發(fā)布時(shí)間：2022-03-26所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要 成像光譜技術(shù)能夠同時(shí)獲取目標(biāo)的圖像特征和光譜特征，很容易識(shí)別與背景環(huán)境光譜特征區(qū)別較大的傳統(tǒng)偽裝材料。近年來(lái)，成像光譜得到了迅速發(fā)展，經(jīng)歷了多光譜技術(shù)到高光譜技術(shù)的跨越，傳感器的探測(cè)波段數(shù)、光譜分辨率、空間分辨率的顯著提高。得益于各國(guó)ISR無(wú)人機(jī)
摘 要 成像光譜技術(shù)能夠同時(shí)獲取目標(biāo)的圖像特征和光譜特征，很容易識(shí)別與背景環(huán)境光譜特征區(qū)別較大的傳統(tǒng)偽裝材料。近年來(lái)，成像光譜得到了迅速發(fā)展，經(jīng)歷了多光譜技術(shù)到高光譜技術(shù)的跨越，傳感器的探測(cè)波段數(shù)、光譜分辨率、空間分辨率的顯著提高。得益于各國(guó)ISR無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，高光譜傳感器由星載拓展到機(jī)載，可以在更近距離對(duì)軍事偽裝目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，對(duì)具有重要價(jià)值的軍事目標(biāo)的生存能力構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。目前，應(yīng)對(duì)高光譜的偽裝材料主要設(shè)計(jì)思路是，選擇材料或材料體系具有與環(huán)境背景相似的顏色和光譜反射特征(傳感器探測(cè)范圍內(nèi))進(jìn)行復(fù)合，目的是與環(huán)境背景達(dá)到“同 色 同 譜”來(lái)躲避高光譜偵察。綠 色植被是最常見(jiàn)的偽裝背景，也是本領(lǐng)域絕大部分研究的光譜模擬對(duì)象，其反射光譜曲線在可見(jiàn)近紅外波段具有：“綠峰”、“紅邊”、“近紅外高原”和“水吸收帶”四個(gè)主要特征，分別由葉片的組織結(jié)構(gòu)以及葉綠素和水分產(chǎn)生。離體葉綠素光熱穩(wěn)定性較差，不能直接用作偽裝材料，所以尋找和合成穩(wěn)定性好、具有類葉綠素結(jié)構(gòu)及光譜特征的分子是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。此外，鉻綠和鈷綠是常用的偽裝顏料，具有類似綠色植被“綠峰”、“紅邊”和“近紅外高原”光譜反射特性，研究者將其與高吸水填料復(fù)合來(lái)引入“水吸收峰”，大致模擬 出綠色植被反射光譜，但是想要實(shí)現(xiàn)精確模擬，仍存在一些難以解決的問(wèn)題。從綠色植被光譜特征出發(fā)，分別闡述了模擬綠色植被可見(jiàn)光區(qū)和近紅外光區(qū)光譜特征的材料選擇依據(jù)及體系;同時(shí)介紹了它們?cè)诰_模擬植被光譜時(shí)存在的問(wèn)題，以及通過(guò)改性和復(fù)合來(lái)提升光譜相似度和耐候性的相關(guān)研究工作，總 結(jié) 并 展 望 了綠色植被光譜模擬材料要解決的重難點(diǎn)問(wèn)題和發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞 綠色植被;可見(jiàn)近紅外反射光譜;葉綠素;無(wú)機(jī)顏料
引 言
成像光譜技術(shù)能夠在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像的同時(shí)獲得目標(biāo)的光譜特征，用于軍事偵察能夠識(shí)別出軍事目標(biāo)與背景環(huán)境之間光譜特征的區(qū)別[1]。也就是說(shuō)，這一技術(shù)使得光譜信號(hào)不同于環(huán)境背景的軍事目標(biāo)完全暴露在其視野范圍內(nèi)。在如今信息化戰(zhàn)爭(zhēng)大背景中，被發(fā)現(xiàn)就意味 著 被 摧 毀，成 像 光 譜 技術(shù)使軍事目標(biāo)的生存能力受到嚴(yán)重威脅。為了應(yīng)對(duì)這一威脅，軍事目標(biāo)就需要在被探測(cè)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)與背景環(huán)境接近 “同色同譜”，即不僅具有相似的顏色，還要具有相似的光譜特征。通常情況下，處于地面的軍事目標(biāo)主要以綠色植被為偽裝背景，因此尋找和研究能夠模擬綠色植被光譜特性的仿生材料并將其應(yīng)用于軍事偽裝，對(duì)于提升軍事目標(biāo)的生存能力具有極為重大的意義[2]。
