绿色伪装涂料可见光和近红外反射率的探讨

绿色伪装涂料可见光和近红外反射率的探讨 马丽芳,时家明,陈宗胜 (电子工程学院 安徽省红外与低温等离子体重点实验室，安徽 合肥 230037) 摘要:绿色伪装涂料主要用于模拟背景中的绿色植物,其在可见光和近红外波段反射率的大小应与绿 色植物在该波段内反射率的大小相同或接近。在明暗两种背景下对植物绿叶的反射率进行了实际测 量,通过实验研究和理论表明,绿色植物在可见光和近红外的有效反射率与其实际反射率、透射 率以及背景的反射率均有关,因而在绿色伪装涂料的研制过程中,必须对这些因素进行综合考虑。所 得到的结论对绿色伪装涂料的研制具有一定的参考价值。 关键词:伪装涂料,可见光,近红外,反 射率 中图分类号:TN25 文献标识码:A 文章编号:1001-8891(2010)05-0268-05 Discussion on the Reflectivity of Green Camouflage Coating at Visible Light and Near-infrared MA Li-fang，SHI Jia-ming，CHEN Zong-sheng (Key Laboratory of Infrared and Low Temperature Plasma of Anhui Province, Electronic Engineering Institute, Hefei 230037, China) Abstract:Green camouflage coating, whose reflectance is similar to the green plant at visible light and near-infrared wave bands, is mainly used to imitate the green plant in background. The experiment and theoretical analysis of reflectivity about green leaves on bright and dark background indicate that the effectual reflectivity at visible light and near-infrared wave bands is related to the actual reflectivity of green leaf, the transmissivity of green leaf and the reflectivity of background. So it needs to make a comprehensive view on those factors when developing the green camouflage coating. The conclusion of this paper is available to develop green camouflage coating. Key words:camouflage coatings，visible light，near-infrared，reflectivity 种极其重要的迷彩伪装涂料，其在可见光和近红外反 引言射率的大小是一个非常值得研究的问题。本文在明暗 两种背景条件下对绿色植物在可见光和近红外波段 可见光和近红外侦察探测是军事上最常见也是 的反射特性进行了实际测量，结合理论分析所得到的 最成熟的探测技术之一，其工作原理主要是利用目标 结论对绿色伪装涂料的研制具有实际的指导意义。 与背景对可见光和近红外反射率的不同，将在探测器 [1]上产生较大的对比度，从而在背景中检测出目标。 对于非高温的军事目标，可见光和近红外的来源既可 1 实验原理与结果 [2] 以是太阳光，也可以是红外照明弹等人造光源。为 图 1 为本文实验的示意图，首先利用能发射可见 了防御敌方可见光和近红外的侦察探测，可见光和近 [3]光和近红外的光源照射背景，通过测量反射的可见光 红外迷彩伪装涂料在世界各国都得到了迅速发展， 其主要作用是涂覆在目标表面，通过模拟背景对可见 和近红外能量，获得不同背景的反射率，然后将样本 光和近红外的反射，从而减小目标与背景在可见光和 放置于背景上，从而测得样本在该背景下的反射率。 