基于光电协同调控复合型超表面的智能热伪装系统及方法

本发明属于热伪装，尤其涉及一种基于光电协同调控复合型超表面的智能热伪装系统及方法。

背景技术：

1、红外热伪装技术是隐身技术的一种，旨在隐藏或模仿物体的热量特征，使其看起来与周围环境的热特征相似或不易被探测到。它基于热辐射、热传导和热散射等热学原理，通过改变物体的温度分布或热辐射特性，以达到伪装的效果，在军事、安全、能源等领域具有广泛的应用。尤其在军事领域，为了不让敌红外侦察仪器发现、不被敌热红外制导武器击中，红外热伪装技术是现代战争中实施的一种主要伪装手段，其性能严重制约武器装备的掩护能力和保护效果，已成为影响武器装备在现代战场中生存能力和作战效果提升的瓶颈。然而，随着现代红外侦察手段的进步，传统静态热伪装技术已不能满足实际需求，在复杂的作战环境变化过程中极易暴露，一旦被敌侦察系统发现就会成为精确制导武器打击的目标。

2、热伪装的本质是平衡目标和背景之间的热辐射，调整局部发射率的辐射策略是目前常用的手段，通常通过调控中红外波段大气窗口的吸收/发射光谱来实现。由亚波长微纳米结构组成的超表面可实现电磁波的灵活调控，独特的逆向设计思路能够实现按需定制，被美国国防部列为六大颠覆性基础研究领域之首，是实现上述光谱调控的理想选择。

3、然而，传统静态超表面器件功能固定，虽然能够实现一定的热伪装功能，但是当外界环境的材质或者温度变化时，固定的热发射功能就会导致热伪装失效，亟待发展动态超表面器件以实现具备热辐射动态调节功能的动态热伪装技术，在此基础上通过加持智能手段进而能够实现自动适应复杂环境变化的自适应智能热伪装技术。

4、实现超表面器件的动态功能需要引入以相变材料为代表的活性材料，能够在如光、电、机械、化学等外部刺激下驱动，根据不同驱动条件下的材料特性转变实现超表面功能的动态切换，然而机械驱动和化学驱动涉及复杂的原理设计及消耗性的形变损伤或化学反应，如文献“dynamic plasmonic colour display”中，duan等人采用化学调控方法，基于镁纳米颗粒独特的加氢/脱氢动力学改变表面反射率来实现等离子体动态彩色显示，但这种驱动方式操作复杂、成本高、实用性差。相比之下，光驱动具有精度高、调控灵活的优势，电驱动具有大面积高效、实用的优势。

5、目前大多采用一种驱动方式来驱动单一相变材料超表面，导致其调控范围比较有限，无法覆盖所有常见材料的红外热发射率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于光电协同调控复合型超表面的智能热伪装系统及方法，以解决传统静态热伪装技术无法自动适应外界环境变化、以及单一相变材料超表面的热发射调控范围有限的问题。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案为：基于光电协同调控复合型超表面的智能热伪装系统，包括复合型超表面器件、调控单元和自适应处理单元；

3、所述自适应处理单元用于感知外界环境的热辐射信息并进行处理，并将处理结果转换为控制信号发送给调控单元；

4、所述调控单元用于接受所述自适应处理单元发送来的控制信号，并根据所述控制信号调控驱动组件；所述驱动组件包括超快激光调控器和电压调控器，所述控制信号用于调控所述超快激光调控器发出的超快激光的能量和脉冲偏振角度，以及用于调控所述电压调控器的输出电压；

5、所述复合型超表面器件由所述驱动组件驱动；所述复合型超表面器件采用多层结构，从下至上依次为基底、金属反射层、第一相变材料层和第二相变材料层；所述第二相变材料层采用非易失性形变材料层，所述第一相变材料层采用易失性形变材料层；所述超快激光调控器用于调控所述第二相变材料层，所述超快激光调控器发出的超快激光不能穿透所述第二相变材料层；所述电压调控器用于调控所述第一相变材料层；所述复合型超表面器件的红外发射率为第一相变材料层和第二相变材料层单个红外发射率的集合。