目前為止，通過(guò)研究者們的不懈努力，現(xiàn)有的高性能偽裝涂層和器材在顏色、圖案、亮度等方面能夠?qū)崿F(xiàn)與綠色植被背景的融合匹配，基本消除了軍事目標(biāo)在可見(jiàn)光波段的顏色和輪廓特征，并基本實(shí)現(xiàn)了在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)與綠色植被光譜特征的近似，可以有效地欺騙常規(guī)的成像偵察，但 其在可見(jiàn)近紅外區(qū)(400～2500nm)的精細(xì)反射光譜仍然與綠色植被差別較大。20世 紀(jì)80年 代 以 來(lái)，美國(guó)乃至全世界對(duì)發(fā)展高光譜技術(shù)的大量投入，使得高光譜傳感器的光譜分辨率和空間分辨率顯著提高。例 如 于2009年 發(fā) 射 升 空 的 Tac-Sat-3衛(wèi)星上搭載的 ARTEMIS高光譜傳感器在400～2500nm 波段范圍內(nèi)光譜分辨率最高可達(dá)到5nm，空間分辨 率 達(dá)到5m[3]。與此同時(shí)，近年來(lái)無(wú)人機(jī)(UAV)技術(shù)大量應(yīng)用于軍事情報(bào)、監(jiān)視和偵 察(ISR)。截 止2014年，美 軍 使 用 無(wú) 人機(jī)總數(shù)約為1萬(wàn)架[4]，俄軍也在各軍種成立了約70個(gè) 無(wú) 人機(jī)梯隊(duì)[5]。
圖1為星載高光譜和無(wú)人機(jī)載高光譜偵察示意圖。無(wú)人機(jī)技術(shù)搭載的高光譜傳感器能夠在更近距離提供更為精準(zhǔn)的戰(zhàn)場(chǎng)信息，使得不能精確模擬綠色植被光譜性能的偽裝涂料及其與綠色植被光譜特性之間的區(qū)別，都能被高光譜偵察可視識(shí)別[6]。
為了使高價(jià)值軍事目標(biāo)能夠有效對(duì)抗高光譜偵察探測(cè)，不被敵人發(fā)現(xiàn)和摧毀，亟待研發(fā)出一種能夠精確模擬綠色植被光譜特征的仿生材料。針對(duì)綠色植被在不同波段的光譜特性，總結(jié)了模擬綠色植被各個(gè)波段光譜的材料選擇，從 材 料光譜調(diào)控技術(shù)出發(fā)，討論了實(shí)現(xiàn)整個(gè)探測(cè)波段模擬綠色植被光譜特性的思路，并對(duì)未來(lái)綠色植被特征光譜仿生材料的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。
1 模擬綠色植被光譜特征的材料選擇
1.1 綠色植被光譜特征
不同種類綠色植 被 在 可 見(jiàn)-近紅外光區(qū)的反射光具有相似的特征，圖2(a)為16種常見(jiàn)綠色植被葉片的可見(jiàn)近紅外反射光譜曲線。可以看出，這些綠色植被葉片的可見(jiàn)近紅外反射光譜曲線都具有四個(gè)主要的特征，即“綠 峰”、“紅 邊”、 “近紅外高原”和“水吸收帶”。“綠峰”是指反射光譜在550nm處的較弱反射峰，“紅邊”是指光譜曲線在680～750nm 區(qū)間從低反射率迅速升高形成的陡峭斜邊;“近紅外高原”是指光譜曲線在780～1300nm 的近紅外光區(qū)整體具有較高反射率的平臺(tái)。從圖2(b)中可以看出，平臺(tái)反射率會(huì)隨著葉片層數(shù)的疊加而升高[7];“水吸收帶”是指在1450和1940nm 附近的強(qiáng)吸收峰，這一吸收峰是植物葉片中含有的大量水份產(chǎn)生的[8]。
