CN103424034B - 一种防红外伪装遮蔽物 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种防红外伪装遮蔽物，包括由可更换表面覆盖层、柔性半导体热电阵列和衬层组成的伪装遮蔽物模块、温度传感器、红外传感器、环境红外传感器、信号分析及处理单元、控制单元、可变负载、供能模块。本发明基于变热阻原理，有效节省电能，延长伪装时间；实现智能自适应隐身；模块化，灵活地组合，更精细实现局部热辐射特性细节；表面覆盖层提高被动伪装效果；采用柔性半导体热电阵列，可贴合应用于不同人员和设备。本发明可长时间野外移动使用，并能精确匹配和适应不同地貌特征和环境，用以覆盖各种目标体，像车辆或散兵坑等类似物，也可以做成斗篷状供人员和武器使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种防红外伪装遮蔽物，特别是一种用于武装人员和军事装备的防红外隐身遮蔽物。
背景技术
在众多场合，例如打猎或者军事活动中，需要使用伪装服或遮蔽物来协助使用者防止被动物、对手或者敌人察觉。伪装遮蔽物不但用来伪装人，也经常用来掩盖供给品、设备、车辆、武器和其他类似物。
防红外伪装遮蔽物是指尽量减小与环境之间的红外辐射差，热辐射特性与背景相匹配，乃至融合一致，用以对付热红外探测的伪装网遮蔽物，实际应用需要适应不同地域、地貌特征与环境的红外辐射特点。
目前，装备领域普遍采用的红外伪装方法是在表面涂以低发射率涂料（远红外伪装材料，200510042584.X），降低其辐射能量，但是当前低发射率涂料颜色品种尚不够丰富，难以形成较理想的热迷彩，且动态性能较差。武装人员的常规做法是在人体上覆盖低热辐射毯等辅助遮掩体（伪装网增强织物，201010500148.3；一种伪装遮蔽物，201220225976.5），其受限于材料本身，实际可达到的性能有限。另外，人员和装备自身不断散发热量；自然环境的高温气体加热外表面；阳光照射升高温度，这都会导致红外暴露，很难实现长时间的红外防护。
现有专利（一种防红外隐身电子毯，201210543887.X）涉及一种防红外隐身电子毯，利用蓄电池驱动半导体制冷片阵列控制隐身毯表面温度达到红外隐身功能。至少存在如下技术缺陷：半导体制冷效率低，且热端面散热不畅，工作环境恶劣，实际工作效率极低，而蓄电池的储能有限，在野外长时间（几天时间）使用难以保证电力供应；除温度外，红外辐射性能与发射率、地貌特征与环境等多种因素均存有关系，缺乏其他相关参数的考虑、匹配和变化；只进行了温度的简单控制调节，精度低，也没有进行单独区域和部位控温，电子毯面积较大，且位置存在移动变化，存在光照等环境的不同影响，故实际效果难以保证。
半导体热电技术基于可逆的物理效应（帕尔帖效应和塞贝克效应），可实现温差发电或电驱动实现制冷和加热。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种用于武装人员和军事装备的防红外隐身遮蔽物，可长时间野外移动使用，并能精确匹配和适应不同地貌特征和环境。
本发明涉及的红外热像探测是通过接收目标的红外辐射，以黑白图像灰度梯度或伪彩色增强技术，形成红外热像，显示出目标与背景的红外辐射特征差异，进行目标侦测。探测信号为目标与背景通过相互影响以及反射叠加共同作用形成，实际背景的复杂性常导致背景形成不同的热像形貌，并受目标与背景表面温度、发射率、热惯量、细部特征以及太阳日辐照变化等诸多差异性因素的制约，则有效的热红外伪装隐身技术途径，应是通过表观温度与表面发射率的优化设计，在注重目标与背景细部特征设计等综合考虑的基础上，通过降低目标与背景的红外辐射特征差异来实现目标与背景红外热像融合技术的伪装隐身目的。本发明在分析目标与背景的差异时选择应用较广泛、更具实际意义的相对对比度，存在：
