人体热红外隐身技术摘要：通过人体红外辐射特征的理论分析，结合热像仪探测原理及热红外隐身机理，探讨了实现人体热红外隐身的技术途径。

研究表明，人体红外隐身应主要控制8～14 μm 波段的红外辐射能量，降低服用柔性材料红外发射率及应用温控纤维/织物柔性材料，是实现人体热红外隐身的重要技术途径。

本文通过阅读大量文献，从理论分析与实践的角度分析了热红外隐身的原理及实现的途径，以及现价段的研究状况。

最后描述了今后热红外隐身的发展方向。

关键词：人体；热红外；隐身技术；相变材料; 伪装网; 涂层；1 引言热红外隐身技术是指对目标 3～5 μm 及8～14 μm 红外波段特征信号进行伪装、减缩和控制，以降低中远红外侦察装备对目标的探测和识别能力[1～3]。

提高单兵行动的隐蔽性和突防性，是现代高技术战争呈现的一大特点，随着先进的侦察探测技术如热像仪的出现，单兵的生存力和战斗力受到严重威胁，热成像技术在军事领域的快速渗透,使各种军事目标的生存也受到严重威胁,为此,以降低和消弱敌方热红外探测设备效能为目的的热红外伪装技术受到各国军方的广泛关注。

热红外隐身服的研究方向目前主要有（1）冷却目标；（2）改变目标的辐射性能；（3）采取条状覆盖层“混杂”辐射法；（4）应用防红外涂层。

国外开展对人体热红外隐身的研究起始于上世纪 90 年代初，美国1994 年开始实施“单兵热成像防护”的专门计划，发展能迷惑热探测器的隐身作战服，目前其研究水平处于领先地位。

目前国外可见光/近红外迷彩服用材料研究及应用技术较为成熟，因此热红外隐身服已发展成为单兵隐身的研究重点。

美、英、法、德、俄等国，在其各自的21 世纪单兵综合作战系统计划中，均将单兵热红外隐身技术列为研究重点，并已陆续试装具有防热红外侦察仪器探测性能的隐身服用材料，国内在该方面的研究则刚刚起步。

本文在查阅大量文献的基础上, 通过人体热红外隐身原理及热像仪探测机理的分析，结合部分探索性试验，探讨适宜的人体热红外隐身技术途径。

并针对目前热红外伪装技术的不足以及今后的发展方向,介绍三种新机理型热红外伪装体系。

2 人体红外辐射特征分析人体自身是一个红外辐射源。

皮肤的红外发射率很高，接近黑体，并且与种族、肤色和个性无关，如表1所示。

人体裸露皮肤温度通常为32℃～33℃。

若将人体看作黑体，并假设其红外辐射面积0.6m2，可通过斯蒂芬-玻尔兹曼定律、维恩定律等红外辐射理论计算出有关人体红外辐射特征数据，如表2 所示。

表1 人体的红外辐射特征波段范围/μm ＜5 5～9 9～16 ＞16 在总辐射能量中的分量/% 1 20 38 41表2 人体红外外辐射特征值人体总辐出度 490.66W⋅m－2光谱辐出度峰值 33.96W⋅m－2⋅μm－1平均辐射强度 93.76W⋅sr－1峰值波长 9.5 μm3～5 μm 波段的辐出度 6.87W⋅m－2，占总能量的1.4%8～14 μm 波段的辐出度 184.49W⋅m－2，占总能量的37.6% 表观温差是热像仪探测和识别目标的主要依据[9]。

夏季环境下，某些目标与背景的温差值如表3 所示。

表3 典型目标夏季野外平均温差值目标 ΔT/℃ 面积/(m×m) 坦克/侧面 5.25 2.7×5.25 坦克/正面 6.34 2.7×3.45 2.5 t 车/侧面 10.40 2.03×4.22 2.5 t 车/正面 8.25 2.03×1.67 自行炮/侧面 4.67 1.8×4.8 自行炮/正面 5.65 1.8×2.09 站立人 8.0 0.5×1.5表 3 表明，人体与环境的温差值较大，仅次于2.5 t 的车体，与其他目标相比，人体在背景下呈现显著的热源特征。

