CN110285712B - 一种实现动态拟态伪装隐身的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种实现动态拟态伪装隐身的装置，涉及实现拟态隐身的装置。本发明中图像捕获设备用来获取外界环境图像以及监控伪装效果；图像处理系统用来处理环境图像，进行信号之间的转换，给有源矩阵式控制衬底分别传输不同的信号，以电致结构变色单元为核心器件，实现电响应性结构变色单元的变色；通过对不同信号做出响应后实现环境模拟图像的展示。本发明可以使物体表面展现出与周围环境相似的图像，完成完美的拟态隐身，并随时间、环境的变化而达成实时响应隐身的效果。本发明可以为任何物体进行伪装隐身设计，在伪装、显示等领域具有很大的应用前景。

Description

一种实现动态拟态伪装隐身的装置

技术领域

本发明涉及实现拟态隐身的装置，进行仿生物拟态伪装隐身，利用微纳结构的制备与加工、结构色的响应性变色、图像获取与处理、微结构变色单元矩阵显示阵列进行拟态伪装隐身；具体涉及一种实现动态拟态伪装隐身的装置。

背景技术

隐身技术，又称隐形技术或低可探测技术，是利用材料技术、红外技术和雷达技术等改变目标的可探测性信号特征，降低目标被探测系统发现的概率。隐身技术是传统伪装技术的一种应用和延伸，是现代内装式伪装的典型代表。军事伪装和隐身技术有很强的综合性，所涉及的学科包括光学、电学、声学、热学、化学、植物学、仿生学、流体力学、材料学等。针对高技术侦察的特点，现代隐身技术主要是为减少目标和背景在光学、热红外、无线电波等方面的反射或辐射能量差异而采取的各种工程技术措施。

动态隐身是一种主动的隐身方式，能够感知背景的变化，自动调节目标的亮度和色度，从而使目标融入背景中。这种隐身方式可使武器不受背景环境的制约，提高机动性能，扩大作战范围。

受自然界中结构色现象的启示，人们发现当入射到材料表面的电磁波波长与表面微纳结构的周期相近时，将引发许多新奇的光学现象，如异常光学透射、选择性吸收/辐射、完美吸收以及局域场增强等等。随着先进制造技术的快速发展，结构分辨率在数微米量级甚至纳米量级的表面结构已可技术实现，大力推动了微结构超表面材料的相关研究。其中，应用于色度调控的周期性微纳米结构表面的仿真设计及制备技术在国防、航天、能源等领域有广泛的应用潜力，一直是微结构超表面材料领域的研究热点。

目前公开号为CN101625214B的专利申请公开了一种实现隐身的军事伪装设施，具有韧性的材料层，图像显示部件层，包含正面和反面，其中所述正面显示图像，图像显示部件层显示的图像数据来自接口所接收的图像信号。采用此发明的技术可以实现对于被隐身物体的视觉效果与物体所处的背景相近，从而实现物体的隐身效果，而且物体的运动或移动以及环境的变化仍可以实时保持物体的视觉隐身效果。此发明通过获取光学图像，利用显示屏进行显示环境伪装图像，由于使用显示屏，其伪装效果受很大的限制，如观察角度问题、能耗问题、成本问题、鲁棒性、适应性等都达不到要求，只能对简单的设备进行小面积和小范围内的隐身，无法实现更多特殊情况下的伪装隐身要求。2015年，中山大学的GuopingWang等(Wang G,Chen X,Liu S,et al.Mechanical Chameleon through Dynamic Real-Time Plasmonic Tuning[J].ACS nano,2016,10(2):1788-1794)制作出了一只“智能变色龙”。他们提出了一种基于双金属纳米点阵和电化学偏压相结合的方法进行等离子体调制，从而实现响应性变色。他们方法允许在给定环境中实时处理和设置展示与环境颜色匹配的光，利用这种方法制造了一个仿生机械变色龙和一个主动矩阵显示器，其动态显色范围几乎覆盖整个可见光区域。该设计采用的是等离子激元控制颜色变化，存在只能显示整体的颜色，无法对环境细节进行显示，另外金属容易氧化进而导致变色单元失效。

