涂料中傳輸存在較大的光程差，且衰減大，主要原因是金屬鋁粉在太赫茲波段具有極大的折射率和消光系數。代入涂料的厚度，通過數據處理獲得涂料在0.1～1.5 THz頻率范圍內的復折射率，如圖5所示。從圖中可以看出，峰值表示太赫茲波在涂料中傳輸存在的衰減峰，特別是高頻波段土黃色涂料的消光系數更大，峰值更多。
獲得涂料在太赫茲波段的復折射率后，便可通過特征矩陣理論模型計算獲得紅外低發射率涂層對太赫茲波的反射特性[5]。假設電磁波以θ0入射到l層均勻混合物上，其結構示意圖如圖6所示。
圖4 土黃色涂料的太赫茲光譜圖
Fig.4 Terahertz spectrums of khaki-color coatings
假設電磁波入射到第k層介質面時，其電、磁場的切向分量分別為Ek和Hk，入射到下一層的電、磁場的切向分量分別為Ek+1和Hk+1，他們之間的數值滿足如下關系式
(2)
式中，Mk為第k層的特征矩陣，數值表示為
(3)
式中，dk為第k層介質的厚度，nk為第k層的折射率，θk為光波在第k層介質中的折射角。由式可知，特征矩陣Mk由第k層的厚度、折射率及入射角度決定。該結構共由l層組成，其總的特征矩陣可表示為
(4)
可改寫為一個2×2的矩陣形式
(5)
當電磁波從最上面一層傳輸到最下一層時，可獲得入射電磁波的反射率R、透過率T分別為
圖5 土黃色涂料在0.1～1.5 THz頻段內的折射率與消光系數
Fig.5 Complex index of refraction of khaki-color coating in 0.1～1.5 THz band
圖6 多層復合材料結構示意圖
Fig.6 Schematic diagram of multi-layer composite structure
(6)
(7)
實際應用中，不同顏色或不同紅外發射率涂料常均勻涂覆在軍事目標表面，而目標表面通常由金屬物質構成，入射太赫茲波不能穿透，故一般以入射太赫茲波的反射特性來研究太赫茲波對此類隱身目標的探測可行性。由特征矩陣理論可知，涂層對太赫茲波的反射特性受到其厚度和太赫茲波入射角度的影響。
首先考慮厚度變化對太赫茲波反射特性的影響。研究表明，涂覆于軍事目標表面的紅外低發射率隱身涂層的厚度一般在500 μm內，超過此厚度則紅外隱身效應不明顯，且重量較大不利于實際應用。根據透射式THz-TDS測量獲得的涂料光學參數，假定太赫茲波垂直入射到表面光滑的偽裝涂層，以厚度間隔40 μm，涂層厚度從300～500 μm遞增，計算偽裝目標對太赫茲波的反射率，如圖7所示。
圖7 涂層厚度對太赫茲波的反射率影響
Fig.7 Reflectivity influence of terahertz wave carried by coating thickness
如圖7所示，不同厚度的紅外低發射率涂層對入射太赫茲波均具有多個反射峰值，且太赫茲波在0.1～1.5 THz范圍內均存在不同程度的振蕩，涂料對入射太赫茲波產生了一定的諧振吸收作用，且頻率越低，其振蕩幅度越大。究其原因，主要是由于金屬的沉淀效果，使表面涂覆的紅外低發射率涂料上下表面復折射率存在一定的差異，且涂層厚度為300～500 μm，具有與太赫茲波波長相比擬的厚度，導致諧振吸收作用得以產生。隨著涂層厚度的增加，太赫茲波的振蕩增多，反射峰值增大，且峰值頻率逐漸左移。在0.8 THz范圍內，其反射峰值均大于50%，具有探測此類偽裝目標的可行性。在0.8～1.5 THz范圍內，涂層對太赫茲波的反射較低，不利于太赫茲波對此類偽裝材料的探測。
隨后，對太赫茲波入射角度變化產生的反射特性影響進行計算研究。假定涂覆在金屬板上的紅外低發射率涂層厚度為400 μm，間隔為10°，入射角度從0°增大至60°(入射角度大于60°時，反射角與入射方向偏離過大，不利于實現雷達探測)[13]，計算結果如圖8所示。從圖8可以看出，隨著入射角度的增大，其反射峰值稍有減小但幅度不大。當入射角度為60°時，在0.8 THz頻率范圍內多個反射峰值均處于40%以上，最高可達90%。在高頻范圍內，其存在較低的反射振蕩，不利于太赫茲波對此類偽裝材料的探測。
