多光谱热透镜实现红外和可见光隐身

论文信息：

Juyeong Nam, Injoong Chang, Joon-Soo Lim, Jinsup Song, Namkyu Lee, Hyung Hee Cho. Active adapttion in infrared and visible vision through multispectral thermal Lens, International Communications in Heat and Mass Transfer, 107898 (2024), 158.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.107898

研究背景

在自然界中，生物通过感知不同波长的光来识别物体。受这种自然现象的启发，强大的多波段传感器的出现推动了先进能量控制技术的发展。受到透明生物的启发，本文引入了一种创新的隐身控制方法，涉及开发一种优先考虑透明度以实现隐身，并通过与背景的主动融合来实现自适应伪装的表面。传统的隐身控制材料通常通过操控颜色、表面发射率或温度来实现隐身，但这些方法不足以隐藏暴露在多波段成像探测器下、背景多样的目标。然而，随着复杂的基于图像的探测器的出现，仅仅控制强度对于提高生存能力可能显得有些低效。因此，提出了一种灵活、可扩展且可转移的自适应伪装屏障这一前沿概念（TACS），该屏障设计为一种灵活、可扩展且可转移的单层表面，能够在可见光和红外波段实现兼容的隐身。通过TACS的透明性和折射特性，展示了其隐身性能，能够通过定量和定性分析，将目标的辐射特性与背景和谐地整合在一起。

研究内容

传统的红外隐身材料通常通过降低物体表面的发射率来隐藏目标，但随着多波段成像技术的进步，这些传统的隐身方法在欺骗多波段探测器方面变得不再那么有效。认识到这些局限性，受到自然界生物（如水母和玻璃翼蝴蝶）使用透明身体展示背景的启发，提出了一种超越控制表面发射率的新型自适应伪装方法。这种透明自适应伪装材料在所需的光谱波段内优先实现透明性，旨在有效欺骗探测传感器。通过引入TACS（透明自适应隐身系统），设计了一种灵活、可扩展且可转移的单层表面，能够在可见光和红外波段实现兼容伪装。TACS的目标是在这两个波段内欺骗成像探测器，提供一种全面的自适应隐身方案。

图1(a) 展示了本研究灵感来源于透明的水母，水母的身体透明度提供了显著的优势，使其无需额外的能量或操作就能根据周围环境隐藏自己，展现出卓越的自适应能力。基于这一想法，图1(b)展示了TACS（透明自适应隐身系统）隐身效果的示意图，TACS使目标与周围环境相似，从而能够在光学和红外摄像机的探测下进行自适应规避。正如图1(b)所示，将TACS薄膜放置在森林中高大树木前的一辆车上，可以充当“伪装盾牌”。在这种情况下，当通过可见光和红外摄像机观察时，TACS薄膜使汽车看起来模糊或融入背景，从而防止图像探测器检测到目标。TACS被设计为在可见光和红外波段同时具有透明性，这通过100 μ m 厚的低密度聚乙烯（ LDPE ）薄膜实现。 TACS 的表面结构配置为柱状微透镜阵列，以实现自适应伪装性能。 图1(c) 表示了 TACS 如何通过在平面内单一方向排列的柱状微透镜阵列构建。利用几何光学原理，当透镜直径足够大于光的波长时，可以设计出透明的自适应伪装表面。

图1. (a) 本研究灵感来源于透明的水母，其通过透明的身体投射出周围环境。(b) 透明自适应伪装盾（TACS）伪装效果的示意图。(c) TACS的表面结构。

图2(a) 显示了TACS的单元结构设计参数，表示TACS的柱状微透镜。TACS是通过热压法制造的，图2(b)展示了这一过程中使用的主模具和软模具。此外，如图2(c)所示，使用表面轮廓仪（DektakXT触针式轮廓仪，布鲁克公司）测量了模具的表面轮廓，确认主模具呈现凸透镜形状，软模具显示为凹透镜形状。图2(d)显示了通过使用PDMS软模具热压法制造的TACS薄膜的光学图像。如图2(d)所示，最终在厚度为100微米的透明LDPE薄膜上制作了TACS，尺寸为50 mm × 50 mm。如图2(e)所示，确认TACS的表面结构与主模具的凸形相似，制作良好。

图2. (a) TACS设计参数的示意图。(b) 主模具的光学图像（左）和50倍放大显微镜图像（右）。(c) 主模具和软模具的表面轮廓测量图。(d) 通过使用PDMS软模具热压法制造的TACS薄膜的光学图像（左）和100倍放大显微镜图像（右）。(e) 制作的TACS薄膜的表面轮廓测量图。

图3(a) 展示了用于分析TACS在可见光成像系统中图像特性的实验配置示意图。网格图像被用来检查图像错觉效果。观察在光学相机和网格图案之间放置了一层厚度为100μm的TACS薄膜时光学相机检测到的图像。图3(b)和(c)展示了基于TACS微透镜排列方向的图像特性。因此，当透镜水平排列时，网格图案中的垂直线通过TACS的单元结构，导致光线强度以类高斯分布的方式扩散。结果是，与通过邻近单元透镜的光线重叠，导致强度增强。换句话说，与透镜排列方向垂直的线条图像在通过TACS时被强调。网格图案中的水平线也会以类高斯分布的方式扩散光线强度。然而，由于没有与通过邻近单元透镜的光线重叠，其强度相对于垂直线有所减弱。换句话说，与透镜排列方向平行的线条图像在通过TACS时被弱化。因此，图3(b)中只有垂直线的强度通过TACS得到了增强。采用相同的原理，当透镜垂直排列时，图3(c)中的水平线强度通过TACS得到了增强。