在可見(jiàn)光區(qū)范圍內(nèi)，“綠峰”的產(chǎn)生是由于植物葉片中含有的葉綠素對(duì)433nm 的藍(lán)紫光和664nm 紅光的強(qiáng)烈吸收，而對(duì)492～577nm 的綠光幾乎無(wú)吸收，因此葉片顯示出綠色。表1中列舉了吸收光波長(zhǎng)與材料顏色的關(guān)系。不僅如此，664nm 處的強(qiáng)吸收與近紅外區(qū)的高反射形成的強(qiáng)烈反差，導(dǎo)致在680～750nm 區(qū)間“紅邊”的產(chǎn)生。有研究表 明，無(wú) 論是經(jīng)過(guò)人工方式除去葉綠素和自然衰老失去葉綠素的葉片，其反射光譜曲線中“綠峰”和“紅邊”特征會(huì)基本消失。隨著葉綠素的減少，紅邊發(fā)生輕微藍(lán)移并逐漸變?nèi)踔料А?/p>
在近紅外波段，葉片中各成分在780～1300nm 區(qū)域反射率都能達(dá)到65%以上。新鮮植物葉片由于其內(nèi)部柵欄組織和海綿組織中存 在 多 重 空 氣-細(xì) 胞 壁 界 面，光在其中經(jīng)過(guò)多次 反 射 后，該波段的反射率通常為55%左 右[9-10]，植 物 組 織的不規(guī)則表面以及細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞壁(折 射 率1.33～1.50)間分散的空氣(折射率1.0)對(duì)其反射率貢獻(xiàn)很大，從 而 形 成 了近紅外高原。
新鮮植物葉片中水分占葉片總質(zhì)量的50%～80%。在葉片的反射光譜曲線中，在1930，1450，1200和980nm 處可以觀察到四個(gè)強(qiáng)度依次減弱的吸收帶，它們都?xì)w因于水中O—H 振動(dòng)產(chǎn)生的倍頻與合頻吸收帶[11]，其 中 在1450nm處的一級(jí)倍頻和1940nm 處的合頻吸收帶是影響綠色植被近紅外反射的主要譜帶。
1.2 可見(jiàn)光區(qū)仿生材料的選擇
綠色植被在380～780nm 可見(jiàn)光區(qū)的反射光譜特征主要受到葉綠素分子軌道吸收的影響。葉綠素分子結(jié)構(gòu)由一個(gè)中心金屬為鎂離子的卟啉環(huán)和葉綠素醇兩部分組成，其中具有大π鍵共軛結(jié)構(gòu)的卟啉環(huán)的a2u(π)→eg(π* )躍遷和a1u(π)→ eg(π* )躍遷分別在400～490和580～680nm 產(chǎn) 生 兩 個(gè) 吸 收譜帶，是葉綠素分子中的主要生色基團(tuán)，也是綠色植被可見(jiàn)光區(qū)反射光譜的主要影響因素。所以，選用葉綠素本身或具有類葉綠素結(jié)構(gòu)的染料分子作為原料，來(lái)模擬綠色植被在可見(jiàn)光區(qū)550nm 處的“綠峰”和680～750nm 處 的“紅 邊”通 常能夠達(dá)到較好的效果。例 如，從植物中提取的離體葉綠素、含有葉綠素的干葉粉、葉綠素銅鈉鹽以及同樣含有卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)的酞菁類化合物[13-15]。圖3展 示 了 葉 綠 素a、葉 綠 素 銅 鈉鹽以及酞菁鋅的分子結(jié)構(gòu)以及紫外可見(jiàn)吸收光譜，從中可以看出，葉綠素銅 鈉 鹽 在 640nm 處 有 吸 收 峰，酞 菁 鋅 在 680nm 處有吸收峰，都與葉綠素吸收峰位置接近。
除此之外，部分綠色無(wú)機(jī)顏料也可以用來(lái)模擬綠色植被可見(jiàn)光波段的光譜特性，例如三氧化二鉻和尖晶石型的鈷系顏料。
此外，尖晶石型的鈷系顏料在可見(jiàn)光區(qū)與綠色植被的反射 光 譜 也 比 較 相 近。例 如 CoCr2O4 (Pigment Green26，PG26)，和氧化鉻類似，其光譜反射特性也是歸因于 Co2+ 中d電子軌道受到配位場(chǎng)作用產(chǎn)生能級(jí)分裂，電子在分裂后能級(jí)之間的 躍 遷 在 650～700nm 產(chǎn) 生 特 征 吸 收，且 在 700～1000nm 幾乎無(wú)吸收，故其反 射 光 譜 在700nm 左 右 反 射 率陡升，能夠較好地模擬綠色植被反射光譜中的“紅邊”特征。
1.3 近紅外光區(qū)仿生材料的選擇
在近紅外區(qū)域，綠色植被的光譜反射特征主要受到其葉片組織結(jié)構(gòu)和葉片中大量液態(tài)水的影響，呈現(xiàn)出高反射率的 “近紅外高原”以及兩個(gè)水吸收帶。因 此，模擬此波段光譜反射特性的仿生材料首先應(yīng)該在近紅外波段具有較高的反射率，滿足這一要求 的 材 料 有 氧 化 鉻、層狀雙金屬氫氧化物、多孔材料等。
