CN104914423B - 基于电磁波波导和微纳米结构的自适应被动隐身方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电磁波波导和微纳米结构的自适应被动隐身方法，该方法通过电磁波耦合单元获取目标物体的背景所发射的电磁波，通过电磁波传输单元将背景电磁波传输到目标物体的各个部位，再通过电磁波发射单元将传输到目标物体各个部位的电磁波均匀地散射出来，使物体与背景发射的电磁波相匹配，从而实现目标物体的自适应被动隐身。本发明可实现目标物体随环境变化迅速的被动隐身，且可实现在很宽范围波段的隐身，包括紫外‑可见‑红外光波段，甚至微波波段。由于使用背景电磁波被动隐身，因此避免了主动隐身技术中所存在的噪音干扰，物体发射的电磁波与环境发射的电磁波相近，应用范围广泛。

Description

基于电磁波波导和微纳米结构的自适应被动隐身方法

技术领域

本发明属于功能性隐身技术，尤其是涉及一种基于电磁波波导和微纳米结构的自适应被动隐身方法。

背景技术

隐身在军事伪装、产品外观等领域具有广阔的应用空间。未来战场上，士兵、作战装备及其他军事目标若能根据不同的环境背景迅速改变自身发射的电磁波，实现隐身，可大大降低被侦查和攻击的几率；随着工业设计的不断进步，人们对产品外观也提出了更高的要求：产品发射的电磁波若匹配周围的环境，既不破坏环境与产品的统一性和整体性，又增加产品的趣味性，可增强产品的市场竞争力。因此，隐身技术的开发研究已成为当前的热点之一。

基于吸波材料和特殊结构布局的隐身技术，可以使目标物体发射和反射的电磁波大大降低，但是应用于变化的背景时往往受限，而且目标物体难以在很宽的波段与背景电磁波相匹配。基于可调控电磁波发射或反射的隐身技术，已获得了长足的发展，但仍存在隐身波段范围受限、隐身响应速度缓慢、制造难度高等方面的不足。此外，可调控电磁波发射或反射的隐身技术，通常需要外部设备来对背景电磁波进行识别，然后依赖复杂的信号转换和控制单元发出控制信号，才能够最终实现对电磁波发射或反射的调控。这将导致隐身设计的结构复杂，难以微型化，功耗大，而且多个部件单元的组合增加了制造难度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，而提供一种可直接获取背景所发射的电磁波，使目标物体在很宽的电磁波波段，快速的自适应被动隐身的方法。

本发明的技术方案是，一种基于电磁波波导和微纳米结构的自适应被动隐身方法，是在目标物体的底部设置电磁波耦合单元，在目标物体的上表面设置电磁波发射单元，在目标物体的底部和上表面之间的其它部位设置电磁波传输单元；通过电磁波耦合单元采集目标物体的背景发射的电磁波，经由电磁波传输单元和电磁波发射单元将采集到的背景电磁波在目标物体的表面向外发射来实现隐身；目标物体可在紫外-可见-红外光波段以及微波波段，与背景发射相似的电磁波。

所述目标物体的背景所发射的电磁波包括自然环境条件下的背景辐射电磁波和在目标物体底部置有外加辐射源条件下的背景反射电磁波；所述的外加辐射源与自然环境具有相同或相似的辐射光谱能量分布，包括紫外光源、可见光源、红外光源、微波波段的辐射源以及兼容以上波段的宽谱辐射源。

所述电磁波耦合单元是基于可透过电磁波的材料，通过微纳加工方法及涂层制备工艺制备而成的电磁波耦合涂层，表面形成电磁波减反射结构或有助于提高电磁波耦合效率的微结构，可高效地获取背景反射的电磁波；可以掺杂或不掺杂散射物质、荧光材料或量子点，以提高电磁波耦合的效率。

所述可透过电磁波的材料包括无机材料和有机材料，无机材料包括石英、玻璃、氧化锌、氟化镁、氮化硅或碳化硅；有机材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚酰亚胺。