根据上述函数关系，针对不同季节、气候和环境的典型背景下，进行大量真实环境背景的辐射强度的测试，建立不同地域、地貌特征与环境的背景辐射强度数据库，并建立相对对比度的预测函数关系，以便能够在不同背景和环境下，均能使用上述背景辐射强度数据和相对对比度的函数关系，变化其中的可控自变量，像温度和辐射率等，适应和弥补其他因素的影响，以得到最小的相对对比度，如果能控制相对对比度小于常规红外热像探测的最小分辨率，则目标与背景红外热像融合，实现隐身。
本发明涉及的变热阻的技术原理是基于半导体热电效应，如图1所示的左侧视图中，半导体热电元件的两端面热源温度分别为TA和TB，热流为Q，并连接负载RL，基于塞贝克效应，温差（TA-TB）导致半导体热电元件产生电能，可等效为图1右侧内阻为Ri的电源带有负载RL的电路，基于帕尔帖效应，回路的电流又导致半导体热电元件两端面产生吸放热，吸放热流大小受负载RL的影响，与原有热流Q叠加，并影响温差（TA-TB）大小，按照传热学的知识（热流=温差/热阻），调节RL可改变半导体热电元件的热阻。
为实现发明目的，基于上述技术原理，本发明的技术方案是一种防红外伪装遮蔽物，包括由可更换表面覆盖层、柔性半导体热电阵列和衬层组成的伪装遮蔽物模块、第一组温度传感器、第二组温度传感器、环境温度传感器、第一组红外传感器、环境红外传感器、信号分析及处理单元、控制单元、可变负载、供能模块，所述的伪装遮蔽物模块由外至内依次为所述的可更换表面覆盖层、所述的柔性半导体热电阵列和所述的衬层，所述的柔性半导体热电阵列通过所述的控制单元连接所述的可变负载或者连接所述的供能单元；所述的第一组温度传感器、所述的第二组温度传感器和所述的环境温度传感器分别放置在所述的可更换表面覆盖层、所述的衬层和环境，提供温度检测值，所述的第一组红外传感器和所述的环境红外传感器分别放置在所述的可更换表面覆盖层和环境，提供红外检测值；所述的信号分析及处理单元对温度检测值和红外检测值进行分析处理，产生并输出控制信号，驱动所述的控制单元，通过控制所述的可变负载或者所述的供能模块供电，变化所述的柔性半导体热电阵列的工作状态，得到最小相对对比度，实现红外隐身。
所述的伪装遮蔽物模块可独立控制和工作，是正六边形，每个侧边的边长为10-50cm，每两个相邻侧边的交点上均设置联接，可相互拼接，灵活地组合成不同形状、不同面积的防红外伪装遮蔽物。可以覆盖各种目标体，像坦克、车辆或散兵坑等类似物，也可以做成斗篷状供人员和武器使用。
所述的可更换表面覆盖层是利用现有技术采用低红外辐射材料和迷彩织物制成的伪装覆盖物，具有自然、三维的伪装效果，并可根据环境和位置及地貌特征变化更换。
所述的柔性半导体热电阵列是由实现半导体热电效应的柔性元件组成，利用半导体热电材料结合微纳米技术的涂层、电镀、编织等工艺得到。常规的半导体热电元件不能挠曲、变形且体积较大，基于已有文献（Flexible micro thermoelectric generator，IEEE 20th International Conference; Thermoelectric structure and use of the thermoelectric structure to form a textile structure,US20080029146），实现半导体热电效应的微纳米柔性元件已经能够方便制造。
所述的第一组温度传感器由一个以上的温度传感器组成，优选是热电阻；所述的第二组温度传感器由一个以上的温度传感器组成，优选是热电阻；所述的环境温度传感器优选是热电阻。
所述的第一组红外传感器和所述的环境红外传感器是利用红外线的物理性质来实现红外探测的红外光子和热释电探测头等传感器。