氧化鉻的反射率從680nm 開(kāi)始隨著波長(zhǎng)急劇上升直至800nm，此后在近紅外光區(qū)表現(xiàn)為穩(wěn)定的高反射率，光譜曲線呈現(xiàn)為平臺(tái)狀，與綠色植被的“近紅外高原”特征具有相似性。從圖5中可以看出，氧化鉻在靠近近紅外區(qū)域約720nm處，還存在一個(gè)由 Cr3+ 電子軌道4A2g→2Eg 躍遷引起的吸收帶，這個(gè)躍遷既是宇稱禁阻的，又是自旋禁阻的，因 此 其 強(qiáng)度較低，且在近紅外光區(qū)無(wú)特征吸收，從而造成反射率的陡升及在整個(gè)近紅外波段的高反射率，能夠較好地模擬綠色植被在此波段的反射光譜。
層狀雙金屬 氫 氧 化 物(layereddoublehydroxide，LDH)通常也稱為類 水 滑 石 化 合 物。圖 6為 LDH 的 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖，可以看出 LDH 每一層的層板由二價(jià)金屬離子和半徑大小相似的三價(jià)金屬離子的氫氧化物交替組成，層與層之間通過(guò)與陰離子的電荷相互作用以及與水分子形成的氫鍵結(jié)合起來(lái)，因此在近紅外區(qū)域具有較高的反射率，且其層間保留的結(jié)晶水 也在1450和1940nm 兩處產(chǎn)生吸收。2017年南京航空航天大學(xué)王晶等提出此類化合物可用于模擬植物葉片反射光譜，采用共沉淀法制備出了以 Mg2+ 和 Al3+ 為層板金屬陽(yáng)離子的 Mg-Al-LDH 材料，其在近紅外光區(qū)(780～2500nm)與植物葉片的光譜相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.9600，光譜夾角余弦值超過(guò)0.9700，且具有較好的熱穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)180℃熱處理后光譜相似度并未明顯降低。2018年同課題組的楊玲等[16]改 變了層板金屬陽(yáng)離子，制備出了 Mg/Al-LDH，Zn/Al-LDH 和Zn/Mg/Al-LDH，并測(cè)試了它們的紅外發(fā)射率、可 見(jiàn) 近 紅 外光譜和 熱 穩(wěn) 定 性。結(jié) 果 表 明3種 LDH 中 Mg-Al-LDH 不 僅熱穩(wěn)定性最好，而且與綠色植被光譜在近紅外光區(qū)反射光譜相似度最高，達(dá)到0.9741，紅外發(fā)射率也與綠色植被最為接近。
一些多孔材料的結(jié)構(gòu)類似葉片中的柵欄組織，在近紅外區(qū)都具有的高反射率，還具有很高的 比 表 面 積，在 充 分 吸 附空氣中的水分后，也能在1450和1940nm 產(chǎn)生水的特征吸收。另外，像紙張等具有類似于植物葉肉組織的疏松多孔結(jié)構(gòu)的材料也能在近紅外區(qū)域提供合適的光譜反射率。
2 仿生材料的光譜調(diào)控
2.1 現(xiàn)有仿生材料存在的問(wèn)題
盡管在可見(jiàn)和近紅外光區(qū)都能分別找到一些能夠模擬綠色植被光譜反射 特 性 的 材 料，但是想要實(shí)現(xiàn)在可見(jiàn)-近 紅 外整個(gè)波段實(shí)現(xiàn)與綠色植被“同色同譜”，上述的每種材料都存在一定的局 限 性。比 如，離體葉綠素在環(huán)境中容易受到光照、酸、堿、熱等因素的影響而發(fā)生分解，從 而 失 去 其 光 譜反射特性;氧化鉻最大的問(wèn)題在于其反射光譜曲線在650～780nm 區(qū)域上升的斜率低于綠色植被的“紅 邊”，而 且 起 止位置也存在一定偏差;尖晶石型鈷系顏料雖然能夠很好地模擬綠色植被光譜的“紅 邊”特 征，但 是 其 在1300～1700nm處的特征吸收導(dǎo)致反射光譜曲線在此處存在凹陷，不能模擬綠色植被在“近紅外高原”的平臺(tái)特征。劉志明等[6]將尖晶石型鈷系偽裝涂料和長(zhǎng)沙地區(qū)梧桐葉片的近紅外反射光譜分別進(jìn)行了直接轉(zhuǎn)換成像和一階微分轉(zhuǎn)換成像。這兩種方法都能對(duì)偽裝涂料進(jìn)行可視識(shí)別，而且一階微分轉(zhuǎn)換成像后，兩 者對(duì)比更 加 明 顯，可 以 更 容 易 地 識(shí) 別 出 偽 裝 涂 料;類 似 地，LDH 和多孔材料等在近紅外光區(qū)的光譜曲線具有類似于綠色植被光譜的特性，但是它們對(duì)于綠色植被可見(jiàn)光區(qū)的反射特性模擬效果較差。
