[发明专利]一种选择性辐射红外隐身结构

说明书

技术领域

本发明涉及红外隐身技术领域，更具体的涉及一种选择性辐射红外隐身结构。

背景技术

红外隐身技术是通过降低或改变目标的红外辐射特征，从而使敌方红外探测设备难以发现或使其探测能力降低。物体红外辐射能量由斯特藩玻尔兹曼定律表征，W＝εσT⁴，其中，W为实际物体的辐射出射度，ε为物体的发射率，σ为玻尔兹曼常数，T为物体的热力学温度。可见，降低红外辐射的有效途径有两种，控制发射率和控制温度。目前，低发射率涂层是红外隐身主要技术手段之一，而热辐射与温度的四次方成正比，低发射率涂层阻碍目标通过辐射向外散热，可能会使目标的温度升高，不利于红外隐身，这种影响对高温目标尤为显著。事实上，大气分子以及云、雾、雨、雪等对某些频段的红外辐射具有很强的衰减作用，同时，红外探测器具有特定的频率响应特性，红外探测器的工作频段主要是位于3-5μm中波波段和8-14μm长波波段两个大气透明窗口。所以，理想的红外隐身涂层在大气透明窗口具有低反射率，而在大气透明窗口外具有高的发射率，具有热辐射窗口。然而，自然界中几乎所有材料的红外发射率不具备可控的频率选择特性，如何实现红外选择性辐射一直是各国研究者关注的问题。

为解决上述技术问题，通过发射频谱设计使武器系统在大气窗口外的频段(1.5-3μm，5-8μm)具有高发射率，而在大气窗口内(3-5μm，8-14μm)具有低发射率，武器系统产生的红外热辐射的频段落到大气窗口外的频率范围内，借助大气的吸收实现红外隐身效果。通过发射频谱设计的红外隐身材料不单是通过“堵”的方式，而且在大气窗口外开通了散热窗口，使得红外热辐射从某些设计频段内发射出来并被大气损耗掉，降低温度，进一步增强了红外隐身能力。

根据基尔霍夫定律，在热平衡状态下体系的电磁波吸收系数与辐射系数相等。因此，为了解决上述问题，需要开发选择性吸收的材料。超材料是由人工亚波长结构单元组成的复合结构，其电磁响应特性与结构单元尺寸密切相关。因此，利用红外超材料可以实现选择性辐射，目前已有大量的公开文献报道。但是，具有大气窗口低发射、大气窗口外高发射的选择性发射超材料在红外隐身技术中的应用目前尚未看到公开文献报道。

发明内容

本发明提供一种选择性辐射红外隐身结构，利用红外超材料的电磁谐振特性实现选择性热辐射，并通过发射频谱设计实现红外隐身技术。

具体的，选择性辐射红外隐身结构，包括多个红外选择性热发射单元，多个红外选择性热发射单元按周期p呈矩阵式排列分布；

每个红外选择性热发射单元包括由下到上依次设置的衬底层、金属背板、介质层和金属片层，金属片层包括第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片，第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片按照2*2的阵列设置在介质层上，且第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片的边长均不相同。

优选的，衬底层由Si片制成，衬底层的厚度为0.5mm。

优选的，金属背板和金属片层均由金制成。

优选的，介质层材料为损耗性的氮化硅，氮化硅的介电常数为3.8，损耗角正切为0.025。

优选的，金属背板的厚度为0.1μm，介质层的厚度为0.19μm，金属片层的厚度为0.08μm。

优选的，周期p为5.2μm。

优选的，第一金属片的边长为1.21μm，第二金属片的边长为1.28μm，第三金属片的边长为1.37μm，第四金属片的边长为1.45μm。

本发明具有以下有益效果：

本发明，采用叠加多吸收模的方法，电磁波垂直入射时，大气窗口内(3-5μm，8-14μm)发射率均低于0.1，而大气窗口之外(5-8μm)有一宽带吸波，吸收率大于50％的带宽为1.52μm，满足红外隐身的同时给目标提供了高效的散热窗口。

本发明的选择性辐射红外隐身结构，极化角从0°逐渐增加到85°，吸收峰的频率和幅值大小基本保持不变，该超材料的热辐射是极化无关的。

本发明的选择性辐射红外隐身结构，在不同温度下均能够对黑体的辐射谱进行调制，3-5μm和8-14μm的辐射能量接近零，满足双红外波段隐身要求。