光子学报, 2021, 50 (1): 59, 网络出版: 2021-03-12  

光子晶体红外隐身薄膜在车辆引擎舱表面应用研究

Application of Photonic Crystalline Infrared Stealth Films on Surface of Vehicle Engine Compartments
刘彪 1,2,3时家明 1,2,3吕相银 1,2,3陈宗胜 1,2,3,*李志刚 1,2,3
作者单位
1 国防科技大学 电子对抗学院 脉冲功率激光技术国家重点实验室, 合肥230037
2 红外与低温等离子体安徽省重点实验室, 合肥30037
3 先进激光技术安徽省实验室, 合肥2007
摘要
为了研究实际应用场景下光子晶体薄膜的红外隐身效果,选择具有中、远红外隐身性能的光子晶体薄膜和低发射率薄膜,以某吉普车的引擎舱为研究对象,分析了贴附薄膜后目标的自身辐射和反射环境的辐射对隐身效果的影响。设计并制备了一种具有中、远红外隐身效果的光子晶体薄膜,分别于白天和晚上在室外进行实验,测试了光子晶体薄膜以及低发射率薄膜对引擎舱隐身效果的影响。研究结果表明,太阳辐射对光子晶体薄膜中、远红外隐身效果影响较小,且光子晶体薄膜能够更好地实现目标与背景融合,综合来看光子晶体在中、远红外隐身效果优于低发射率薄膜。
Abstract
In order to study the infrared stealth effect of photonic crystal films in practical application scenarios, photonic crystal films and low emissivity films with mid- and far-infrared stealth performance were selected, and the engine compartment of a Jeep was taken as the object of study to analyze the effects of self-radiation and radiation from the reflected environment on the stealth effect. A photonic crystal film with mid- and far-infrared stealth effects was designed and fabricated, and then the effects of the films on the stealth effect of the engine compartment were tested during daytime and nighttime, respectively. The results show that solar radiation has less influence on the mid- and far-infrared stealth effect of photonic crystal films, and that photonic crystal films can better achieve object and background fusion. The work demonstrates that photonic crystals are better than low emissivity films in mid- and far-infrared stealth.

0 引言

红外探测技术能够有效提高目标的探测识别能力,并且能够克服不良气候条件、低能见度等因素对目标侦察带来的影响,随着红外探测技术以及红外制导**的不断发展,飞机、坦克、导弹等重要**目标的红外防护要求也在不断提高1。因此以降低目标红外辐射强度和削弱敌方探测效能为宗旨的红外隐身技术受到了各**强国的重视2,目前红外隐身的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, 表面涂覆红外隐身材料, 使用红外伪装和遮蔽等3

光子晶体是指不同介电常数的材料在空间中周期性分布而具有光子禁带的新型材料,光子禁带意味着处于禁带频率范围内的电磁波不能在光子晶体中传播,处在禁带频率范围外的电磁波则可以传播,光子晶体这一特性在隐身领域逐渐被应用并取得了不错的效果4-7。目前,研究人员对光子晶体在红外辐射特性的调控、光子带隙的展宽、多波段兼容隐身以及自适应隐身等方面8-12做了大量的研究,均取得了一定的突破。但是,对光子晶体薄膜红外隐身性能的研究大多停留在室内或简单热源目标上,没有对真实目标展开实验研究,在真实环境中需要考虑环境辐射、目标结构以及与背景融合等问题。因此,需要进一步研究光子晶体薄膜在实际场景中的红外隐身性能。

为了进一步验证光子晶体薄膜的红外隐身性能,本文设计并制备了一种具有中、远红外兼容隐身效果的光子晶体薄膜,选取了一种低发射率薄膜进行对比试验,用傅里叶变换红外光谱仪测得两种隐身薄膜的光谱曲线,然后将光子晶体薄膜与低发射率薄膜贴附在某吉普车引擎舱表面,分别在室外的白天和晚上进行红外隐身实验,得到两种实际情况下的隐身效果。结合室外环境的红外辐射特征,研究室外环境对光子晶体薄膜中、远红外隐身性能的影响。