由此可見(jiàn)，想要在400～2500nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi) 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 綠色植被光譜曲線的精確模擬，單獨(dú)依靠上述的某一種材料是很難達(dá)到的，這就需要對(duì)其進(jìn)行改性，或者與其他材料形成復(fù)合材料體系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有材料光譜反射特性的有效調(diào)控，在真正意義上實(shí)現(xiàn)與綠色植被“同色同譜”。
2.2 仿生材料的改性
為了解決現(xiàn)有仿生材料存在的問(wèn)題，研究人員嘗試對(duì)材料進(jìn)行改性。改性是指通過(guò)物理和化學(xué)方法改變材料形態(tài)或性質(zhì)的方法，針對(duì)不同材料的不同問(wèn)題，改性的手段也不同。為了解決離體葉綠素在環(huán)境中耐候性差、容 易 分 解 的 問(wèn)題，國(guó)防科技大學(xué) 的 劉 志 明 等[17]嘗試對(duì)葉綠素進(jìn)行化學(xué)改性，將提取出的離體葉綠素，通過(guò)金屬離子取代等過(guò)程制備得到一系列葉綠素衍生物。與天然葉 綠 素 相 比，這 些 衍 生 物具有更好的光熱穩(wěn)定性，其中油溶性銅葉綠素的熱分解溫度達(dá)到85 ℃，高于天然葉綠素的分解溫度40℃，而 且 其 紫 外可見(jiàn)吸收峰的位置較天然葉綠素相比并未發(fā)生顯著改變。
為了減小無(wú)機(jī)顏料氧化鉻的光譜反射曲線與綠色植被的差異，研究人員通常對(duì)氧化鉻采取摻雜改性的方法。由 于 氧化鉻晶格中只有2/3的八面體空隙被 Cr3+ 占據(jù)，所以 Cr2O3可與大多數(shù)過(guò)渡金屬離子形成固溶體。隨著摻雜離子種類及其含量的不同，其物相結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和帶隙寬度會(huì)產(chǎn)生改變，從而表現(xiàn)出不同的顏色和光譜特性，例 如，紫 色(Sn)、藍(lán)綠色(Co)、綠色(Al/Ti/Fe)、紅 色(Y)等[16-19]。電 子 科 技大學(xué)的周元?jiǎng)譡22]引入了具有相似離子半徑的高價(jià)金屬離子Ti4+ 和 V5+ 對(duì) Cr2O3 進(jìn)行一元摻雜，通過(guò)影響d電子的相互排斥作用，使 Cr2O3 的4A2g →4T2g和4A2g →4T1g吸 收 峰 產(chǎn) 生寬化，可見(jiàn)光反射率下降。同時(shí)，隨著摻雜離子含量的提高，Cr2O3 近紅外反射率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。電 子 科 技大學(xué)陳亮[23]結(jié)合氧化鉻和尖晶石鈷系顏料的優(yōu)點(diǎn)，采 用 固相合成反應(yīng)制備了 Co和 Ti摻雜的 Cr2-x-0.02CoxTi0.02O3 顏料，研究了顏料物相結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)隨成分變化的規(guī)律，以及顏料微觀結(jié)構(gòu)對(duì)紅外及光譜反射特性的影響。圖7為摻雜前后各相光譜曲線對(duì)比圖，結(jié)果表明，Co2+ 的摻入能有效降低氧化鉻在550～700nm 的光譜反射率，更接近綠色植被光譜反射曲線的“紅邊”特征，但同時(shí)也會(huì)降低在1300～1700nm 波段的 光 譜 反 射 率。這是因?yàn)楫a(chǎn)物形成了尖晶石相的CoCr2O4，產(chǎn)生了尖晶石型鈷系顏料中 Co2+ 在1300～1700nm 處的特征吸收。