近红外波段的对比度。目前伪装迷彩颜色主要分为绿 实验测量过程中，反射光的能量使用荷兰 Avantes 公 [4]色、土色和中性色三大类，共 30 个颜色组成，其中 司生产的 AvnSpec-2048FT-8-RM 型光纤光谱仪进行 绿色伪装涂料主要用于模拟背景中的绿色植物，是一 测量，入射光源利用光谱仪自带的可见光和近红外光 源。首先利用该光源照射在可见光和近红外波段反射 收稿日期:2010-03-15。 作者简介:马丽芳(1983-)，女，安徽阜阳人，博士研究生，主要研究方向为光学伪装。Email: malifang525@163.com 基金项目: 安徽省红外与低温等离子体重点实验室基金资助项目(2007A005005E) 率近似为 1 的标准白板，得到标准白板反射光的能量 景条件下所测得的反射率随着绿叶层数变化的趋势作为基准，然后利用该光源照射样本，测量样本的反 与暗背景下的变化趋势基本一致。比较图 3 和图 4 可 射光能量，最后利用样本的反射光能量除以标准白板 知，在可见光波段内，不同层数绿叶在不同的背景下 反射光的能量即可得到样本的反射率大小。 所测得的反射率基本一致;而在近红外波段内，相同 实验过程中使用了暗背景和金属背景两种，其中 层数绿叶在不同的背景下所测得的反射率也有所不 同，绿叶层数越少，差别越大。当层数增加到 7 层后， 暗背景在 380,1200 nm 波段内的反射率在 0.03 左右， 这使得反射率的测量值较为接近样本的实际反射率; 两种背景所测得的反射率又基本趋于一致。而金属背景用于模拟绿色伪装涂料涂覆的军事目标 金属表面。图 2 为所测得的暗背景和平整金属表面反 射率曲线。为了探讨绿色伪装涂料在可见光和近红外 波段的反射率，实验中选用的样本为合肥地区夏季绿 色植物的叶片。图 3 为不同层数绿叶在暗背景下所测 得的反射率曲线，图 4 为不同层数绿叶在平整金属背 图 1 实验原理图 景下所测得的反射率曲线。 Fig.1 The principle of experiment 从图 3 可以看出，在暗背景下，可见光波段内所 2 实验现象的理论分析 测得的反射率随着绿叶层数的增加变化不明显，基本 假设单层绿叶样本的实际反射率为ρ，吸收率趋于定值;而在近红外波段内所测得的反射率随着绿 为 叶层数的增加而逐渐增大，且增大的趋势逐渐减弱， α，透过率为τ，则有: 最后也趋于定值。从图 4 可以看出，平整金属表面背 ρ，α，τ(1) ,1 (a) 暗背景表面的反射率曲线 (b) 平整金属表面的反射率曲线 图 2 背景反射率曲线 Fig.2 Reflectivity curve of background (a) 1 层绿叶 (b) 2 层绿叶 (c) 4 层绿叶 (d) 7 层绿叶 图 3 不同层数绿叶在暗背景下所测得的反射率 Fig.3 Measured reflectivity curve of different layers of leaves on dark background (a) 1 层绿叶 (b) 2 层绿叶 (c) 4 层绿叶 (d) 7 层绿叶 图 4 不同层数绿叶在平整金属背景下所测得的反射率 Fig.4 Measured reflectivity curve of different layers of leaves on slab metal 对置于背景板上的样品，假设 i 层绿叶的有效反 (i,1, 2, 3, …) (2) ,242(i 1)射率为ρ(i,1, 2, 3, …)，同时设背景反射率为ρτ，τ，…，τ]?ρ称为样本的实式中:[1，i 际反射 ， B 24,2(i 1)2i * 2i *ρ,[1，τ，τ，…，τ]?ρ(3) ρ,ρ，τ ?ρ(i,1, 2, 率，记为ρ。因此:i ii B i则有: 3, …) ，τ ?ρ B * 当ρ,0 或τ,0 时，ρ,ρ(i,1, 2, 表面，而这部分能量将误被作为样本反射的能量，从Bii 而使得样本有效反射率大于样本的实际反射率。 3, …)，即 图 5 为样本实际反射率一定时，背景反射率不同 样本的有效反射率等于样本的实际反射率。 当ρ?τ?0 时，透射到背景表面的能量将发生B条件下样本有效反射率与透过率之间的关系。 