1 理论基础

1.1 光子晶体理论

一维光子晶体的光学特性一般利用传输矩阵法13-14进行研究。电磁波通过多层介质材料时,每一层介质都可以等效为一个传输矩阵,其传输矩阵可以表示为

Mi=cosδijsinδi/ηijηisinδicosδi

式中,ηi为第i层介质的阻抗,δ为位移,其表达式为

δi=2πλnidicosθiηi=ni/cosθi   TMnicosθi    TE

式中,dini分别表示第i层的厚度和折射率;θi表示第i层的折射角,由Snell定律可知

nisinθi=ni-1sinθi-1==n0sinθ0

对于由k层介质构成的光子晶体结构,可以看做是k个传输矩阵的级联,总传输矩阵为

M=i=1kMi=m11m12m21m22

因此入射光的反射率为

R=m11+ηk+1m12-η0-1(m21+ηk+1m22)m11+ηk+1m12+η0-1(m21+ηk+1m22)2

透射率为

T=4Re(ηk+1η0)m11+ηk+1m12+η0-1(m21+ηk+1m22)2

吸收率为

A=1-R-T

根据以上公式可以计算出光子晶体薄膜在特定波段的反射光谱。

1.2 辐射出射度与表面温度、发射率以及环境因素的关系

当目标处于背景中时,由于目标与背景之间有温差,目标与背景之间会进行热交换。车辆引擎舱作为整车温度较高部位,通常与背景之间有较大的温差,当在引擎舱表面使用红外隐身薄膜时,薄膜表面的温度控制方程为

ρcρTt=xaTx+yaTy+zaTz+Q

式中,T为车辆表面温度;ρ为车辆内部材质的密度;cρ为车辆材质的比热容;Q为车辆内部内热源的强度;a为材质的导热系数(假定引擎舱表面的材质各向同性且均匀分布即将该系数视为常数)。

引擎舱内表面边界条件为

-λTd|d=l=haTin-T'

式中,ha为引擎舱内部空气对流系数;Tin为引擎舱内部空气温度;T'为引擎舱内表面温度;l为引擎舱某一部位的上表面到下表面的距离。

薄膜表面的边界条件为

λTd|d=0=αsunEsun+αskyEsky-εfσTf4+hs(Tair-Tf)

式中,Esun为太阳辐射能量;αsun为薄膜表面对太阳辐射的吸收率;Esky为天空辐射能量;αsky为薄膜表面对天空辐射的吸收率;εf为薄膜表面的平均发射率;Tf为薄膜表面的温度;Tair为车辆上表面空气温度;hs为薄膜上表面等效空气对流系数;σ为玻尔兹曼常数。

引擎舱表面的辐射出射度为

Me=λ1λ2ελc1λ51exp (c2/λT)-1+1-ελ·Eλ1-λ2·dλ

式中,Eλ12为引擎舱表面接收在波长λ12范围内的环境辐射照度,包括太阳、天空和地物的辐射照度;ελ为引擎舱表面在λ12波段范围内的光谱发射率;c1=3.741 5×108 W·μm4/m2c2=1.438 79×104 μm·K。

通过以上分析可以得出:引擎舱表面的辐射出射度与表面温度、表面发射率和环境辐射(包括太阳辐射、大气辐射以及地面辐射)密切相关。在实际应用中通过改变表面发射率来实现目标与背景的融合,从而达到良好的红外隐身效果。本文就光子晶体薄膜在引擎舱表面的红外隐身应用展开研究,对比现有的低发射率薄膜,研究结果表明光子晶体薄膜具有更好的红外隐身效果,对光子晶体薄膜的推广应用具有指导意义。

2 光子晶体薄膜的设计与制备

选择常用红外材料Ge(nGe=4.14)和ZnSe(nZnSe=2.42)分别作为高折射率材料和低折射率材料,根据传输矩阵法和异质结构法设计一种光子晶体薄膜,膜系结构可以表示为{Sub|(A1B14A1(B2A25|Air},其中A1、A2分别表示厚度为675 nm、240 nm的Ge材料,B1、B2分别表示厚度为1 250 nm、440 nm的ZnSe材料,其中Sub表示基底,Air表示空气15-16

图1为设计的光子晶体薄膜结构示意图,通过理论计算,得到该结构光子晶体薄膜的反射光谱曲线如图2所示。从反射光谱曲线可以得出,该光子晶体薄膜在3~5 μm波段的平均光谱反射率为0.92,在8~14 μm波段的平均光谱反射率为0.94。由于该薄膜在中、远红外波段具有高反射率,所以理论上该薄膜具有良好的中、远红外隐身效果。

图 1.

Fig. 1. Structure of the designed photonic crystal

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图 2.