所述的信号分析及处理单元内置微处理器和程序存储器，预置不同地域、地貌特征与环境的背景辐射强度数据和相对对比度的函数关系；所述的信号分析及处理单元根据选择的典型环境背景，通过对温度检测值和红外检测值进行分析处理，完成目标和环境背景特征信号的比较以及相对对比度的预测分析，产生并输出控制信号。
所述的控制单元通过控制所述的可变负载大小或者所述的供能模块供电来控制所述的柔性半导体热电阵列的工作状态，当所述的目标和环境背景的温度检测值和红外辐射检测值差值低于对应的预设临界值时，关闭所述的供能模块，按照相对对比度的函数关系调节所述的可变负载，变化所述的柔性半导体热电阵列的热阻；当所述的目标和环境背景的温度检测值和红外辐射检测值差值高于或等于对应的预设临界温度值时，开启所述的供能模块，按照相对对比度的函数关系控制所述的柔性半导体热电阵列制冷和制热。
所述的可变负载是根据需要可改变大小的阻性负载。
所述的供能模块是可移动的蓄电池或固定的直流稳压电源。
本发明的有益效果是采取以上技术方案，具有以下优点：1、基于变热阻原理，实现柔性半导体热电阵列的间歇式工作，有效节省电能，延长伪装时间，同时延长其使用寿命，增加可靠性；2、智能自适应隐身，控制单元根据温度和红外信号的动态检测以及背景特征数据，并结合相对对比度的函数关系弥补和预测其发射率、热惯量、细部特征以及太阳日辐照变化等的影响，控制柔性半导体热电阵列的工作状态对环境热辐射特性变化作出主动最佳响应，具有很强的环境自适应能力，有效的保证红外伪装效果；3、模块化，采用若干独立模块组合，可相互拼接，灵活地组合成不同形状、面积，尤其可独立控制，更精细实现局部热辐射特性细节，能有效地与背景要素融合且协调一致；4、表面覆盖层采用可更换低辐射迷彩材料制成，在不同环境和位置及地貌特征尽可能降低红外辐射，提高被动伪装效果；5、采用柔性半导体热电阵列，可正常工作、贴合应用于不同人员和设备，并可规模生产。附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的变热阻原理示意图。
图2是本发明的系统原理示意图。
图3是本发明的柔性半导体热电阵列构造示意图。
图4是本发明工作流程示意图。
图中1.可更换表面覆盖层，2.柔性半导体热电阵列，3.衬层，4.第一组温度传感器，5. 第二组温度传感器，6.环境温度传感器，7.第一组红外传感器，8.环境红外传感器，9.信号分析及处理单元，10.控制单元，11.可变负载，12.供能模块，13.背景转换开关，201.基底，202.半导体热电材料A（镍铝合金线），203.半导体热电材料B（镍铬合金线），204.接点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详述，籍由以下结合实施例来说明本发明之内容，而非限制本发明之范围。
如图2所示，一种防红外伪装遮蔽物，是由可独立控制和工作的伪装遮蔽物模块灵活地拼接，组合而成，伪装遮蔽物模块，是正六边形，每个侧边的边长为40cm，每两个相邻侧边的交点上均设置魔术贴或绳结联接，可相互拼接，灵活地组合成不同形状、不同面积的防红外伪装遮蔽物；防红外伪装遮蔽物包括伪装遮蔽物模块、第一组温度传感器4、第二组温度传感器5、环境温度传感器6、第一组红外传感器7、环境红外传感器8、信号分析及处理单元9、控制单元10、可变负载11、供能模块12。各伪装遮蔽物模块包含可更换表面覆盖层1、柔性半导体热电阵列2和衬层3，衬层3上覆着有柔性半导体热电阵列2，柔性半导体热电阵列2上覆着有可更换表面覆盖层1。