可见光-红外多光谱兼容伪装与辐射制冷及微波透射的逆向设计研究

针对多光谱探测对传统伪装系统的挑战，研究人员提出融合NSGA-II算法与TMM的逆向设计框架，优化Ge/ZnS多层结构，实现可见光/中长波红外(3–5/8–14 μm)伪装、非大气窗口(5–8 μm)辐射制冷及微波(2–18 GHz)透射。该研究在400次迭代内获得多目标最优解，实测显示100°C下中长波红外辐射强度分别降低38.5%和33%，并额外实现5°C温降，为多光谱兼容设计提供新范式。

　　

在军事隐身技术与环境适应性材料领域，多光谱探测技术的快速发展对传统单一波段伪装系统形成严峻挑战。现代探测设备已实现从可见光、红外到微波的全谱段覆盖，而目标物体在不同波段的电磁响应往往存在矛盾：例如降低红外发射率可增强隐身效果，但会阻碍辐射制冷导致目标升温；微波透射需求又与高反射率的光学伪装相冲突。这种"隐身-散热-透波"的三角难题，成为制约多光谱兼容材料发展的核心瓶颈。

传统多层膜设计依赖经验试错法，需消耗大量计算资源。虽然深度学习能加速优化过程，但数据构建成本高昂且泛化性有限。更关键的是，现有单目标优化方法需人为设定权重系数，导致解集敏感且缺乏多样性。如何通过系统性方法协调多波段冲突需求，成为光电功能材料设计的重大科学问题。

针对这一挑战，国内研究人员开发了基于非支配排序遗传算法(NSGA-II)与转移矩阵法(TMM)的逆向设计框架。该研究创新性地将多目标优化理论引入Ge/ZnS多层膜设计，在400次迭代内同步优化五个波段性能：可见光(360–780 nm)环境色匹配、中波红外(MWIR, 3–5 μm)与长波红外(LWIR, 8–14 μm)低发射率伪装、非大气窗口(5–8 μm)高发射率辐射制冷，以及微波(2–18 GHz)高透射。实验证实，该选择性发射体在100°C时中长波红外辐射强度较硅基底分别降低38.5%和33%，并额外实现5°C温降，相关成果发表于《Materials Today Physics》。

关键技术方法
研究采用NSGA-II算法进行多目标优化，避免传统加权系数的主观性；通过TMM精确计算多层膜的光谱响应；利用电子束蒸发技术制备Ge/ZnS多层结构；采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和微波矢量网络分析仪分别测试红外发射率与微波透射率；基于CIE1931色度系统量化可见光伪装性能。

研究结果

VIS camouflage
通过调节ZnS顶层厚度实现CIE1931色度图中环境色(天空蓝、森林绿、沙漠黄等)的精准匹配，色坐标模拟与实测结果误差小于0.01。

Model demand of NSGA-II
构建五目标优化函数：可见光波段色差ΔE_ab
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最小化、MWIR/LWIR发射率ε<3–5μm>/ε<8–14μm>≤0.1、非窗口波段ε<5–8μm>≥0.7、微波透射率T<2–18GHz>≥0.9。Pareto前沿显示各目标间存在显著权衡关系。

Conclusion
制备的柔性发射体在弯曲状态下仍保持稳定性能，微波透射率达0.99，MWIR/LWIR发射率分别低至0.06和0.13，非窗口波段发射率达0.77。

讨论与意义
该研究首次实现"光学隐身-辐射制冷-雷达透波"三重功能集成，其创新性体现在三方面：方法论上，NSGA-II与TMM的结合为多冲突目标优化提供普适框架；材料学上，Ge/ZnS体系通过界面调控实现宽谱段响应；工程应用上，柔性设计适配复杂曲面。这种逆向设计策略可扩展至太赫兹屏蔽、太阳能吸收等领域，为智能光学材料和热管理器件开发开辟新途径。研究特别指出，辐射制冷功能的引入使目标温度主动降低，从根本上解决了传统红外伪装因目标发热导致的性能退化问题，这一设计理念对高温环境下的军事装备隐身具有重要实践价值。