激光隱身技術的應用與發展分析＊

李國柱

（海軍裝備部西安軍事代表局 西安 710054）

1 引言

激光隱身是通過減少目標對激光的反射信號，使目標具有低可探測性。其主要出發點是減少目標的激光雷達散射截面 （LRCS）和激光反射率。LRCS綜合反映了激光波長、目標表面材料及其粗糙度、目標幾何結構形狀等各種因素對目標激光散射特性的影響，是用于表征目標激光散射特性的主要指標，也是最重要的目標光學特性指標之一，在激光測距機、激光制導武器、激光雷達等激光測量系統的論證設計、性能評價中有廣泛應用。本文就激光隱身技術、隱身兼容性、隱身應用、發展分析等，作進一步的研究和探討。

2 激光隱身技術

激光隱身技術采取的主要手段有外形技術和材料技術，外形技術主要是通過改變目標的幾何外形，以減小其激光散射截面。材料技術主要在激光隱身材料的設計及制備方面，設計出具有高吸收、低反射的材料體系，并制備出吸收性能好的隱身材料。

2.1 外形隱身

外形技術在飛機的隱身技術中應用比較多，其途徑和方法通常有以下幾種：

1）消除可產生角反射效應的外形組合。飛機的機翼、機尾和機身之間的組合都是能產生角反射器效應的部位，可采用翼身融合體結構、V型尾翼和傾斜式雙立尾結構的方法。美國的F－117改進型戰斗機就具有機翼機身均勻過渡的結構，具有寬的加厚的中段和相對短的外翼，沒有垂直尾翼，有效地增強了隱身能力。

2）用平板外形代替曲邊外形。激光散射截面的大小與目標的幾何面積直接有關。對兩個投影面積相同的物體，平板的散射截面積比球體小四個數量級。因此可將飛機的機身、短艙等處向扁平方向壓縮，做成近似三角形機身。例如美國的“黑星”無人駕駛隱形偵察機，有細長的機翼平面結構，不僅有較好的空氣動力學性能，而且使其激光截面積減小，具有正面隱身能力，可大大減小被發現和跟蹤的可能性。

3）變后向散射為非后向散射。采用傾斜式雙立尾對付側向入射光；采用后掠角和三角翼結構對付正前方入射光，這樣減少前方和側向的激光反射截面。

4）用邊緣衍射代替鏡面反射。盡量使機上可造成鏡面反射的部分平滑，使之形成邊緣衍射而無強反射，減弱回波信號。

5）縮小飛機尺寸。設計時盡量縮小飛機尺寸，當采用高密度燃油及適應這種燃油的發動機時，就可以在不增加飛機尺寸的前提下提高航程。

6）減少散射源數量。可采用一些柔性薄膜將艙蓋周圍、浮動表面與固定表面間的空隙遮擋起來，或使飛機的機翼接近最低限度的氣動布局。

2.2 材料隱身

按激光隱身材料的隱身機理來分主要有吸收材料、導光材料、透射材料，其中吸收材料應用最為普遍。

1）吸收材料。激光吸收材料（LAM）的作用在于對激光有強烈吸收從而減小激光反射信號或改變激光頻率。吸收材料按材料的成型工藝和承載能力分為涂覆型和結構型。現在各國采用的激光材料隱身技術主要有：

（1）涂覆型。降低目標對激光的后向散射。如利用涂料降低目標表面的光潔度，或在目標表面涂覆吸收材料，使目標反射信號強度減弱；或采用激光偽裝隱身網，可在網上涂覆吸收激光的涂料；因為偽裝隱身網價格低廉、使用方便、工藝穩定、易于批量生產且可實現多頻譜隱身功能，國際上正大力發展此種材料。

（2）結構型。將結構設計成吸收型的多層夾芯，或把復合材料制成蜂窩狀，在蜂窩另一端返回，這樣既降低了反射激光信號的強度，又延長了反射光的到達時間。

2）其它隱身功能材料。透射材料是讓激光透過目標表面而無反射。從原理上，透光材料后應有激光光束終止介質，否則仍有反射或散射激光存在。導光材料是使入射到目標表面的激光能夠通過某些渠道傳輸到其它方向去，以減少直接反射回波。

3 隱身兼容性

激光隱身要求材料要有盡可能低的反射率，而同時紅外隱身要求材料要有盡可能低的發射率，這樣激光隱身和紅外隱身就不可避免地成為了一對矛盾體，故兩者協調很重要。而且，采用多頻譜隱身材料是無法協調此矛盾的。通常是在涂敷紅外隱身涂料或多波段兼容隱身涂料的基礎上對激光反射采取一些補救措施。如采用對抗激光的方法，如發射煙幕彈等；還有一種方法是犧牲局部范圍的紅外隱身，就是使涂料在1.06μm／10.6μm附近出現較窄的低反射率帶，而其他波段均為低輻射，以此來達到對激光的隱身，同時又要對紅外隱身的影響不大。這一方法要求低反射帶盡可能窄，因而也成了該方法的難點。理想狀態的激光／紅外隱身涂層應在1.06μm和10.6μm具有極低的反射率，而在其他紅外波段則具有盡可能高的反射率。