所述的微纳加工方法包括刻蚀、腐蚀、镀覆、电子束曝光、离子束注入掺杂或机械微加工；所述涂层制备工艺包括注模、喷涂、旋涂、提拉法、化学或物理沉积法。

所述电磁波减反射结构包括粗糙平面、光洁的平面、抛物面，以及设置有微透镜、微凸起或凹陷的表面结构；所述微结构包括光栅或可改变电磁波传播方向的微反射镜。

所述散射物质包括有机微纳米颗粒或无机微纳米颗粒，有机微纳米颗粒包括聚苯乙烯颗粒；无机微纳米颗粒包括二氧化硅、二氧化钛或氧化铁颗粒；所述荧光材料包括无机荧光材料、磷光材料，以及带发光基团的有机荧光材料；所述量子点包括纳米尺寸的硫化镉、硒化镉、碲化镉、硒化锌、磷化铟或砷化铟。

所述电磁波传输单元基于电磁波波导，采用与耦合单元的材料的电磁波特性相匹配的可透过电磁波的无机材料或有机材料制备而成的电磁波传输涂层，可将电磁波局限在其中，进行低损耗的传输，并可以灵活地改变传输方向；无机材料包括石英、玻璃、氧化锌、氟化镁、氮化硅或碳化硅；有机材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚酰亚胺。

所述电磁波发射单元是通过在可透过电磁波的基体材料中添加微纳米散射点，或者通过表面微纳米结构制备获得的电磁波发射涂层，具有散射的性质，使电磁波从涂层中散射出来。

所述基体材料是与电磁波传输单元的材料相匹配的无机材料或有机材料，无机材料包括石英、玻璃、氧化锌、氟化镁、氮化硅或碳化硅；有机材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚酰亚胺；所述微纳米散射点是具有高散射性质的无机微纳米颗粒或有机微纳米颗粒，无机微纳米颗粒包括二氧化钛或二氧化硅；有机微纳米颗粒包括聚苯乙烯；所述微纳米表面结构为微型网点、V形槽或微型凸透镜。

本发明的工作原理是：目标物体所处的背景在自然环境或外加辐射源的条件下具有特定的电磁波反射和吸收；设置在目标物体底部的电磁波耦合单元将背景发射的电磁波实时地耦合到隐身涂层中，并通过基于波导的电磁波传输单元向目标物体的各处传播，最终由发射单元将电磁波从目标物体表面的隐身涂层中向外发射出来，从而实现目标物体的自适应被动隐身。本发明仅仅通过波导及功能性的微纳米结构组件直接获取背景发射的电磁波，而实现快速的自适应被动隐身，目标物体发射的电磁波与背景电磁波具有良好的匹配，该隐身技术简洁、灵活，具有高的适用性和兼容性，有利于广泛的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)被动隐身技术，无需再生背景电磁波，避免系统自身的噪音干扰。该被动隐身设计可直接利用目标物体的背景电磁波，通过波导涂层的传输，使其在目标物体的表面发射出来，可在紫外-可见-红外光波段，甚至微波波段，使目标物体发射与背景匹配度高的电磁波，隐身效果好。

(2)隐身组件简洁，系统设计不复杂。该隐身设计仅仅通过调控材料和功能性的微纳米结构即可实现被动隐身，无需额外的控制单元和信号调节单元，且不受限于目标物体的复杂结构，具有很高的灵活性。

(3)响应速度快，即该被动隐身设计可根据目标物体所处的背景变化实时而迅速的响应，而且对不同的背景有很好的适应性。

附图说明

图1为二氧化硅纳米颗粒的扫描电子显微图；

图2为外加辐射源时黑盒表面的隐身涂层实现自适应被动隐身的示意图；图中所示：1-背景；2-电磁波耦合单元；3-大曲率半径的几何结构；4-电磁波传输单元；5-二氧化硅纳米散射点；6-电磁波发射单元；7-目标物体；8-外加辐射源；

图3为自然环境下黑盒表面的隐身涂层实现自适应被动隐身的示意图，图中所示：1-背景；2-电磁波耦合单元；3-大曲率半径的几何结构；4-自然光；5-电磁波传输单元；6-二氧化硅纳米散射点；7-电磁波发射单元；8-目标物体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