本文來(lái)源于：《光譜學(xué)與光譜分析》系中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管，中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)主辦，由鋼鐵研究總院、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、北京大學(xué)、清華大學(xué)聯(lián)合承辦的學(xué)術(shù)性刊物。刊登主要內(nèi)容：激光光譜測(cè)量、紅外、拉曼、紫外、可見(jiàn)光譜、發(fā)射光譜、吸收光譜、X-射線熒光光譜、激光顯微光譜、光譜化學(xué)分析、國(guó)內(nèi)外光譜化學(xué)分析最新進(jìn)展、開(kāi)創(chuàng)性研究論文、學(xué)科發(fā)展前沿和最新進(jìn)展、綜合評(píng)述、研究簡(jiǎn)報(bào)、問(wèn)題討論、書(shū)刊評(píng)述。
在此基礎(chǔ)上，引入電子躍遷吸收位于紫外波段的 Zn2+代替部分Co2+ [23]。結(jié)果表明，隨著摻入含量的增加，顏料在整個(gè)可見(jiàn)近紅外波段反射率都有不同程度的升高，且紅邊的位置向短波移動(dòng)，說(shuō) 明 Co2+ 電子軌道能級(jí)分裂程度隨之增大;另 外，引 入 Mg2+ 會(huì)導(dǎo)致顏料紅邊反射率突變起始點(diǎn) 藍(lán)移;引入 Ni2+ 會(huì)顯著降低顏料的近紅外反射率，同時(shí)也會(huì)降低可見(jiàn)光530nm 處的反 射 峰 強(qiáng) 度，導(dǎo)致顏料由藍(lán)綠漸漸變?yōu)辄S綠。總的來(lái)說(shuō)，氧化鉻的金屬摻雜常常在改變 Cr3+ 的電子躍遷吸收同時(shí)，帶來(lái)由雜原子的電子躍遷產(chǎn)生的吸收，產(chǎn)物的光譜特性 通 常 難 以 預(yù) 測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的光譜調(diào)控。目前，關(guān)于氧化鉻非金屬摻雜及配體改性對(duì)光譜影響研究還較少，這兩種改性手段可以針對(duì)性地改變Cr3+ 的配位場(chǎng)強(qiáng)度，從而調(diào)控其電子躍遷吸收能量，有望成為未來(lái)調(diào)控氧化鉻光譜特征的方向。
2.3 仿生材料的復(fù)合體系
單一的仿生材料在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)能夠較好地模擬綠色植被的反射光 譜，通過(guò)把這些材料的優(yōu)勢(shì)波長(zhǎng)范圍結(jié)合起來(lái)，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)可見(jiàn)近紅外光區(qū)對(duì)綠色植被反射光譜的精確模擬。研究者在這方面進(jìn)行 了 很 多 工 作，主 要 思 路是設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)將不同優(yōu)勢(shì)波段的仿生材料結(jié)合形成復(fù)合體系。南京航空航天大學(xué)的秦銳等[24]在微乳液中原位聚合得到了一種聚脲醛微膠囊。圖8展示了這種微膠囊的合成過(guò)程，其中包裹水/油體系中含有葉綠素以及酰胺基與羥基兩種親 水 基 團(tuán) ，整個(gè)微膠囊體系 在300～2500nm波 長(zhǎng) 范 圍 內(nèi)與綠色植被光譜夾角余弦值達(dá)到0.972。