圖8 入射角度變化對太赫茲波反射率的影響
Fig.8 Reflectivity influence of terahertz wave carried by incident angle
通過涂層厚度與入射角度的變化對入射太赫茲波反射特性的研究，獲得0.1～1.5 THz頻率范圍內目標對太赫茲波的反射率。結果表明，此類紅外低發射率隱身目標在太赫茲波段存在多個反射峰值，且最高反射率可達90%以上，可利用太赫茲雷達實現此類偽裝目標的有效探測。
為驗證該理論模型的準確性，采用反射式THz-TDS對涂覆有紅外低發射率隱身涂料的金屬鋁板進行實驗測試，獲得目標表面對0.1～1.5 THz頻段的太赫茲波反射特性。資料顯示，紅外低發射率涂層厚度一般不超過0.5 mm。實驗制備某金屬鋁板表面涂覆的紅外低發射率涂料平均厚度為0.42 mm。設備采用30°入射的樣品臺，太赫茲波以30°的入射角度斜入射到目標表面，獲得其在相應入射角度下的太赫茲波反射率，并與相應厚度及入射角度的理論計算結果進行對比，結果如圖9所示。
由圖9可以看出，實驗測量結果與理論計算結果在數值和趨勢上較為吻合，但也存在一定的偏差。從對比結果看，太赫茲波在0.1～1.5 THz范圍內均存在不同程度的振蕩，涂料對入射的太赫茲波產生了一定的諧振吸收作用，且頻率越低，其振蕩幅度越大。在0.8 THz以下，實驗測量結果總是低于理論值，且存在較大的周期性振蕩。而在高于該頻率的太赫茲波范圍內，兩者處于較低水平，反射率在20%～30%左右，實驗測試結果略高于理論計算結果。這主要是在測試過程中，由于系統在高頻波段信噪比較差，導致反射信號大部分淹沒在系統噪音中。在0.1～0.8 THz頻率范圍內，太赫茲波在涂層中上傳輸存在數個反射峰值，且均在40%以上，最高反射率達到80%以上，這為利用太赫茲波實現該類紅外隱身目標的探測成為可能，彌補紅外探測系統的不足。
圖9 理論計算與實驗測試結果對比
Fig.9 Comparison between theoretical calculation and experimental test
對比實驗測試和理論計算結果，在低頻段峰值位置和峰值大小存在一定的偏差。分析實驗測試和理論計算過程，獲得如下幾方面的原因：
(1)理論計算時認為太赫茲波在光滑平整的涂料表面進行，而實驗測試采用的樣品由于表面存在一定的粗糙度，太赫茲波以漫反射在涂料中傳輸，一部分反射光向不同方向彌漫，導致接收的反射光存在一定的衰減。
(2)理論計算與實驗測量選用的紅外低發射率涂層樣品之間存在一定的差異。理論計算時認為樣品為均勻介質，而在涂層樣品的實際制備過程中，由于重力的作用，金屬填料鋁粉在酚醛樹脂粘合劑中存在沉降，致使涂料出現分布不均勻的現象。由于鋁粉具有較大的密度，較多的鋁粉沉降在涂料的下半部分。上半部分的金屬鋁粉含量較少，也是導致太赫茲波在實驗測量中獲得的反射率低于理論計算的結果。
(3)涂層不同區域處的厚度誤差對測量結果也存在一定的影響。根據特征矩陣理論，電磁波在介質中的傳輸特性與各層厚度緊密相關。在制備紅外低發射率涂層過程中，實現涂層各區域具有一致的厚度是相當困難的，而實驗采用的反射式THz-TDS的太赫茲入射脈沖光斑尺寸為22 mm，致使涂層不同位置處的反射特性并非完全一致，對實驗測試產生一定的誤差。
利用透射式THz-TDS獲得了紅外低發射率涂料在太赫茲波段的復折射率，采用特征矩陣理論模型計算了不同涂層厚度及入射角度下偽裝目標在0.1～1.5 THz頻率范圍內的反射率。結果表明，當涂層厚度為300～500 μm時，太赫茲波在0.8 THz頻率下具有多個反射峰值，最高值可達90%以上，有利于實現太赫茲波對紅外低發射率隱身目標的探測。隨著入射角度的增大其反射峰值降低但降低幅度不大，最高值均可達90%以上，有利于實現太赫茲雷達的探測。最后，利用反射式THz-TDS測試了太赫茲波對420 μm厚涂層的反射率，并與理論計算結果進行對比，驗證了利用太赫茲波實現紅外低發射率隱身目標探測的可行性。