根据斯蒂芬2玻耳兹曼定律以及发射率的定义,对于发射率为ε的物体在单位时间内单位表面积上向半球空间辐射出的总能量为:E =εσT 4 =ε（λ，T ）111251-∙T c e c λλ （1） 其中: T 为物体的表面绝对温度ε物体的比辐射率σ斯蒂芬-波尔兹曼常数，即为黑体辐射常数c 1为普朗克第一辐射常数c 2为普朗克第二辐射常数λ辐射波长T 1黑体绝对温度为了减少目标的辐射能量使其与背景的辐射能量相近,达到隐身伪装的效果,需要改变目标的发射率ε和温度T ,使其与背景的发射率和温度相近是显而易见的措施。

这两个因素对辐射度效果的影响是不同的。

在较高温度情况下,温度将是影响目标辐射度的主要因素;在较低温(与环境温度接近) 情况下,发射率将是影响目标辐射度的主要因素。

同时,由于背景的复杂性,单一降低目标的发射率并不能提供有效的热红外隐身,而只有使目标各个部位的发射率不同,让目标热像图形分割,消除目标热像的典型轮廓,才能降低热像仪的识别能力,取得良好的热红外隐身效果。

物体辐射红外能量不仅取决于物体的温度，还决定于物体的比辐射率。

温度相同的物体，由于比辐射率的不同，而在红外探测器上显示出不同的红外图像。

对于灰体，比辐射率不随温度和波长变化，而对非灰体比辐射率式波长和温度的函数，若一般军事目标的辐射强于背景，可采用低比辐射率的涂料来降低目标的红外辐射能量。

另一方面，为降低表面的温度，热红外伪装涂层在可见光和近红外还具有较低的太阳能吸收率和一定的隔热能力，以使目标的表面温度尽可能接近背景温度，从而降低目标和背景的辐射对比度，减少目标的被探测概率。

采用 IR-913A 型热像仪，对人体白天和夜间的红外辐射特征进行探测，相关数据处理见表4。

表4 人体热像图中人体与背景的表观温度数据时间 区域Z[1] 区域Z[2] 平均温差最高 最低 平均 最高 最低 平均 （Z[1]平均－Z[2]平均）白天12 点 8 －4.1 1.6 4.3 －5.8 －2.4 4夜间12 点－24.4 －48.4 －39.2 －53.9 －66.9 －61.522.3试验结果表明，中午12 时人体上身的热像表观温度比背景草地高4℃左右，午夜0 时比背景草地温差高22.3℃，呈现出人体在昼夜不同时间下，与背景的红外辐射特征差异较大的现象。

通过上述人体的红外辐射特征分析及热像仪测试，可以认为单兵隐蔽性的主要威胁源于8～14 μm 波段的热红外探测，因此采取措施控制该波段内的红外辐射能量，是提高人体热红外隐身性能的关键所在。

3 人体热红外隐身技术途径理论分析热像仪探测时接收的能量为W＝W1＋W2，其中W1 为目标自身的红外辐射能量，W2 为目标对周围环境的反射能量，即W2＝(1－ε)W 环境。

W1 由斯蒂芬-玻尔兹曼定律决定，即W1＝εσT4，（式中σ为玻耳兹曼常数，ε为物体的红外发射率，T为物体的绝对温度）。

人体的红外辐射能量通常高于对环境背景的反射能量，通过降低红外发射率即降低W1 大于升高W2 对热红外隐身的贡献，所以降低红外发射率有利于降低热像仪接收能量。

目标表面的温度与周围环境的空气状态，除与目标内部散失的热量有关外，还与其太阳光吸收系数有关。

96%的太阳能可通过0.2～2.5 μm 波长范围传输，能量分布情况为：5%紫外光区域，45%可见光区域，50%近红外区域。

如果材料表面对太阳能的吸收系数较高，则材料表面温升较快，与背景温差加大，不利于热红外隐身。

上述分析表明，人体热红外隐身对隐身材料的技术要求为：（1）服用材料表面应具有较低的红外发射率；（2）服用材料应具有吸热或隔热效果；（3）降低服用材料表面的太阳吸收系数；（4）在可见光、近红外波段（0.4～1.5 μm）的光谱反射特性应与自然背景匹配。

