图1 无创嵌入集成设计的多功能伪装超表面示意图
1. 导读
装备集成技术与多频谱探测技术的快速发展对伪装材料的性能要求进一步提高，其中，微波波段的雷达探测和红外波段的热成像探测是主要的探测手段。面对这一问题，设计具有微波和红外兼容伪装的材料一直是国内外的研究热点。
现有多频谱兼容伪装材料设计方案存在结构复杂、适用环境单一等问题，尤其在红外伪装上往往只追求单一红外背景下的伪装，复杂红外背景下的伪装难以实现。超表面作为由亚波长微结构单元按照特定的空间排布构成的二维人工电磁表面，在电磁波领域具有强大的调控能力。超表面的设计能力有助于实现红外微波功能层的集成设计、独立调控功能和复杂背景下的红外数码迷彩功能。
针对这些问题，近日空军工程大学、陕西省人工结构功能材料与器件重点实验室、苏州实验室-空军工程大学空天超材料网络实验室王甲富教授团队在Nanophotonics发表最新文章，通过跨尺度设计和嵌套解耦的理念，提出了一种“无创”多频谱集成元器件策略，可以实现微波波段高效的后向散射缩减以及红外波段的空间辐射特性调控（如图1所示），并进行了一系列微波和红外波段的实验验证。团队在理论模型分析和数值仿真模拟基础上，在微波波段实现入射波的交叉极化旋转，并通过编码超表面形式形成宽带的超低雷达散射截面(RCS)反射器；在红外波段，通过在元器件上“非侵入式”嵌入不同的红外功能贴片，在不影响微波波段性能的同时，可以实现红外发射率从0.6-0.8范围内的可控调节。具有不同红外发射率的元器件通过特定的空间排布，可以实现红外数码迷彩的成像效果。微波和红外波段的实验结果均与理论预期吻合，这也充分证明了该设计方法的有效性。
该研究成果为红外微波兼容伪装的集成设计提供了新的思路，设计人员可以根据不同的背景环境定制化设计红外伪装方案，有效拓宽了红外功能设计的自由度。同时，所设计的工作工艺简单、加工成本低廉，对装备防护、智能伪装等领域的工程化应用具有重要意义。
2. 研究背景
隐身伪装，是指针对传感器的探测，通过不同技术手段降低被探测目标与背景的辨识度，降低被探测和识别的概率，在提高装备生存率、出其不意克敌制胜等军事方面有着重要意义。红外探测和微波探测是最常见、也是应用最广的两种探测手段。然而，随着多频谱探测技术的发展，传统的单一伪装材料难以实现不同频谱探测的兼容伪装。复杂背景环境和多频谱探测技术，对伪装材料的性能提出了更高要求。
为解决这些实际问题，科学家们引入超表面的概念，即由亚波长微结构单元按照特定的空间排布构成的二维人工电磁表面，具有强大的电磁波调控能力，为实现多频谱兼容伪装提供了可能。基于超表面，国内外科学家针对不同波段，分别设计对应的伪装功能层，并以多层复合的方式叠加到一起，实现微波-红外的兼容伪装功能，如一维光子晶体-微波吸波器复合、红外屏蔽层-微波频率选择表面复合、微波漫反射层-红外伪装层复合等。然而，现有的微波红外兼容伪装方案结构复杂，集成度低，加工成本高，限制了其大规模制备和工程化应用的潜力。另外，在红外伪装方面，已有方案往往只具备单一的红外辐射特性，只能适用于简单的红外背景环境（如低红外背景或高红外背景）。对于高红外辐射源和低红外辐射源共同存在的复杂红外背景（如灌木丛、森林、人口密集的建筑区等），单一辐射特性的红外伪装体系便难以适应。因此，如何实现红外伪装层与微波伪装层的集成设计，在不影响微波性能的基础上，提高红外辐射调控的自由度，以适应更加复杂红外背景下的有效伪装，是当下面临的重要科学问题。
3. 创新研究
针对上述挑战，团队研究人员从跨尺度设计和嵌套解耦的理念出发，设计了一种巧妙的“无创”多频谱集成元器件。针对微波波段的伪装目的，设计了一种高效的极化旋转器，用于实现宽带的线极化波的交叉极化旋转，并且理论分析和仿真验证了其极化旋转机理。接着，从宏观表征尺度出发，利用极化旋转器表面的广阔空间和金属的低红外辐射特性，嵌入不同尺寸的金属贴片，通过设计单元表面整体的金属占空比实现红外辐射特性的动态调控。通过错开金属贴片和计划旋转单元的谐振频率，实现微波红外两个频段的解耦设计，最大限度降低了红外辐射特性的调控对单元微波性能的干扰。
随后，研究人员针对微波性能，利用编码超表面的设计思想，利用几何相位调控原理，设计了“编码0”和“编码1”两种单元并进行琴键排布，利用散射对消原理实现后向RCS的有效缩减；针对红外性能，设计四种红外辐射特性的单元，在琴键排布的基础上，根据环境需求排布嵌套贴片的位置，实现红外辐射特性的空间调控，形成红外数码迷彩的热成像效果。
在完整的理论指导下，团队在微波波段和红外波段实验验证了所设计的超表面的功能效果，实验结果均与理论预期吻合，充分证明了该设计方法的有效性。
图2 极化旋转器的结构设计及机理分析
图3 具有后向RCS缩减及红外数码迷彩兼容效果的超表面设计思路及仿真分析
图4 微波与红外设计的解耦效果分析
图5 微波实验验证
图6 红外实验验证
4. 应用与展望
研究团队提出的基于跨尺度设计和嵌套解耦理念的微波红外兼容伪装超表面，是一种普适、高效、功能广泛的方法，通过微波上的微观尺度和红外的宏观尺度综合设计，利用解耦兼容的理念，在同一功能层上独立实现了微波和红外的伪装功能，尤其是红外辐射特性的空间调控设计，提升了红外功能设计的自由度，有助于实现复杂红外背景下的有效伪装。研究成果在装备防护、智能伪装等领域的工程化应用具有重要意义。
该研究成果以“Noninvasive Inset-integrated Meta-Atom for Achieving Single-Layer Metasurface Simultaneously with Coded Microwave Reflectivity and Digitalized Infrared Emissivity”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Hui-Ting Sun, Jun Wang, Rui-Chao Zhu, Zun-Tian Chu, Xin-Min Fu, Yu-Xiang Jia, Yi-Na Cui, Ya-Juan Han, Tian-Shuo Qiu, Sai Sui, Jia-Fu Wang, and Shao-Bo Qu，其中博士研究生孙辉廷为第一作者，王甲富教授、王军副教授和朱瑞超讲师为共同通讯作者。王甲富教授团队隶属于空军工程大学基础部、陕西省人工结构功能材料与器件重点实验室、苏州实验室-空军工程大学空天超材料网络实验室。
两江科技评论