图3. (a) 用于分析TACS在可见光成像系统中图像特性的实验配置示意图。(b) 垂直线强度通过TACS得到增强。(c) 水平线强度通过TACS得到增强。

图4(a) 展示了在戴手套的手上覆盖TACS薄膜的红外图像。图4(b)显示了用于分析TACS在红外成像系统中红外特性的实验配置示意图。图4(c)表示TACS微透镜沿垂直方向排列时的红外成像特性。类似于可见光波段的特性，与单元透镜排列方向垂直的水平线在红外波段中保持了周期性和高辐射峰值，而平行的垂直线则没有显示辐射峰值。为了对红外辐射进行定量比较，图4(d)显示了图4(c)中O1-O1'线（无TACS，背景）和X-X'线（有TACS）的辐射强度分布。图4(e)显示了O2-O2'线（无TACS，背景）和Y-Y'线（有TACS）的辐射强度分布。如图4(d)所示，在O1-O1'线上，高峰和低辐射区域的周期性模式非常明显。然而，在X-X'线上，图案特性有所减弱，辐射峰值减少，低辐射区域略有增加。此外，如图4(e)所示，在Y-Y'线上，虽然辐射峰值的数值略有下降，但辐射峰值的定性特征保持不变，出现在与O2-O2'线的峰值相同的位置上。因此，证明了TACS在红外波段的错觉效果。为了验证TACS的兼容伪装性能，进一步分别分析了其在可见光和红外波段的自适应伪装性能特征。

图4. (a) 戴手套的手上覆盖 TACS 薄膜的红外图像。(b) 用于分析 TACS 在红外成像系统中红外特性的实验配置示意图。(c) 当 TACS 微透镜沿垂直方向排列时的红外成像特性。(d) O1-O1' 线（无TACS）和 X-X' 线（有TACS）的辐射强度分布。(e) O2-O2' 线（无TACS，）和 Y-Y' 线（有TACS）的辐射强度分布。

图5(a) 展示了测试 TACS 在可见光和红外波段自适应隐身性能的实验配置示意图。(b)和(c)分别显示了在可见光和红外波段中，背景中央放置的飞机目标的自适应伪装效果。由于 TACS 引起的折射效应，在可见光和红外波段中背景中的线条清晰可见。然而，目标的形状消失，原目标所在的区域呈现为背景的一部分。然而，在图5(c)顶部图像中黑色虚线标记的区域的平均辐射强度为 213.5 W/sr，而底部图像中的相同区域的平均辐射强度为 194.0 W/sr。尽管红外波段中的辐射强度没有显著变化，由于透明性，目标的形状几乎无法辨别，这表明 TACS 对基于图像的探测器具有更有效的伪装性能。此外，通过进一步实验，确认 TACS 即使在 TACS、探测器和目标没有垂直对齐的情况下，也能保持足够的伪装性能。

为了进行定量分析，图5(d)显示了沿 A-A' 线的辐射强度分布，比较了无伪装和使用 TACS 伪装的情况。相比之下，使用 TACS 伪装的情况下（用蓝色三角符号表示），背景和目标区域都表现出周期性的辐射峰值。特别是在目标区域，峰值特征存在。通过定量比较结果，使用 TACS 时，信号相较于原目标有所下降。此外，由于 TACS 将目标信号转化为类似于背景的图案，它将展现出适合同时检测可见光和红外信号的高级探测器的有效伪装性能。图5(e)显示了目标的一半被 TACS 伪装时的红外图像，而图5(f)显示了B-B'线的辐射强度分布。在 B-B' 线中，背景区域左侧（无 TACS）和右侧（有 TACS）的线平均辐射强度分别为 184.6 W/sr 和 194.8 W/sr。此外，目标区域左侧（无 TACS）和右侧（有 TACS）的线平均辐射强度分别为 212.2 W/sr 和 200.2 W/sr。通过这些结果确认，TACS 对背景和目标的原始信号强度几乎没有改变（差异在 6% 内），确保目标的形状或轮廓与背景完全融合。因此，隐身效果得到了充分展示，即使 TACS 的对齐方向发生持续变化，隐身效果也能在没有任何时间延迟的情况下保持。

图 5.(a) 评估可见光和红外波段自适应图像伪装性能的实验配置示意图。(b) 可见光波段中的自适应图像伪装效果。(c) 红外波段中的自适应图像伪装效果。(d) 沿 A-A' 线的辐射强度分布。(e) 当目标的一半被 TACS 伪装时的红外图像。(f) B-B' 线的辐射强度分布。

结论与展望

受到自然界通过多波段光进行目标感知和伪装的启发，提出了集成可见光和红外自适应操控的方案，以提高对现代探测系统的生存能力。本文介绍了透明自适应伪装屏障（TACS）作为一种创新的自适应伪装方法，突破了传统以降低发射率为重点的伪装技术。利用几何光学原理，TACS 通过引入光学畸变而保持透明性，使其成为伪装应用的有前景的解决方案。此外，确认了 TACS 在可见光和红外波段中的成像特性，展示了其根据单元透镜的对准方向选择性地增强或减弱网格图案中特定线条的能力。通过实验评估了 TACS 的自适应图像伪装性能。在可见光和红外中，TACS 能有效隐藏目标的形状和轮廓，同时保持背景特征的可见性。TACS 展示了作为一种先进且多用途的伪装技术的良好潜力，为可见光和红外波段中的自适应隐蔽提供了全面解决方案。如果 TACS 被开发成一种便于运输和安装的帐篷状结构，它可以有效地隐藏我们的防御资产，防止卫星或侦察飞机的高分辨率探测。通过双波段能力应对现代探测技术的挑战，该研究为先进的自适应隐身设立了新的方法。这项工作增强了对伪装材料的理解和实际应用，为该领域的进一步创新铺平了道路。

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