劉志明[25]對(duì)發(fā)泡聚氨酯材料進(jìn)行微膠囊化處理，并 在其中包裹水和葉綠素衍生物，得到的復(fù)合體系在300～2600nm 波段與綠色植被的光譜相似度達(dá)到0.969，但其“紅邊”一階微分峰值較綠色植被藍(lán)移了30nm，且體系中的水分無(wú)法長(zhǎng)期保持。楊玉杰等[26]在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了四層結(jié)構(gòu)，將葉綠素封裝于聚乙烯醇中，將水封裝于聚偏二氯乙烯薄膜中，將仿生材料與綠色植被的光譜相似度提升至0.9983，且 實(shí) 現(xiàn)了在室外光照三個(gè)月后，仍保留其光 譜 反 射 特 性。解 放 軍 理工大學(xué)的蔣曉軍等[27]采用有機(jī)親水高分子聚乙烯醇作為成膜劑，氧化鉻和大分子黃作為著色劑，結(jié) 合 其 他 助 劑，通 過(guò)澆鑄成膜得到的仿生材料，不僅能夠在380～2500nm 波 段模擬植被的反射特性，還能在全天時(shí)間內(nèi)具有足夠的水分吸脫附量，從而實(shí)現(xiàn)了模擬植被蒸騰作用和紅外輻射特征的效果。李敏等[12]以活化后的微晶纖維素為高吸水材料，與氧化鉻、干葉粉一起加入聚氨酯中，刷涂或噴涂固化后得到的涂層與綠色植被在400～2500nm 范圍內(nèi)光譜相似系數(shù)達(dá)到0.9601，但是涂層的反射光譜在“綠峰”和“紅邊”之間出現(xiàn)了一個(gè)多余反射峰，而且整體反射率也 偏 高。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)高穎[28]研制出了一種以聚乙烯醇為主體、氯 化 鋰 和 氧 化鉻為添加劑的復(fù)合涂層，其與綠色植被光譜 相似度達(dá)到0.945，并通過(guò)聚乙烯醇的交聯(lián)改性對(duì)涂層的溶脹度和吸濕量進(jìn)行了優(yōu)化，還通過(guò)四光流模型計(jì)算了氧化鉻和水含量對(duì)光譜相似度的影響。
3 結(jié)論及展望
近年來(lái)，高光譜偵察探測(cè)技術(shù)的光譜分辨率和空間分辨率越來(lái)越高，而且無(wú)人機(jī)技術(shù)的大量應(yīng)用極大地縮減了傳感器與目標(biāo)之間的距離，對(duì)軍事偽裝仿生材料模擬綠色植被光譜特征的精準(zhǔn)程度提出了更高的要求。目前已報(bào)道出來(lái)的單一仿生材料只能在特定波段較好地?cái)M合綠色植被反射光譜曲線，而且在耐候性和光譜相似度等方面都存在一些問(wèn)題。目前通過(guò)改性和多種材料復(fù)合的方式來(lái)結(jié)合各仿生材料在不同波段的優(yōu)勢(shì)并增強(qiáng)體系的耐候性是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是在目前已報(bào)道的材料體系中，由于活性親水基團(tuán)的引入以及過(guò)于精細(xì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，材料體系容易受到環(huán)境因素的影響發(fā)生變質(zhì)或破壞從而失去原有性能，難以滿足軍事偽裝材料在野外復(fù)雜環(huán)境中的實(shí)用需求。
綜上所述，綠 色 植 被 可 見(jiàn)-近紅外反射光譜模擬材料未來(lái)的研究重點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面：首 先，就 綠 色 植 被光譜特征形成機(jī)理來(lái)說(shuō)，完善葉綠素在葉片中的化學(xué)環(huán)境對(duì)其光譜特性的影響，探索植物葉片中保留大量水分的機(jī)制，從模擬其化學(xué)環(huán)境和生物結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，選 擇 合 適 材 料，設(shè)計(jì)類似的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)其光譜曲線的模擬;其 次，研 究 現(xiàn) 有材料光譜調(diào)控技術(shù)，建立材料組成結(jié)構(gòu)與光譜之間的聯(lián)系，提出新的改性方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有材料光譜精確可控調(diào)節(jié);最后，研究不同波段仿生材料的兼容性，優(yōu)化設(shè)計(jì)出合理的復(fù)合體系，改善各材料之間的界面強(qiáng)度，降低整個(gè)體系化學(xué)活性，以解決仿生涂層實(shí)用性問(wèn)題。——論文作者：謝東津，呂呈龍，祖 梅* ，程海峰
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