1）激光隱身涂料與可見光隱身的兼容。可見光一般指波長為0.4～0.78μm的光線，可見光隱身涂料也稱為迷彩涂料，它的作用是使目標與背景的顏色協調一致，使敵方難以辨識，故選用適當的迷彩顏料進行配色是可見光隱身涂料的關鍵。激光隱身涂料主要是以降低激光反射率為目標，其對光的作用范圍和可見光隱身涂料不同，因此需要對激光隱身涂料進行適當的配色處理，以使得其同時實現可見光隱身的兼容。

2）激光隱身與雷達波隱身的兼容。雷達波長范圍很寬，從100MHz～3000GHz都是雷達波的范疇，其中2～18GHz的雷達應用比較廣泛，然而由于30～300GHz的毫米波雷達在大氣中存在幾個損耗較小的“窗口（35GHz、94GHz、140GHz、220GHz）”，所以其在軍事上的應用正越來越受到重視。雷達波隱身技術主要有兩個方面，一是外形技術，二是雷達隱身材料，目標通過合理的外觀設計，并應用雷達波隱身材料便可達到目標對雷達波隱身的目的。就雷達波隱身涂料來說，其目的就是降低目標表面的雷達波反射率。激光隱身涂料的目的是降低目標在1.06μm以及10.6μm處的反射率，因此激光隱身涂料與雷達波隱身涂料并不矛盾。可采用多頻段吸收劑應用于涂料中解決，其難點在于尋求具有寬頻帶吸收的涂料用吸收劑，如能制得寬頻帶吸收劑，激光隱身與雷達隱身的問題就可迎刃而解。對于近紅外激光隱身涂料，可利用近紅外激光隱身涂料對毫米波的透明性，將激光隱身涂料涂敷到毫米波隱身涂層表面，制備毫米波與激光復合隱身涂層。

3）激光隱身與紅外隱身的兼容。紅外探測指的是利用波長在3～15μm的紅外輻射特征進行探測的方法，考慮到大氣層對紅外線的吸收，紅外探測器的實際工作波段為3～5μm和8～14μm，其熱成像技術在軍事領域已經得到廣泛的應用。隨著紅外偵察、探測、制導和熱成像處理技術的發展，反紅外探測隱身技術也越來越重要，它是通過抑制目標的紅外輻射，或改變目標的熱形狀，從而達到目標與背景的紅外輻射不可區分的一門技術。

4 隱身應用廣泛

隨著技術的進步，激光隱身術將在其他常規武器中得到越來越廣泛的應用。目前美國的隱身兵器居世界領先地位，俄、英、法、德、日和瑞典等國也在積極發展。我國在此方面也已經開始了針對性的研究，據報道，國內激光隱身涂料對1.06μm波長的激光吸收率已高達95%以上。目前，可見光、紅外、雷達、激光波段兼容，并且均能達到良好隱身性能的多功能材料是研究的重點，紅外與激光復合隱身中紅外隱身需要低發射率的材料，激光隱身需要低反射率的材料，這兩者的復合隱身是矛盾的。據報道，通過對各種紅外透明粘合劑如酚醛樹脂、環氧樹脂、醇酸樹脂、Kiaton樹脂、改性乙丙橡膠的研究，以及一些金屬顏料、半導體顏料如ITO的研究，已基本上研制出1.06μm激光與8～14μm紅外波段的復合隱身涂料。此外采用雙層乃至多層涂敷法也是復合隱身研究的一種比較容易的方法。由實驗分析可知，激光隱身涂料對雷達波的透波性能良好，并且厚度很小約為0.1mm，可以將其涂敷于雷達吸波材料表面，從而實現激光與雷達復合隱身。

5 發展分析

激光隱身材料的發展趨勢：新型多波段隱身材料、多波段隱身、增強材料的激光吸收率、進行材料兼容性研究、提升材料的實用性等。

1）新型多波段隱身材料。單一的隱身材料已不能滿足現代戰爭的隱身需要，隨著各波段先進探測設備的應用，隱身材料正朝著能夠兼容米波、厘米波、毫米波、紅外、激光等多波段電磁波隱身的多頻譜隱身材料方向發展。國外已經對這項工作展開了一系列的研究。目前國外先進的多功能隱身材料在可見光、近紅外、遠紅外、8mm和3mm五波段一體化方面取得較大進展。例如，德國研制的半導體多功能隱身材料在可見光范圍有低反射率，在熱紅外波段有低輻射率，在毫米波段有高吸收率。這種涂層可同時對抗可見光、近紅外、激光、熱紅外和雷達的威脅。