6、进一步，所述自适应处理单元包括控制器和红外辐射温度传感器，所述红外辐射温度传感器用于检测环境辐射温度并将数据发送给控制器，所述控制器接收所述红外辐射温度传感器发送的数据并对该数据进行处理。

7、进一步，所述第二相变材料层为硫系三元化合物材料层；所述第一相变材料层为钒氧化物材料层。

8、进一步，所述金属反射层的上侧镀有反射膜；所述电压调控器的正极和负极从金属反射层未镀膜的两侧接入；所述金属反射层通入电压后产生电流引起焦耳热，所述焦耳热通过热传递作用于所述第一相变材料层。

9、进一步，所述超快激光能量大于第二相变材料层的改性阈值并且小于第二相变材料层的烧蚀阈值。

10、进一步，所述超快激光调控器调控所述第二相变材料层的方法为：基于局部瞬时电子激发动态调制，调控超快激光的能量和脉冲偏振角度，实现选择性诱导第二相变材料层表面周期性改性波纹微纳结构加工；在已形成的表面周期性改性波纹微纳结构上进行二次超快激光辐照，实现第二相变材料层改性波纹微纳结构的动态调制。

11、进一步，所述控制器内存储有环境辐射温度与复合型超表面器件的红外发射率的对应关系表以及复合型超表面器件的红外发射率与第一相变材料层和第二相变材料层的相变程度的对应关系表。

12、为了达到上述目的，本发明的另一种技术方案为：一种基于光电协同调控复合型超表面的智能热伪装方法，利用上述的基于光电协同调控复合型超表面的智能热伪装来实现，包括以下步骤：

13、红外辐射温度传感器检测环境辐射温度并将数据发送给控制器，控制器接收红外辐射温度传感器发送的数据并对该数据进行处理并将处理结果转换为控制信号发送给调控单元；

14、调控单元接收到控制信号后分别调控超快激光调控器和电压调控器，使得超快激光调控器发出的超快激光的能量和脉冲偏振角度满足要求，电压调控器的输出电压满足要求；

15、超快激光调控器发出的超快激光作用于第二相变材料层，使得第二相变材料层发生相变；电压调控器的电压接入金属反射层，金属反射层通入电压后产生电流引起焦耳热，焦耳热通过热传递作用于第一相变材料层，使得第一相变材料层发生相变；从而使得复合型超表面器件的红外发射率发生变化，并且红外发射率与此时的环境辐射温度对应。

16、本技术方案的有益效果在于：

17、通过红外传感-分析处理-光电协同控制的完整闭环反馈系统，可以根据外界环境变化自适应调节复合型超表面器件的红外发射率，并应用于军事、安全等领域的热伪装。本发明基于复合多类相变材料的复合型超表面，通过光电协同调控易失性相变材料层、非易失性相变材料层发生相变，实现了超表面光学性能的灵活动态可调，克服了传统静态超表面一旦加工完成则功能固定、灵活性差等缺点，且复合型超表面器件较基于单一活性材料超表面的动态调控范围及调控方式灵活性大大提升。通过精确协同控制超快激光的脉冲能量以及电极电压，实时调控复合型超表面器件的相变程度及相变微纳结构的性质-形状特征，从而实现超表面宽范围热发射功能的按需调控，实现了高适用性、灵活性的热伪装应用。同时，通过将核心复合型超表面器件串联进闭环反馈系统，利用控制器分析红外辐射温度传感器感知外部环境变化的输入信号并输出光电协同控制信号按内置算法(对应关系表)实时调控核心超表面器件，实现了热伪装器件与环境之间热辐射特性的自适应智能匹配。本方案灵活性高，集成性高，实现了智能自适应热伪装，提高了热伪装器件对于复杂多变环境的适应性，本发明的提出在军事、安全、能源等方面具有至关重要的应用价值。