发明内容

本发明构建了一种实现动态拟态伪装隐身的装置，其计划在柔性有源矩阵(能对矩阵每个单元传输不同电信号)的基底表面上填充电致形变材料，并在其表面设计微纳结构来生成结构色，通过图像捕获设备对周围或背景环境的感知与图像获取，经过对图像的处理，将图像的每个像素颜色信息转换为与之唯一对应能使电致形变材料表面微结构产生相同颜色所要发生相应形变尺寸的电信号，来分别控制矩阵中每一个结构色单元，最终使整个表面结构呈现出与环境相似的图案，实现伪装隐身。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种实现动态拟态伪装隐身的装置，其特征在于：包括

图像处理系统，将输入图像处理系统中的图像，按照每种像素颜色信息与每种电信号唯一对应的关系，将图像中的每个像素颜色信息转换为电信号形成电信号矩阵；

有源矩阵式控制衬底，采用柔性复合材料，可自愈，对被伪装隐身物进行包覆，将图像处理系统输出的电信号矩阵成矩阵输出；

电响应性结构变色单元，其成矩阵覆盖在有源矩阵式控制衬底上，与电信号矩阵相对应，并接受图像处理系统成矩阵输出的电信号；根据电响应产生结构色变，对输入图像处理系统中的图像进行显示，完成动态拟态伪装隐身。

进一步的技术方案在于，还包括图像捕获设备，其对被伪装隐身物的周围环境进行图像捕获并输入到图像处理系统；所示图像捕获设备实时对被伪装隐身物周围环境进行捕获，并将图像实时传输到图像处理系统。

进一步的技术方案在于，所述有源矩阵式控制衬底背部设置红外反射层，实现红外探测下的隐身。

进一步的技术方案在于，所述图像捕获设备安装有颜色传感器。

进一步的技术方案在于，所述电响应性结构变色单元由输入的电信号致使材料发生形变，从而实现结构色变。

进一步的技术方案在于，所述电响应性结构变色单元是将电致形变材料表面进行微纳结构化处理，表面结构由于输入电信号，材料发生形变，表面结构会发生纳米尺度的变化，实现结构色的变化。

进一步的技术方案在于，图像处理系统与有源矩阵式控制衬底之间的信号传输采用无线传输。

进一步的技术方案在于，图像捕获设备与图像处理系统之间的信号传输采用无线传输。

进一步的技术方案在于，电响应性结构变色单元是多种电致形变聚合物的组合构成复合材料，能在微弱电流下发生微纳米级形变，产生结构色。

进一步的技术方案在于，上面所述装置的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：对物体进行全面柔性拟态伪装表面的包覆

(1)首先进行结构色隐身的光子晶体材料制备，将柔性材料表面进行微结构处理，实现周期性光子晶体复杂结构，使其周期为长程有序短程无序，制备能产生无角度依赖的结构色彩柔性材料；

(2)然后将材料进行块状分割，制备出大量的电响应性结构变色单元，分别进行测试，完成单个单元的微纳结构响应性动态可调谐变色；

(3)之后通过有源矩阵式操控线路的布局，选择具有柔性、可自愈、自响应和鲁棒性好的材料作为有源矩阵式控制衬底，通过微纳加工技术实现电路布局的制备，将此包覆在被隐身物体的表面；

(4)最后进行封装，将变色单元组装到有源矩阵式控制衬底表面，进行表面处理，增加鲁棒性，提高耐久度；

第二步：智能环境感知实现

(1)首先将图像捕获设备安装到物体包覆面，进行与图像处理系统的连接，辅以微型色彩传感器，增加图像及颜色展示的真实程度，使仿真图样结果的色度、色调差异降至最低；

(2)然后处理图像捕获设备与周围电响应性结构变色单元之间边界；

第三步：拟态隐身系统的智能控制系统的实现

(1)对于图像处理系统，首先构建算法程序，能够处理图像，并将图像进行像素划分，提取颜色信息；将采集到的环境图像进行系统的自动化处理，记录相应的位置、形状及颜色信息；

(2)然后构建算法程序，按照每种像素颜色信息与每种电信号唯一对应的关系实现颜色信息与电信号的转换，并将电信号通过有源矩阵传输到对应的表面电响应性结构变色单元矩阵中去；通过有源矩阵电流调控控制相应的结构单元进行变化；