Fig. 2. Theoretical reflectance curves of photonic crystal

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按照图1所设计的薄膜结构,选择聚丙烯腈(俗称腈纶)作为基底,其中聚丙烯腈的折射率为1.4,厚度为0.5 mm,采用真空电子束蒸镀法17,在镀膜机上制备光子晶体薄膜。

用傅里叶变换红外光谱仪测量所制备光子晶体薄膜的反射光谱曲线,结果如图3所示。从反射光谱曲线可以得出,该光子晶体薄膜在3~5 μm波段实际的平均光谱反射率为0.83,在8~14 μm波段实际的平均光谱反射率为0.76,与理论设计值相近。

图 3.

Fig. 3. Practical reflectance curves of photonic crystal

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为了验证光子晶体薄膜在实际工作条件下的隐身性能,选取了一种低发射率薄膜作为对比,同样用傅里叶变换红外光谱仪测量该低发射率薄膜的反射光谱曲线,结果如图4所示。该低发射率薄膜在3~5 μm波段的平均光谱反射率为0.84,在8~14 μm波段的平均光谱反射率为0.85。

图 4.

Fig. 4. Practical reflectance curves of low emissivity film

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3 车辆引擎舱隐身效果实验

利用中、远红外热像仪分别在白天和晚上测试了使用两种隐身材料后引擎盖表面的辐射温度,计算了贴附薄膜前后辐射温度之差,并分析引擎舱表面与背景融合程度。测试使用的中红外热像仪的型号为FLIR SC7000,其工作波段为3.7~4.8 μm,使用的远红外热像仪的型号为Jenoptik varioCAM,其工作波段为7.5~14 μm。具体测试步骤为:

1)驾驶吉普车半个小时后停放在热像仪视场中。

2)用中、远红外热像仪拍摄吉普车引擎舱的红外热图像,如图5(a)、(c),图6(a)、(c)所示,引擎舱的辐射温度用T1T1'表示、背景(草地)辐射温度用T2T2'表示。

图 5.

Fig. 5. Mid-infrared thermal image of engine compartment

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图 6.

Fig. 6. Mid-infrared thermal image of engine compartment

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3)将光子晶体薄膜和低发射率薄膜分别对称贴附在吉普车引擎盖两侧,用中、远红外热像仪拍摄吉普车引擎舱的红外热图像,如图5(b)、(d),图6(b)、(d)所示,贴附光子晶体薄膜后表面辐射温度用T3T3'表示、贴附低发射率薄膜后表面辐射温度用T4T4'表示。

外场实验时的气象条件为:14:00测试场地气温为31℃,晴天无云,风速小于2 m/s;21:00测试场地气温为22℃,风速小于2 m/s。

3.1 中红外隐身效果对比

图5(a)、(b)为14:00贴附待测薄膜前后吉普车引擎舱的中红外热像图,图5(c)、(d)为21:00贴附待测薄膜前后吉普车引擎舱的中红外热像图。

图5(a)、(c)中可以看出,引擎舱作为热源,在中红外热像仪观察下亮度较高,很容易被敌方的探测装置发现;从图5 (b)、(d)中可以看出,在引擎舱上贴附光子晶体薄膜和低发射率薄膜后,引擎舱的亮度均有所下降,在白天,光子晶体薄膜的亮度要明显低于低发射率薄膜,在夜晚,两薄膜的亮度大致相同。

用中红外热像仪记录贴附光子晶体薄膜和低发射率薄膜后表面的辐射温度,引擎舱表面以及背景的辐射温度,记录数据时用一定区域内的平均辐射温度作为该区域的辐射温度,并计算了两种薄膜表面与引擎盖表面的辐射温差。将数据记于表1中,温度单位为摄氏度(℃)。

表 1. 中红外实验数据

Table 1. Mid-infrared experimental data

TimeThe surface of engine compartment T1/℃Background T2/℃After attaching the photonic crystal film T3/℃After attaching the low emissivity film T4/℃T1-T3/℃T1-T4/℃
14:0051.3538.8141.3146.7510.044.60
21:0021.2017.9517.1417.554.063.65