可更换表面覆盖层1是利用现有技术采用低红外辐射材料和迷彩织物制成的伪装覆盖物，具有自然、三维的伪装效果，并可根据环境和位置及地貌特征变化更换；柔性半导体热电阵列2通过控制单元10连接可变负载11或者连接供能单元12；第一组温度传感器4、第二组温度传感器5和环境温度传感器6分别提供可更换表面覆盖层1、衬层3和环境的温度作为检测值，第一组温度传感器由一个以上的温度传感器组成，优选是热电阻pt1000；第二组温度传感器由一个以上的温度传感器组成，优选是热电阻pt1000；环境温度传感器优选是热电阻pt1000；第一组红外传感器7和环境红外传感器8分别提供可更换表面覆盖层1和环境的红外辐射信号作为检测值，第一组红外传感器和环境红外传感器是利用红外线的物理性质来实现红外探测的红外光子和热释电探测头等传感器；温度和红外检测信号经信号分析及处理单元9分析处理后产生并输出控制信号，驱动控制单元10。背景转换开关13是根据实际地域、地貌特征与环境等典型背景，进行切换选择对应背景的辐射强度数据和相对对比度函数关系以控制。
柔性半导体热电阵列2是利用不同半导体热电材料的线材编织得到，工艺如图3所示，其中半导体热电材料A为镍铝合金线202，半导体热电材料B为镍铬合金线203，以基底201为基础通过编织在接点204处焊接成网状，基底201为绝缘层，由玻璃纤维增强环氧树脂体系材料制成，整体为柔性、并涂有保护膜，在使用过程中防水，能水洗。通过上述工艺得到的柔性半导体热电阵列2可等效为多组串联而成的热电偶阵列-热电堆。
针对不同季节、气候和环境的典型背景下，进行大量真实环境背景的辐射强度的试验测试，建立不同地域、地貌特征与环境的背景辐射强度数据库，并建立相对对比度的预测函数关系，以林地地貌为例，选择草地、树木、岩石等的典型背景，使用覆盖有防红外伪装遮蔽物的目标，选择不同气候（晴、阴、雨）全天监测，每间隔一个小时时间段，使用红外探测仪对背景及目标分别进行不同距离的侦测。记录气象条件以及当前试验条件，记录并计算可见光能见度、温度、热惯性、红外辐射强度等因素，通过单变量分析和正交分析等手段，获得各可控自变量的数据和关系，得到不同地域、地貌特征与环境的辐射强度数据和对应的相对对比度，存在如下相对对比度的函数关系：
根据上述函数关系，在不同背景和环境下，均能利用其中的可控自变量，像温度和辐射率等，变化来适应和弥补其他因素的影响，以得到最小的相对对比度，如果能控制相对对比度小于常规红外热像探测的最小分辨率，则目标与背景红外热像融合，实现隐身，一般地，相对对比度应小于0.02。
信号分析及处理单元9内置微处理器和程序存储器，预置试验得到的不同背景辐射强度数据和相对对比度的函数关系。系统的工作流程如图4所示，调节背景转换开关13，选择典型环境背景，通过对温度检测值和红外检测值进行分析处理，完成目标和环境背景特征信号的比较以及相对对比度的分析，产生并输出控制信号。控制单元10通过控制可变负载11大小或者供能模块12供电控制柔性半导体热电阵列2的工作状态，当目标和环境背景的温度检测值和红外辐射检测值差值低于对应的预设临界值时，关闭供能模块12，按照相对对比度的函数关系调节可变负载11，通过变化柔性半导体热电阵列2的热阻，此时无需耗能；当目标和环境背景的温度检测值和红外辐射检测值差值高于或等于对应的预设临界温度值时，开启供能模块12，按照相对对比度的函数关系控制柔性半导体热电阵列2的输入电流方向和大小，实现可控的制冷和制热，尤其可满足起始工作状态和紧急状况下红外隐身的相对对比度要求。
Claims (10)