(3)最后将上述装置，配有电源，实现动态拟态伪装隐身的装置的构建。

采用上述技术方案，本发明的技术效果为：可操作性强，可以任意布局，可对任意形状的任何物体进行包覆，实现表面拟态伪装隐身；而且这种隐身具有实时响应性，动态隐身，随环境变化而变化伪装，适应能力强，能完成多重环境下转换隐身效果。本发明的优势在于被隐身物体可随着环境变化而产生相应的伪装变化，实时动态伪装隐身。同时本发明也可根据实际情况输入图像，实现被动伪装。

附图说明

图1是电响应性结构变色单元原理图。

图2是电响应性结构变色单元在有源矩阵式控制衬底排布示意图。

图3是对一个长方体物体进行动态拟态伪装隐身的示意图。

图4是本发明实现动态拟态伪装隐身的技术原理示意图。

具体实施方式

本发明的核心在于通过实时地观测周围环境并对环境图像进行获取，然后由图像处理系统对图像处理，将不同像素的颜色信息通过有源矩阵式控制衬底传递给表面矩阵阵列的电响应性结构变色单元，进行伪装图像的模拟显示，实现拟态的伪装，与变色龙的伪装原理相似，当物体表面呈现出与环境相似的图像或结构时，会对视觉造成一定的干扰，在普通视线下完成隐身；本发明的装置因其柔性及可塑性好，可以对复杂结构表面进行包覆，所以适用范围很广泛，下面对其中的主要部件制作及系统构建的具体实施方式进行描述。

本发明实施例中，如图所示的一种实现动态拟态伪装隐身的装置，其包括

图像处理系统，将输入图像处理系统中的图像，按照每种像素颜色信息与每种电信号唯一对应的关系，将图像中的每个像素颜色信息转换为电信号形成电信号矩阵；

有源矩阵式控制衬底，采用柔性复合材料，可自愈，对被伪装隐身物进行包覆，将图像处理系统输出的电信号矩阵成矩阵输出；

电响应性结构变色单元，其成矩阵覆盖在有源矩阵式控制衬底上，与电信号矩阵相对应，并接受图像处理系统成矩阵输出的电信号；根据电响应产生结构色变，对输入图像处理系统中的图像进行显示，完成动态拟态伪装隐身。

本发明实施例中，如图所示的一种实现动态拟态伪装隐身的装置，还包括图像捕获设备，其对被伪装隐身物的周围环境进行图像捕获并输入到图像处理系统；所示图像捕获设备实时对被伪装隐身物周围环境进行捕获，并将图像实时传输到图像处理系统。

本发明实施例中，如图所示的一种实现动态拟态伪装隐身的装置，所述有源矩阵式控制衬底背部设置红外反射层，实现红外探测下的隐身。

本发明实施例中，如图所示的一种实现动态拟态伪装隐身的装置，所述图像捕获设备安装有颜色传感器。

本发明实施例中，如图所示的一种实现动态拟态伪装隐身的装置，所述电响应性结构变色单元由输入的电信号致使材料发生形变，从而实现结构色变。

本发明实施例中，如图所示的一种实现动态拟态伪装隐身的装置，所述电响应性结构变色单元是将电致形变材料表面进行微纳结构化处理，表面结构由于输入电信号，材料发生形变，表面结构会发生纳米尺度的变化，实现结构色的变化。

本发明实施例中，如图所示的一种实现动态拟态伪装隐身的装置，图像处理系统与有源矩阵式控制衬底之间的信号传输采用无线传输。

本发明实施例中，如图所示的一种实现动态拟态伪装隐身的装置，图像捕获设备与图像处理系统之间的信号传输采用无线传输。

本发明实施例中，如图所示的一种实现动态拟态伪装隐身的装置，电响应性结构变色单元是多种电致形变聚合物的组合构成复合材料，能在微弱电流下发生微纳米级形变，产生结构色。

本发明实施例中，如图所示的一种实现动态拟态伪装隐身的装置，的制作方法，其包括如下步骤：

第一步：对物体进行全面柔性拟态伪装表面的包覆

(1)首先进行结构色隐身的光子晶体材料制备，将柔性材料表面进行微结构处理，实现周期性光子晶体复杂结构，使其周期为长程有序短程无序，制备能产生无角度依赖的结构色彩柔性材料；

(2)然后将材料进行块状分割，制备出大量的电响应性结构变色单元，分别进行测试，完成单个单元的微纳结构响应性动态可调谐变色；

(3)之后通过有源矩阵式操控线路的布局，选择具有柔性、可自愈、自响应和鲁棒性好的材料作为有源矩阵式控制衬底，通过微纳加工技术实现电路布局的制备，将此包覆在被隐身物体的表面；

