基于光学透明混沌编码超表面的雷达-红外多尺度双隐身

《Nano-Micro Letters》：Radar-Infrared Multi-Scale Bi-Stealth via Optically Transparent Chaotic Coding Metasurface

　　

多光谱探测技术的快速发展迫切需要对微波和红外(IR)特征进行同步抑制。然而，传统策略在雷达截面(RCS)与红外辐射特性的协同控制方面存在功能集成有限、结构复杂和可扩展性差的问题。研究人员在此提出一种结合混沌范式与多尺度策略的方法，利用单层编码氧化铟锡(ITO)平台解决雷达-红外-光学多光谱隐身问题。该架构涵盖毫米级代表性单元、厘米级相位编码子阵列和分米级超阵列，并在理论上建立了混沌初始条件与微波/红外响应之间的直接关联。具体而言，研究人员采用混沌编码这一确定性伪随机编码方法，受混沌系统对初始条件敏感性的启发构建超阵列。调节混沌初始参数能够在实现可控空间红外发射率调制的同时，凭借多波矢机制保留宽带本征微波扩散。为验证该设计，研究人员制备了一个概念验证超器件，实验结果表明在X/Ku波段(8～18 GHz)内，入射角高达45°时实现了超过10 dB的宽带RCS减缩，红外发射率低于0.3，且光学透射率高达71.2%。该策略具有超薄轮廓(3.35 mm，约0.09 λL)、轻质、光学透明和易于制造的特点，为多尺度多光谱隐身应用提供了一条可行途径。

多光谱融合探测系统的快速演进使得传统单波段隐身技术逐渐失效，尤其在集成雷达与红外传感能力的监视侦察系统中表现尤为明显。目前传统隐身方法存在三个根本局限：首先，微波（厘米级）与红外（微米级）波段的巨大波长差异导致需要多阶结构缩放，引发几何兼容性与设计集成的固有冲突；其次，微波隐身的吸波或散射机制与红外低发射率需求存在内在矛盾；第三，传统多层架构通常需要亚微米级对准精度，在工业量产中存在严重的制造与可扩展性障碍。现有雷达红外双隐身技术依赖功能复合材料和多层超表面架构，但往往受限于可见光透射率差及层间对齐偏差等问题。因此，亟需开发兼具透明性的新型多光谱隐身技术以解决当前困境。研究人员开展了基于单层氧化铟锡(ITO)平台的混沌范式与多尺度策略研究，以实现微波红外双隐身及光学透明兼容。研究得出结论，该混沌编码超表面在8至18 GHz内实现大于10 dB的RCS减缩，红外发射率约0.23，光学透射率71.2%，且具有超薄、轻质特性。该研究意义重大，为多功能可扩展的多光谱隐身集成提供了一条确定性的混沌编码途径，发表在《Nano-Micro Letters》。

作者为开展研究所用到的几个主要关键技术方法包括：采用多尺度设计范式，构建毫米级代表性单元、厘米级3×3相位编码子阵列及分米级混沌算法生成的元阵列；引入比例因子α关联“0”与“1”单元占比以协同控制红外发射率与微波RCS；选用氧化铟锡(ITO)-聚氯乙烯(PVC)-ITO夹层结构作为代表性单元，通过调节ITO方阻与厚度平衡微波、光学及红外性能；基于洛伦兹(Lorenz)混沌系统生成确定性伪随机二进制编码序列以排布反射相位；建立等效电路模型(ECM)分析代表性单元的反射系数与相位特性；利用全波仿真与理论计算对比验证微波特性；最终通过磁控溅射制备ITO样品并进行双站雷达RCS与红外热成像实验验证。

Design of Representative Elements。研究人员采用多尺度编码超表面策略，提出ITO-PVC-ITO夹层单元以实现成本效益、轻质及光学透明。通过固定相邻贴片间隙g_n=0.1 mm，单元宽度w_n由N决定，红外总发射率ε_total随N增加单调上升，故需较小N以获取低红外发射率，热成像结果证实N越大表观温度越高。微波特性方面，选取PVC厚度h=3 mm以优化反射振幅|Γ|与带宽，代表性单元“0”(N₁=3)与“1”(N₂=15)在高频下保持高反射率及角度稳定性。通过建立等效电路模型(ECM)将ITO贴片建模为串联RLC电路，理论计算与全波仿真在S₁₁谱上吻合良好，证实几何参数N可调控输入阻抗Z_in从而决定反射幅相特性。