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表1可得,贴附光子晶体薄膜和低发射率薄膜后均可以减小引擎舱表面的中红外辐射温度,但贴附光子晶体薄膜的降温程度要大于贴附低发射率薄膜的降温程度,在白天表现得更为明显,白天贴附光子晶体薄膜后表面的辐射温与贴附前相差10.04℃,贴附低发射率薄膜前后的辐射温度相差4.60℃,晚上前者辐射温差为4.06℃,后者辐射温差为3.65℃。出现此现象的原因为:太阳辐射在中红外波段占较大比重,分析此波段目标的红外辐射特性时不能忽略太阳辐射的影响,太阳光照在两种薄膜表面形成了漫反射且会导致其表面温度升高。从第2节两种薄膜的光谱反射曲线可以看出,在5~8 μm波段光子晶体薄膜的平均发射率大于低发射率薄膜的平均发射率,这意味着光子晶体薄膜在此波段对外辐射更多的能量,这一特性有利于光子晶体薄膜表面散热,使光子晶体薄膜的表面温度低于低发射率薄膜。因此白天贴附光子晶体薄膜对引擎盖的降温程度要大于贴附低发射率薄膜的降温程度,同时该波段不在红外探测器的探测范围内,即不会影响薄膜的红外隐身性能。根据红外隐身评价标准(目标与背景的温差在4℃以内即可达到很好的隐身效果)可得,贴附光子晶体薄膜后引擎舱表面的辐射温度与背景辐射温度在白天相差2.5℃,在晚上相差0.81℃,均在4℃以内,可以达到良好的中红外隐身效果;本文使用的低发射率薄膜在白天受太阳辐射影响较大,与背景辐射温度相差7.94℃,不能实现中红外隐身目的。综上所述,光子晶体薄膜的中红外隐身效果优于低发射率薄膜。

3.2 远红外隐身效果对比

图6(a)、(c)为14:00贴附待测薄膜前后吉普车引擎舱的远红外热像图,图6 (b)、(d)为21:00贴附待测薄膜前后吉普车引擎舱的远红外热像图。

图6 (a)、(c)中可以看出,引擎舱作为热源,在远红外热像仪观察下亮度较高,很容易被敌方的探测装置发现;从图6 (b)、(d)中可以看出,在引擎舱表面贴附光子晶体薄膜和低发射率薄膜后,引擎舱的亮度均有所下降,不论是白天或者晚上,均是低发射率薄膜的亮度要低于光子晶体薄膜的亮度。

用远红外热像仪记录贴附光子晶体薄膜和低发射率薄膜后表面的辐射温度,引擎舱表面以及背景的辐射温度,并计算了两种薄膜表面与引擎舱表面的辐射温差。将数据记录于表2中,温度单位为摄氏度(℃)。

表 2. 远红外实验数据

Table 2. Far-infrared experimental data

TimeThe surface of engine compartment T1'/℃Background T2'/℃After attaching the photonic crystal film T3'/℃After attaching the low emissivity film T4'/℃T1'-T3'/℃T1'-T4'/℃
14:0049.8237.7133.9823.4715.8426.35
21:0028.9919.8716.407.0412.5921.95

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表2可得,贴附光子晶体薄膜和低发射率薄膜后引擎舱表面的远红外辐射温度均有所下降,且贴附低发射率薄膜对引擎舱表面的降温程度大于贴附光子晶体薄膜的降温程度,分析此现象的原因:在远红外波段低发射率薄膜的发射率高于光子晶体薄膜,同时在该波段太阳辐射的影响较小,此时影响引擎舱表面降温程度的主要原因是薄膜表面发射率,因此贴附低发射率薄膜对引擎舱的降温程度大于贴附光子晶体薄膜对引擎舱的降温程度。根据红外隐身评价标准,贴附低发射率薄膜后引擎舱表面的辐射温度与背景的辐射温度相差较大,白天相差14.24℃,晚上相差12.83℃,均大于标准的4℃,因此本文使用的低发射率薄膜在远红外波段不具备隐身效果;贴附光子晶体薄膜后引擎舱表面的辐射温度与背景辐射温差均在4℃以内,可以达到良好的远红外隐身效果。综上所述,光子晶体薄膜的远红外隐身效果优于低发射率薄膜。

4 结论

本文设计并制备了一种具有中、远红外隐身效果的光子晶体薄膜,同时选取常规低发射率薄膜进行对比试验,实验结果表明:光子晶体薄膜在中、远红外波段均具有较低的发射率,将光子晶体薄膜贴附在热目标上可以实现目标与背景的融合,具有很好的中、远红外隐身效果,且光子晶体薄膜具有光谱选择性的优势,其在5~8 μm波段具有较高的发射率,提高了薄膜的散热性能,能够避免局部温度升高对车辆性能的影响,在一定程度上能够消除太阳辐射对中红外隐身效果的影响。而常规低发射率薄膜没有光谱选择性,不能很好地解决散热的问题。实际应用中,可以将光子晶体薄膜完整地贴附在引擎盖表面,抑制引擎舱这个辐射强点向外发出辐射,降低辐射温度与周围背景相融合达到红外隐身的目的,同时光子晶体薄膜具有良好的散热特性不会影响引擎舱中发动机等部位的正常工作,故而具有很强的实用价值。

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