(4)最后进行封装，将变色单元组装到有源矩阵式控制衬底表面，进行表面处理，增加鲁棒性，提高耐久度；

第二步：智能环境感知实现

(1)首先将图像捕获设备安装到物体包覆面，进行与图像处理系统的连接，辅以微型色彩传感器，增加图像及颜色展示的真实程度，使仿真图样结果的色度、色调差异降至最低；

(2)然后处理图像捕获设备与周围电响应性结构变色单元之间边界；

第三步：拟态隐身系统的智能控制系统的实现

(1)对于图像处理系统，首先构建算法程序，能够处理图像，并将图像进行像素划分，提取颜色信息；将采集到的环境图像进行系统的自动化处理，记录相应的位置、形状及颜色信息；

(2)然后构建算法程序，按照每种像素颜色信息与每种电信号唯一对应的关系实现颜色信息与电信号的转换，并将电信号通过有源矩阵传输到对应的表面电响应性结构变色单元矩阵中去；通过有源矩阵电流调控控制相应的结构单元进行变化；

(3)最后将上述装置，配有电源，实现动态拟态伪装隐身的装置的构建。

本发明实施例中，电响应性结构变色单元为柔性材料，比如电活性聚合物、电致伸缩薄膜、电致形变材料等，但不限于此。

本发明实施例中，图像捕获设备为微型摄像头或其他图像采集装置。

本发明实施例中，图像处理系统内置算法程序，可处理图像，并将图像进行像素划分，提取颜色信息。将采集到的环境图像进行系统的自动化处理，记录相应的位置、形状及颜色信息。而算法程序能按照每种像素颜色信息与每种电信号唯一对应的关系实现颜色信息与电信号的转换。

图1是电响应性结构变色单元原理图。如图所示，电响应性结构变色单元截面图104表面进行微结构处理，产生结构色，当一束复合光101照射到微结构表面时，由于光子带隙的存在，某一波长的光102将不能透射而被完全反射，在长程无序、短程有序的表面类光子晶体结构的表面会产生特定的、无角度依赖的结构色彩。当电信号传输到电响应性结构变色单元截面图104上的时候，电致形变材料会发生形变，表面微结构的周期性尺寸也会发生变化，图中变化后的表面微结构105，反射光103的波长将随微结构尺寸变化而变化，由此带来单元表面微纳结构的形变而引起表面结构色的变化，不同的电信号与结构变化尺寸以及表面展现的结构色彩波段构成对应关系，可以通过不同的电信号来实现单个变色单元不同颜色的展示。电响应性结构变色单元立体模型106，其尺寸根据不同情况可以设置不同的值。

图2是电响应性结构变色单元在有源矩阵式控制衬底排布示意图。如图所示，部件203为电响应性结构变色单元立体模型106，置于有源矩阵式控制衬底201各个信号传输单元阵列之中，图像处理系统202通过各级引线205控制有源矩阵式控制衬底上的各个单元的电信号，图像处理系统202中安置有图像处理算法、伪装表面控制系统，将图像捕获设备感知得到的环境图像进行像素划分，提取颜色矩阵信息，将此转换为有源矩阵式控制衬底表面的电信号矩阵，控制每个电响应性结构变色单元显示对应的颜色信息。本发明中的电响应性结构变色单元可以根据需求改变单元尺寸，由隐身范围以及被隐身物体尺寸决定，毫米与厘米尺寸均可由不同情况确定，不影响伪装隐身的总体效果。

图3是对一个长方体物体进行伪装隐身的示意图。如图所示，长方体301的表面被柔性伪装材料302(由电响应性结构变色单元矩阵排列组成)进行包覆，完成包覆之后，连接图像处理系统，以及在表面嵌入图像捕获设备，即可实现动态实时响应的基于环境感知的拟态隐身系统的构建。之后将物体置于任何环境之中，表面都会展现出与外界环境相仿的图样，进行拟态隐身。

图4是本发明实现动态响应性拟态伪装隐身的技术原理示意图。首先由图像捕获设备进行周围环境图像捕获设备捕获环境图像，然后将图像传输至图像处理系统，图像处理系统会对图像处理，进行图像像素单元划分，产生对应颜色数字信号，构建信号矩阵，之后将信号矩阵转换为电流信号矩阵，将其传输至电响应性结构变色单元，此时表面微结构变色单元产生受激响应，实现变色，从而实现伪装表面呈现出伪装图像，达成伪装隐身。