Results and Discussion。

Design of Chaotic Coding Metasurface。研究人员基于维纳-辛钦定理指出远场散射图样由反射系数分布r(x,y)的傅里叶变换支配，需均匀波扩散以实现最佳散射。传统棋盘格填充比固定为50%限制红外隐身，故采用洛伦兹混沌模型生成编码，通过初值(m_x0, m_y0, m_z0)敏感性调控比例因子α与总发射率ε_total（理论值α范围0.34~0.65，ε_total最低0.19最高0.25）。微波RCS减缩σ_r由α与相位差Δφ决定，理论要求在7.4~17.1 GHz内满足Δφ近180°以实现宽带减缩。仿真表明混沌编码超表面实现全向扩散散射，RCS抑制至4.93 dB，相较模拟退火(SA)、遗传算法(GA)、粒子群优化(PSO)，混沌法具最低散射均方根误差RMSE=0.53及零标准差SD(α)=0，确定性高且无需复杂优化。

Experimental Verification。研究人员制备初值(1,1,1)的288×288 mm2样品，磁控溅射ITO于PET膜上。扫描电镜(SEM)显示ITO颗粒均匀，周期排列间距100 μm。双站RCS测量显示10 GHz下法向RCS减缩超10 dB，与仿真吻合；8~18 GHz内入射角达45°时仍维持超10 dB减缩（分数带宽76.9%）。红外表征中，加热板65°C下“0”与“1”单元表观温度分别为25.0°C与29.6°C，等效发射率约0.23接近理论值；傅里叶变换红外光谱(FTIR)证实3~14 μm低发射率；光学透射率测得71.2%，置于花瓶前仍清晰透视后方物体，验证光学透明与红外抑制兼容。对比既往研究，该单层散射驱动策略在45°斜入射下优于吸收型及传统棋盘格法。

讨论部分总结指出，研究人员提出的混沌范式与多尺度策略通过单层编码ITO平台解决了雷达-红外-光学多光谱隐身问题，整合毫米至分米级多尺度架构，建立混沌初值与微波散射及红外发射率的定量映射，实现确定性控制。二维自相关分析确立宽带波矢扩散为广角RCS减缩物理起源。数值与实验确证在8~18 GHz内即便45°斜入射仍超10 dB RCS减缩，维持低红外发射率约0.23与高光学透明约71.2%。混沌系统引入比例因子α可调性，灵活平衡红外抑制与微波散射扩散。该确定性混沌编码范式为多光谱隐身集成提供通用可扩展路径，利于轻量宽带光学透明隐身超表面发展，为集成光子系统与热管理开辟新机遇。

结论部分翻译：总之，研究人员提出并通过实验验证了一种混沌范式与多尺度策略，利用单层编码氧化铟锡(ITO)平台解决雷达-红外-光学多光谱隐身问题。多尺度设计概念通过集成毫米级代表性单元、厘米级相位编码子阵列和分米级超阵列得以实现。研究人员建立了混沌初始参数与相应微波散射及红外发射率特性之间的定量映射，实现对多光谱隐身性能的确定性控制。理论上，二维自相关分析确立宽带波矢扩散作为广角RCS减缩的物理起源，验证了底层设计范式。数值与实验结果表明，研究人员提出的超器件在8～18 GHz内即便在45°斜入射时也实现了宽带RCS减缩（＞10 dB）。此外，其保持低红外发射率（～0.23）与高光学透明度（～71.2%）。不同于基于纯随机分布的传统相位编码，混沌系统引入比例因子α的可调性，允许在红外抑制与微波散射扩散间灵活权衡。总体而言，确定性混沌编码范式为多光谱隐身集成建立了通用且可扩展的途径，为轻质、宽带及光学透明隐身超表面提供了新平台，并为集成光子系统与热管理中的应用开辟了新机遇。

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