低红外发射率表面和热阻隔均可实现目标红外迷彩效果；降低太阳光吸收系数，则能够降低目标与背景的温差，有利于红外隐身。

4 理论分析下热红外隐身的可行技术途径目前可实现单兵热红外隐身的技术途径有3 种方式：1）改变人体热红外辐射特性，即降低红外发射率；2）降低人体红外辐射强度技术，即热抑制技术；3）光谱转换技术，将辐射能量以8～14 μm 以外的波段辐射散除。

4.1 降低红外发射率4.1.1 目标发射率的影响因素目标与背景的红外辐射特征是目标与背景相互作用、相互影响的结果。

目标的背景,特别是移动目标的背景是相当复杂并在不停变化的。

目标的红外隐身伪装的一个方面就是调节目 标的发射率使目标的红外特征与环境的红外特征相适应。

影响目标发射率的因素有目标的材料种类、温度、热过程以及环境条件等。

作为移动目标坦克,热过程和环境条件是复杂难以改变的[2 ,6 ,7 ,10 ] ,故调节发射率主要是改变目标表面材料的种类和温度。

绝大多数非金属材料发射率值都较高,当温度低于77 ℃时,一般大于0. 8 。

当低于熔融温度时在0. 3～0. 8 之间,绝大多数金属的发射率都很低。

而植物叶子、人的皮肤、各种皮毛,在环境温度下都有很高的发射率,甚至可看作接近黑体的辐射表面。

温度对发射率的影响在不同材料、不同波长及温度范围内影响不一样,绝大多数非金属的发射率随温度的升高而减小,绝大多数金属发射率近似地随其绝对温度成正比增加。

4.1.2目标发射率的调节方式对于一般目标,由于其对太阳能的吸收和本身的发热使其表面温度比环境温度高,根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律,降低目标发现概率主要采用的手段之一就是降低目标表面的发射率ε。

当前降低目标表面发射率ε的主要方式是采用热红外隐身伪装涂料。

实现热红外隐身涂料的方法是采用低发射率粘合剂,添加各种颜料或填料制成涂料,在涂料底层掺入高反射微粒也能起到一定的发射率调节作用。

(1) 粘合剂的选择粘合剂是影响热红外涂料隐身性能的主要因素,很多研究者认为,涂料在红外波段的吸热能力至少有60 %取决于粘合剂。

因此,热红外隐身涂料粘合剂除应满足物理机械性能、施工性能等一般要求外,还应有对热辐射低吸收或高透明度的性能。

目前看来,符合此要求的是红外透明性良好的有机粘合剂和无机粘合剂。

红外透明聚合物既有较低的红外吸收率,又有较好的物理机械性能,是较理想的热隐身涂料粘合剂。

可供热隐身涂料选用的聚合物范围较广,如烯烃类:聚乙烯、聚乙烯与乙烯乙酸酯的共聚物、聚乙烯与乙烯醇缩醛的共聚物、聚乙烯与聚四氟乙烯的共聚物、聚乙烯与聚苯乙烯的共聚物;橡胶类:环状橡胶、丁基橡胶、硅橡胶;其他有醇酸树脂、硅醇酸树脂、聚氨酯。

实际上,高聚物的热性能是很复杂的,上述物质热性能相差极大。

热性能较好,作为热隐身涂料粘合剂报道的有Kraton 树脂、氯化聚苯乙烯、丁基橡胶。

热红外性能较差(ε≥0. 8) ,实际上并不适合作热隐身涂料粘合剂的有醇酸树脂、硅醇酸树脂、聚氨酯、硅橡胶、聚苯乙烯。

此外,聚乙烯热吸收率虽低,但工艺性能很差,亦不适合作涂料的粘合剂。

与有机粘合剂相比,无机粘合剂红外性能比较简单,红外吸收率也较低,但物理机械性能和施工性能较差。