2）多波段隱身的新理論、新方法。雷達與激光復合隱身可以通過新概念的外形設計，減小武器的激光散射截面來實現。

隨著光電探測技術的迅速發展，武裝目標將不得不同時面對激光測距與制導以及紅外、雷達、可見光成像的探測與制導的威脅，單一的激光、紅外、雷達、可見光隱身材料都已很難起到真正的對抗作用。特別是軍用激光波今后將逐步由10.6μm激光取代，建立在高反射、低輻射基礎上的紅外隱身材料和低反射高吸收基礎上的激光隱身材料在工作原理上發生了直接沖突，要想在8～14m紅外波段上某一點附近很窄的頻帶范圍內實現高吸收低反射，實際上是非常困難的。因此，研究紅外、雷達與激光復合隱身的工作原理及方法，已成為急待解決的關鍵性難題。

例如，激光和紅外復合隱身是存在矛盾的。因為激光隱身要求目標有低反射率、高吸收率，而紅外隱身要求目標具有低發射率。根據基爾霍夫定律，不透明物體在熱力學平衡條件下，其發射率和吸收率在數值上相等，因此在目標滿足激光隱身要求的同時，對紅外必然會“顯形”。解決紅外與激光復合隱身的問題還可以引進 “適度隱身”的概念，即兩方面都降低部分性能以達到復合隱身的效果。在具體實施時，以激光隱身材料為主，紅外隱身側重于熱變形與熱迷彩等融合技術的應用，利用空間混色原理和計算機迷彩斑點圖案設計技術，采用小斑點迷彩設計和熱迷彩圖案設計的方法。

3）增強材料的激光吸收率。在不影響材料光譜選擇特性的前提下，材料的激光吸收系數越高，被保護目標的安全性越高。例如，發展稀土上轉換激光隱身材料。上轉換材料主要是摻稀土元素的固體化合物，利用稀土元素的亞穩態能級特性，可以吸收多個低能量的長波輻射，經多光子加和后發出高能的短波輻射，從而可使人眼看不見的紅外光變為可見光。利用它對激光頻率的轉換特性來降低激光回波反射的能量，從而達到激光隱身的目的。例如，摻雜稀土離子的晶體、玻璃、光纖等材料，通過實際存在的中間態分步吸收兩個或多個光子，實現離子數的反轉而產生上轉換發射。

4）進行材料兼容性研究。在通過使用光譜選擇性激光隱身材料實現多波段兼容隱身時，必定要對材料進行摻雜、著色等相關處理，必然會對改變材料的性能，因此必然要進行兼容性研究。例如，發展光子晶體激光隱身材料。運用薄膜光學原理，通過不同折射率材料的周期設計，可以實現光子晶體在激光波段的窄帶吸收。利用摻雜光子晶體的缺陷能級形成的“光譜挖孔”結構可以很好地解決激光與其他波段的兼容隱身，摻雜光子晶體的缺陷能級是由高透射引起的低反射，并不滿足激光隱身的實際要求，可以通過在光子晶體薄膜的基底中引入吸收材料，把缺陷能級透過的激光吸收掉。

5）提升材料的實用性。隱身材料的使用環境通常較惡劣，這對材料的耐性和適用性提出了較高的要求。例如，發展有機激光隱身材料。通常將取代苯二硫環戊烯鎳絡合物類、酞菁類、蒽醌類、雙二硫醇鎳絡合物類等用作近紅外吸收劑，其中菁類由于吸收光譜是銳利曲線所以對特定近紅外波長的激光偽裝有一定的應用潛力。一些金屬有機化合物也被用作1.06μm激光吸收劑，主要包括有機鎢鹽、鎳鹽、鉬鹽和銀鹽等。目前已經實用化的近紅外激光線性防護染料可同時防護488nm、514nm、532nm、1.06μm及紫外激光的輻射，可見光透過率達到60%，光密度達到4以上。

6 結語

由于激光探測器大多采用主動式探測方式，即依靠接收目標后向反射能量來進行工作，因此，激光隱身是以降低目標激光后向反射信號，即降低目標后向散射截面為出發點。目前，隱身涂料正向多頻譜、寬頻帶方向發展，而納米隱身涂料由于其突出的優點，可以制得綜合機械性能良好，以及多頻段、強吸收的多波段隱身涂料，必將成為激光隱身涂料的一個發展方向。

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