对于黑色的盒状物体，采用基于波导及功能性微纳米结构的自适应被动隐身设计。对于电磁波耦合单元，采用可见光范围内高透过率的环氧树脂作为基体材料，在其中掺杂二氧化硅纳米颗粒，其尺寸形貌如图1所示，通过注模的方法在黑盒的底部制备光学涂层，另外在光学涂层与黑盒的界面设置高散射性质的散光膜，以利于将背景光耦合到涂层中。对于电磁波传输单元，采用与耦合单元相匹配且透光率高的环氧树脂，在与耦合单元相接的位置及黑盒的侧面制备波导涂层，并在黑盒底面与侧面的转角处以及侧面与顶面的转角处，通过涂层的大曲率半径的几何结构，有效改变光路的传播方向。对于电磁波发射单元，采用与波导涂层相匹配的透明环氧树脂，在其中掺杂二氧化硅纳米颗粒，在黑盒的顶面制备光学涂层，通过二氧化硅的散射，更加均匀地将传输到顶面的背景光散射出来。

在黑盒的底部设置白光LED作为辐射源，提高背景反射光的强度，如图2所示，制备有被动隐身涂层的黑盒均匀地发射出与背景一致的电磁波。

实施例2

对于黑色的盒状物体，采用基于波导及功能性微纳米结构的自适应被动隐身设计，如图3所示。为了实现在可见光范围内的隐身，在电磁波耦合单元采用透光率高的聚甲基丙烯酸甲酯作为主体材料，通过喷涂法在目标物体的底部形成涂层，并在涂层与目标物体的界面设置反光膜，以增大背景光耦合到涂层中的效率；电磁波传输单元与耦合单元相连接，为了减少界面的光损失，传输单元的材料采用聚甲基丙烯酸甲酯，通过喷涂法在目标物体的表面制备波导涂层。为了使光波在波导涂层中灵活的改变传输方向，通过调节波导涂层的几何结构，使用大曲率半径的结构实现弯曲，使光波满足全内反射而较低损耗地传输到目标物体的表面各处。电磁波发射单元与波导涂层相连接，采用聚甲基丙烯酸甲酯作为主体材料，并在其中掺杂二氧化钛纳米颗粒，通过喷涂法制备可以将传输过来的背景光散射出来的涂层。这样可以实现目标物体在可见光波段，随着背景改变而迅速的自适应被动隐身。

实施例3

对于表面不规则的某目标物体，采用基于波导及功能性微纳米结构的自适应被动隐身设计。电磁波耦合单元以硼硅酸盐类的石英玻璃作为基体材料，在目标物体的底部制备涂层，并在其中掺杂氮化镓量子点吸收背景反射的紫外-可见光，并激发出与背景光匹配的电磁波，以提高背景光耦合到涂层中的效率。采用与耦合单元的涂层相匹配且透光率高的石英玻璃，制备波导涂层，其与耦合单元相接，并涂覆在目标物体的表面。这样耦合单元接收到的背景光可以低损耗的进入波导涂层中，且在波导涂层中传输时满足全内反射，因此传输损耗低。虽然目标物体具有不规则表面，波导涂层仍可将电磁波限制在其中，通过设置合理的波导层的几何结构和布局，可逐渐改变电磁波的传输方向，使其传播到目标物体表面各处。在目标物体的顶面，以石英玻璃为材料制备光学薄膜，与波导层相连接，并在薄膜的表面加工微型网点，作为电磁波的发射单元，以利于光从薄膜中，向外散射出来。这样可获得目标物体在紫外-可见光范围内的自适应被动隐身。

实施例4

对于某目标物体，在红外波段采用基于波导及功能性微纳米结构的自适应被动隐身设计。在目标物体的底部，使用氟化镁为主要的基体材料制备涂层，并使用类金刚石增透膜，提高涂层接收背景所发射红外波的效率，作为红外波的耦合单元。与之相连接的是采用氟化镁制备的红外光波导涂层，使耦合到涂层中的红外光在波导层中满足全内反射，低损耗的传输到目标物体的各表面。在目标物体的特定面上使用氟化镁制备散射涂层，并掺杂硫化锌颗粒作为散射点。散射涂层与波导涂层相连接，由于散射涂层和波导涂层的主要材料是匹配的，所以在二者的界面处可实现红外光低损耗的传输，而硫化锌颗粒可以有效的将涂层中的红外光散射出来，使目标物体的表面与背景发射类似的红外光，实现在红外波段的自适应被动隐身。

