植物叶片红外发射和太阳光谱反射特征形成机制及新型功能仿生伪装材料的研制

The ultimate goal of the camouflage system is to achieve full-band merging into the surrounding vegetation. However, the simulating of infrared emission and the solar spectrum (250-2500nm) reflection characteristics of vegetation has been a huge obstacle difficult to break through for long time. Considering the influence of transpiration on the infrared emission characteristics of vegetation and the important role of the water content in the forming of the solar spectrum reflection characteristics, the applicant is now proposing a novel way to realize the bionic camouflage, i.e., a new type of bionic plant leaves based on hygroscopic polymer materials. The new material would not only be able to achieve passive simulation of vegetation infrared features, but also to realize the simulation of the reflection characteristics in total solar spectrum. The research contents are: the impacts of heat and mass transfer processes, surface characteristics and surrounding conditions of the plant leaves on the infrared emission characteristics of vegetation; the influences of the pigment, the moisture and the construction of plant leaves on the solar spectrum characteristics; the preparation methods of the new bionic leaves based on hygroscopic polymer materials and the realization of the bionic functions; establishing an experimental simulation system, conducting theoretical and experimental studies to optimize the system performance. The objectives are: 1) elucidating the formation mechanism of the infrared emission and solar spectrum reflection characteristics of vegetation; 2) establishing the theoretical and material foundations for the functional bionics of vegetation; 3) providing key technologies to establish a passive bionic camouflage system driven by the surrounding environment.

追求与环境植被背景全波段融合是伪装装备的最高目标，但现有伪装材料难以实现植被红外辐射特征和全太阳光谱（250-2500nm）反射特性的模拟。考虑到蒸腾作用对植被红外特征的重要影响以及水分对其太阳光谱反射特性的重要作用，申请者提出基于吸湿性高分子材料研制功能仿生伪装材料的创新思路，该方法有望在实现植被红外特征逼真仿真的同时，实现植被全太阳光谱反射特性的模拟。主要研究内容为：植被叶片红外辐射特征与其质量和能量输运、表面特性以及环境条件之间的关系；植被叶片太阳光谱特征与其色素和水分含量及结构之间的内在联系；基于吸湿性高分子材料研制功能仿生伪装材料及其仿生功能实现；建立实验仿真系统，进行实验效果验证，实现系统性能的优化。研究目标为：1）掌握植被红外辐射特征和太阳光谱反射特性的形成机制；2）为功能仿生伪装提供基础材料和设计思路；3）为基于环境条件驱动的仿生伪装网提供关键技术。

追求与环境植被背景全波段完全融合是伪装装备的最高目标，需对植物叶片红外辐射特征和全太阳光谱（250-2500 nm）反射特征的形成机制进行研究，指导仿生材料的制备以实现全波段伪装。叶片传热传质模型的计算结果表明，蒸腾作用在叶片散热过程中具有重要作用，整个夏季叶片蒸发潜热约为总散热量的32.9%。红外发射率测试实验结果表明，绿色植物叶片均具有高发射率特征，在8−14 μm波段内植物叶片的发射率均大于0.9。另外，我们测试了典型植物叶片的太阳光谱反射率，结合PROSPECT模型分析了影响叶片反射特征的重要因素，解释了植物叶片太阳光谱反射特征的形成机制。考虑到蒸腾作用对植被红外特征的重要影响以及水分对其太阳光谱反射特性的重要作用，我们提出基于亲水性材料研制新型功能仿生伪装材料的方法。该仿生材料以亲水高分子作为基材并添加强吸湿盐，利用日间低湿度环境下仿生材料的脱水性能实现了对蒸腾作用的模拟，进而实现了对植物叶片红外辐射温度的模拟。此外，我们还添加了绿色颜料，使仿生材料能够模拟植物叶片在可见光区域的光谱特征。户外全天候红外辐射温度测试实验结果表明，仿生材料与桂花树叶片的平均温差为0.18℃，最大温差为0.55℃，仿生材料能够模拟植物叶片温度的变化趋势。太阳光谱反射率测试实验结果表明，仿生材料可模拟植物叶片的绿峰、红边、近红外高原和水分吸收谷特征。为优化仿生材料的伪装效果，我们结合四光流模型分析了仿生材料中组分含量与其太阳光谱反射特征的关系。计算结果表明，当Cr2O3体积分数为1.61%且水分体积分数处于9.75%~51.92%之间时，仿生材料与植物叶片反射曲线的相关系数达0.954以上。本项目成果将促进太阳光波段及红外波段兼容伪装仿生材料的发展，在仿生工程及国防领域具有重要意义。