反 射，被反射的能量再经过样本发生层层透射到达 样本 (a) 样本实际反射率为 0.05 (b) 样本实际反射率为 0.5 (c) 样本实际反射率为 0.9 图 5 背景反射率不同时有效反射率与实际反射率之间关系 Fig.5 Measured reflectivity and actual reflectivity on different background reflectivity 从图 5 中可以看出，当背景反射率为 0 时，样本 一定的空隙，空隙相当于实验条件下的暗背景(反射 率接近于 0)，因而要求伪装涂料在可见光和近红外波 的有效反射率恒等于样本的实际反射率，而与样本的 透过率无关;当背景反射率不为 0 时，样本有效反射 段内反射率测量值的曲线应与暗背景条件下 1 层绿色 率与样本的透过率、样本的实际反射率以及背景的反 植物叶片的反射率曲线接近。从实验和理论分析的结 射率均有关。当样本的透过率较小时，样本有效反射 果可以看出，在可见光波段，1 层绿色植物透过率较 率受背景反射率的影响较小，其大小主要由样本的实 小，因此其反射率的测量值主要由其实际反射率决 际反射率决定;当样本的透过率较大时，样本有效反 定，而受背景反射率影响较小;在近红外波段，1 层 射率受样本的实际反射率、背景反射率以及样本的透 绿色植物的实际反射率和透过率均较大，因此其反射 过率共同决定，并且样本的透过率和背景的反射率越 率的测量值由其实际反射率、透过率以及背景的反射 大，样本有效反射率较其实际反射率越大。 率共同决定。 利用这一结论即可很好地解释本文前面的实验 类似地，对于绿色伪装涂料，在对其可见光和近 现象。在可见光波段内，1 层绿色植物叶片的透过率 红外波段反射率进行研究和测量时，也要综合考虑其 较小，其反射率的测量值(即叶片的有效反射率)主 透过率和背景反射率的影响。在可见光波段，绿色伪 要由其实际反射率决定，因此，所测得的反射率基本 装涂料的透过率一般都很小或为 0，其反射率测量值 趋于定值，与测试背景以及叶片的层数关系不大。而 主要由其实际反射率决定，与背景反射率关系不大， 在近红外波段，1 层绿色植物叶片的透过率较大，其 因此，在可见光波段内，绿色伪装涂料反射率曲线与 暗背景实验条件下 1 层叶片的反射率曲线接近即可。 反射率的测量值(即叶片的有效反射率)由其实际反 而在近红外波段，当伪装涂料的透过率很小或为 0 时， 射率、透过率以及背景反射率共同决定，因此，当叶 片层数较少时，相同层数的叶片在两种不同的背景下 其反射率测量值同样主要由其实际反射率决定，此时 绿色伪装涂料反射率曲线与暗背景实验条件下 1 层叶 所测得的反射率差别较大，且平整金属表面(反射率 较大)背景下测得的反射率大于暗背景下所测得的反 片的反射率曲线接近即可;而当涂料的透过率较大 射率;而当叶片层数增加到 7 层后，由于 7 层叶片的 时，必须考虑涂料所涂覆的背景对其反射率测量值的 整体透过率较小，因而两种不同的背景下所测得的反 影响，并根据涂覆背景反射率的不同，控制绿色伪装 射率又基本趋于一致。 涂料的实际反射率。对于涂覆在反射率较小背景条件 下的绿色伪装涂料，要求其实际反射率曲线应与暗背 3 结论 景实验条件下 1 层叶片的反射率曲线接近;而对于涂 考虑到在实际自然环境中，绿叶与绿叶之间都有 覆在反射率较大背景条件下的绿色伪装涂料，要求其 术, 2003, 25(1): 88-84. 实际反射率小于暗背景实验条件下 1 层叶片的反射 时家明 , 路远 . 红外对抗原理 [M]. 北京 : 解放军出版社 , 2002: [2] 率，以保证其实测反射率曲线与暗背景实验条件下 1 132-133. 层叶片的反射率曲线接近。 汪宁. 多频谱隐身篷布材料的研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2006: 8-9. 孙[3] 亚超. 计算机辅助迷彩图案生成[D]. 杭州: 浙江大学, 2008: 12-13. 张[4] 参考文献: [1] 费逸伟, 黄之杰, 刘芳. 防近红外侦察伪装涂料技术研究[J]. 红外技 建春. 迷彩伪装技术[M]. 北京: 中国纺织出版社, 2002: 35-36. [5]