Claims (9)

1.一种实现动态拟态伪装隐身的装置的制作方法，所述装置包括

图像处理系统，将输入图像处理系统中的图像，按照每种像素颜色信息与每种电信号唯一对应的关系，将图像中的每个像素颜色信息转换为电信号形成电信号矩阵；

有源矩阵式控制衬底，采用柔性复合材料，可自愈，对被伪装隐身物进行包覆，将图像处理系统输出的电信号矩阵成矩阵输出；

电响应性结构变色单元，其成矩阵覆盖在有源矩阵式控制衬底上，与电信号矩阵相对应，并接受图像处理系统成矩阵输出的电信号；根据电响应产生结构色变，对输入图像处理系统中的图像进行显示，完成动态拟态伪装隐身；

其特征在于：包括如下步骤：

第一步：对物体进行全面柔性拟态伪装表面的包覆；

(1)首先进行结构色隐身的光子晶体材料制备，将柔性材料表面进行微结构处理，实现周期性光子晶体复杂结构，使其周期为长程有序短程无序，制备能产生无角度依赖的结构色彩柔性材料；

(2)然后将材料进行块状分割，制备出大量的电响应性结构变色单元，分别进行测试，完成单个单元的微纳结构响应性动态可调谐变色；

(3)之后通过有源矩阵式操控线路的布局，选择具有柔性、可自愈、自响应和鲁棒性好的材料作为有源矩阵式控制衬底，通过微纳加工技术实现电路布局的制备，将此包覆在被隐身物体的表面；

(4)最后进行封装，将电响应性结构变色单元组装到有源矩阵式控制衬底表面，进行表面处理，增加鲁棒性，提高耐久度；

第二步：智能环境感知实现；

(1)首先将图像捕获设备安装到物体包覆面，进行与图像处理系统的连接，辅以微型色彩传感器，增加图像及颜色展示的真实程度，使仿真图样结果的色度和色调差异降至最低；

(2)然后处理图像捕获设备与周围电响应性结构变色单元之间边界；

第三步：拟态隐身系统的智能控制系统的实现；

(1)对于图像处理系统，首先构建算法程序，能够处理图像，并将图像进行像素划分，提取颜色信息；将采集到的环境图像进行系统的自动化处理，记录相应的位置、形状及颜色信息；

(2)然后构建算法程序，按照每种像素颜色信息与每种电信号唯一对应的关系实现颜色信息与电信号的转换，并将电信号通过有源矩阵传输到对应的表面电响应性结构变色单元矩阵中去；通过有源矩阵电流调控控制相应的结构单元进行变化；

(3)最后将上述装置，配有电源，实现动态拟态伪装隐身的装置的构建。

2.根据权利要求1所述的装置的制作方法，其特征在于：

所述装置还包括图像捕获设备，其对被伪装隐身物的周围环境进行图像捕获并输入到图像处理系统；所述图像捕获设备实时对被伪装隐身物周围环境进行捕获，并将图像实时传输到图像处理系统。

3.根据权利要求1所述的装置的制作方法，其特征在于：所述有源矩阵式控制衬底背部设置红外反射层，实现红外探测下的隐身。

4.根据权利要求2所述的装置的制作方法，其特征在于：所述图像捕获设备安装有颜色传感器。

5.根据权利要求1所述的装置的制作方法，其特征在于：所述电响应性结构变色单元由输入的电信号致使材料发生形变，从而实现结构色变。

6.根据权利要求1或5所述的装置的制作方法，其特征在于：所述电响应性结构变色单元是将电致形变材料表面进行微纳结构化处理，表面结构由于输入电信号，材料发生形变，表面结构会发生纳米尺度的变化，实现结构色的变化。

7.根据权利要求1所述的装置的制作方法，其特征在于：图像处理系统与有源矩阵式控制衬底之间的信号传输采用无线传输。

8.根据权利要求2所述的装置的制作方法，其特征在于：图像捕获设备与图像处理系统之间的信号传输采用无线传输。

9.根据权利要求1或5所述的装置的制作方法，其特征在于：电响应性结构变色单元是多种电致形变聚合物的组合构成复合材料，能在微弱电流下发生微纳米级形变，产生结构色。

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