Claims (8)

1.一种基于电磁波波导和微纳米结构的自适应被动隐身方法，其特征在于：在目标物体的底部设置电磁波耦合单元，在目标物体的上表面设置电磁波发射单元，在目标物体的底部和上表面之间的其它部位设置电磁波传输单元；通过电磁波耦合单元采集目标物体的背景发射的电磁波，经由电磁波传输单元和电磁波发射单元将采集到的背景电磁波在目标物体的表面向外发射来实现隐身；

所述目标物体的背景所发射的电磁波包括自然环境条件下的背景辐射电磁波和在目标物体底部置有外加辐射源条件下的背景反射电磁波；所述的外加辐射源与自然环境具有相似的辐射光谱能量分布，包括紫外光源、可见光源、红外光源、微波波段的辐射源或兼容以上波段的宽谱辐射源；

所述电磁波耦合单元是基于可透过电磁波的材料，通过微纳加工方法及涂层制备工艺制备而成的电磁波耦合涂层，表面形成电磁波减反射结构或有助于提高电磁波耦合效率的微结构，可高效地获取背景反射的电磁波；掺杂散射物质、荧光材料或量子点，以提高电磁波耦合的效率。

2.根据权利要求1所述的基于电磁波波导和微纳米结构的自适应被动隐身方法，其特征在于，所述可透过电磁波的材料包括无机材料和有机材料，无机材料包括石英、玻璃、氧化锌、氟化镁、氮化硅或碳化硅；有机材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚酰亚胺。

3.根据权利要求1所述的基于电磁波波导和微纳米结构的自适应被动隐身方法，其特征在于，所述的微纳加工方法包括刻蚀、腐蚀、镀覆、电子束曝光、离子束注入掺杂或机械微加工；所述涂层制备工艺包括注模、喷涂、旋涂、提拉法、化学或物理沉积法。

4.根据权利要求1所述的基于电磁波波导和微纳米结构的自适应被动隐身方法，其特征在于，所述电磁波减反射结构包括粗糙平面、光洁的平面、抛物面，以及设置有微透镜、微凸起或凹陷的表面结构；所述微结构包括光栅或可改变电磁波传播方向的微反射镜。

5.根据权利要求1所述的基于电磁波波导和微纳米结构的自适应被动隐身方法，其特征在于，所述散射物质包括有机微纳米颗粒或无机微纳米颗粒，有机微纳米颗粒包括聚苯乙烯颗粒；无机微纳米颗粒包括二氧化硅、二氧化钛或氧化铁颗粒；所述荧光材料包括无机荧光材料、磷光材料，以及带发光基团的有机荧光材料；所述量子点包括纳米尺寸的硫化镉、硒化镉、碲化镉、硒化锌、磷化铟或砷化铟。

6.根据权利要求1所述的基于电磁波波导和微纳米结构的自适应被动隐身方法，其特征在于，所述电磁波传输单元基于电磁波波导，采用与耦合单元的材料的电磁波特性相匹配的可透过电磁波的无机材料或有机材料制备而成的电磁波传输涂层，可将电磁波局限在其中，进行低损耗的传输，并可以灵活地改变传输方向；无机材料包括石英、玻璃、氧化锌、氟化镁、氮化硅或碳化硅；有机材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚酰亚胺。

7.根据权利要求1所述的基于电磁波波导和微纳米结构的自适应被动隐身方法，其特征在于，所述电磁波发射单元是通过在可透过电磁波的基体材料中添加微纳米散射点，或者通过表面微纳米结构制备获得的电磁波发射涂层，具有散射的性质，使电磁波从涂层中散射出来。

8.根据权利要求7所述的基于电磁波波导和微纳米结构的自适应被动隐身方法，其特征在于，所述基体材料是与电磁波传输单元的材料相匹配的无机材料或有机材料，无机材料包括石英、玻璃、氧化锌、氟化镁、氮化硅或碳化硅；有机材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚酰亚胺；所述微纳米散射点是具有高散射性质的无机微纳米颗粒或有机微纳米颗粒，无机微纳米颗粒包括二氧化钛或二氧化硅；有机微纳米颗粒包括聚苯乙烯；所述微纳米表面结构为微型网点、V形槽或微型凸透镜。