1.一种防红外伪装遮蔽物，其特征在于，包括由可更换表面覆盖层（1）、柔性半导体热电阵列（2）和衬层（3）组成的伪装遮蔽物模块、第一组温度传感器（4）、第二组温度传感器（5）、环境温度传感器（6）、第一组红外传感器（7）、环境红外传感器（8）、信号分析及处理单元（9）、控制单元（10）、可变负载（11）、供能模块（12），所述的伪装遮蔽物模块由外至内依次为所述的可更换表面覆盖层（1）、所述的柔性半导体热电阵列（2）和所述的衬层（3），所述的柔性半导体热电阵列（2）通过所述的控制单元（10）连接所述的可变负载（11）和所述的供能模块（12）；所述的第一组温度传感器（4）、所述的第二组温度传感器（5）和所述的环境温度传感器（6）分别放置在所述的可更换表面覆盖层（2）、所述的衬层（3）和环境，提供温度检测值，所述的第一组红外传感器（7）和所述的环境红外传感器（8）分别放置在所述的可更换表面覆盖层（2）和环境，提供红外检测值；所述的信号分析及处理单元（9）对温度检测值和红外检测值进行分析处理，产生并输出控制信号，驱动所述的控制单元（10），通过控制所述的可变负载（11）或者所述的供能模块（12）供电，变化所述的柔性半导体热电阵列（2）的工作状态，得到最小相对对比度，实现红外隐身。
2.根据权利要求1所述的一种防红外伪装遮蔽物，其特征在于，所述的伪装遮蔽物模块可独立控制和工作，是正六边形，每个侧边的边长为10-50cm，每两个相邻侧边的交点上均设置联接，可相互拼接，灵活地组合成不同形状、不同面积的防红外伪装遮蔽物。
3.根据权利要求1所述的一种防红外伪装遮蔽物，其特征在于，所述的可更换表面覆盖层（1）是采用低红外辐射材料和迷彩织物制成的伪装覆盖物，具有自然、三维的伪装效果，并可根据环境和位置及地貌特征变化更换。
4.根据权利要求1所述的一种防红外伪装遮蔽物，其特征在于，所述的柔性半导体热电阵列（2）是由实现半导体热电效应的柔性元件组成，利用半导体热电材料结合微纳米技术的涂层、电镀、编织工艺得到。
5.根据权利要求1所述的一种防红外伪装遮蔽物，其特征在于，所述的第一组温度传感器（4）由一个以上的热电阻组成；所述的第二组温度传感器（5）由一个以上的热电阻组成；所述的环境温度传感器（6）是热电阻。
6.根据权利要求1所述的一种防红外伪装遮蔽物，其特征在于，所述的第一组红外传感器（7）和所述的环境红外传感器（8）是利用红外线的物理性质来实现红外探测的红外光子和热释电探测头传感器。
7.根据权利要求1所述的一种防红外伪装遮蔽物，其特征在于，所述的信号分析及处理单元（9）内置微处理器和程序存储器，预置不同地域、地貌特征与环境的背景辐射强度数据和相对对比度的函数关系，存在如下相对对比度的函数关系：
所述的信号分析及处理单元（9）根据选择的典型环境背景，通过对温度检测值和红外检测值进行分析处理，完成目标和环境背景特征信号的比较以及相对对比度的预测分析，产生并输出控制信号。
8.根据权利要求7所述的一种防红外伪装遮蔽物，其特征在于，所述的控制单元（10）通过控制所述的可变负载（11）大小或者所述的供能模块（12）供电来控制所述的柔性半导体热电阵列（2）的工作状态，当所述的目标和环境背景的温度检测值和红外辐射检测值差值低于对应的预设临界值时，关闭所述的供能模块（12），按照相对对比度的函数关系调节所述的可变负载（11），变化所述的柔性半导体热电阵列（2）的热阻；当所述的目标和环境背景的温度检测值和红外辐射检测值差值高于或等于对应的预设临界温度值时，开启所述的供能模块（12），按照相对对比度的函数关系控制所述的柔性半导体热电阵列（2）制冷和制热。
9.根据权利要求1所述的一种防红外伪装遮蔽物，其特征在于，所述的可变负载（11）是根据需要可改变大小的阻性负载。
10.根据权利要求1所述的一种防红外伪装遮蔽物，其特征在于，所述的供能模块（12）是可移动的蓄电池或固定的直流稳压电源。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
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