高谱成像高光谱相机助力浙江大学团队在《Light: Science Applications》发表多维度伪装突破性成果

近日国际光学领域顶级期刊《Light: Science Applications》Nature子刊影响因子18在线发表了浙江大学李强、朱桓正的研究论文“Multi-dimensional camouflage against VIS-NIR hyperspectral, MIR intensity, and MIR polarization imaging”。该研究针对现代战场多模态探测手段可见-近红外高光谱成像、中红外热成像、中红外偏振成像设计并验证了一款新型多维度伪装材料实现了三大探测维度的同时隐身。一、研究背景传统伪装主要针对可见光颜色、纹理和中红外热辐射降低发射率/温度但随着侦察技术的迭代单一维度的隐身已经失效可见-近红外高光谱成像VIS-NIR HSI能够获取目标在400-2500 nm范围内的连续反射光谱并通过光谱角制图SAM、光谱信息散度SID、欧氏距离ED等算法识别物质“光谱指纹”。即使颜色肉眼相近细微的光谱差异也会暴露目标。中红外强度成像MIR thermal热像仪探测目标自身的辐射强度8-14 μm。常规伪装材料若仅靠低发射率在背景温度较高时仍会因“冷点”而被发现。中红外偏振成像MIR polarimetric这是近年来快速发展的新体制探测技术。光滑表面如金属、涂层在斜入射时会产生显著的线偏振度DoLP而自然背景土壤、植被的DoLP通常很低。实验表明常规低发射率材料如ITO、金属薄膜在大角度60°下DoLP可达5%-10%极易被偏振相机识别。因此同时满足“高光谱相似、低热辐射、低偏振”的三维多维度伪装成为伪装技术领域的重大挑战。二、技术瓶颈论文作者系统分析了现有伪装材料的局限性维度现有技术缺点可见-近红外高光谱颜料/多层膜模拟植被“绿峰-红边-近红外平台”难以兼顾中红外透明/低发射率中红外强度金属薄膜Au, Ag, ITO低发射率在VIS-NIR不透明无法复合高光谱伪装层且高DoLP中红外偏振粗糙表面降低DoLP单独粗糙化无法解决强度和光谱问题关键矛盾是低发射率材料如金属通常在VIS-NIR不透明会遮挡底层高光谱伪装信号而高光谱伪装涂层在中红外通常具有较高发射率。因此需要一种层级解耦的设计使各功能层“各司其职”且互不干扰。三、创新结构研究团队提出的伪装材料结构如下从顶层到底层1. 顶层粗糙聚乙烯PE薄膜功能中红外偏振隐身原理平滑表面在斜入射时产生定向反射导致高DoLP粗糙表面引入多次漫反射使热辐射的偏振状态随机化。实验中使用20 μm厚PE膜通过热压印复制砂纸的随机微结构表面粗糙度Ra ≈ 0.5-1 μm。效果在0°-85°大角度范围内DoLP始终 1.5%远低于ITO5%和铝10%。2. 中层银纳米线AgNWs导电网络功能中红外低发射率 可见-近红外高透光原理AgNWs形成亚波长金属网格其周期p ≈ 1.2-1.4 μm占空比0.1-0.2。在MIR波段8-14 μm网格表现为等效金属膜反射率高发射率低至0.7在VIS-NIR波段由于周期远小于波长透光率可达~80%不干扰底层光谱信号。关键这是解决“低发射率与高透光矛盾”的核心。3. 底层Cr₂O₃复合涂层Cr₂O₃ MgCl₂·6H₂O 水性聚氨酯功能模拟植被的VIS-NIR反射光谱原理Cr₂O₃提供绿色反射峰和陡峭的红边MgCl₂·6H₂O模拟叶片的水分吸收谷~1.45 μm, ~1.95 μm水性聚氨酯作为成膜剂增强附着力和环境稳定性。光谱特征在550 nm附近有绿色反射峰在700-750 nm斜率陡升红边在800-1300 nm保持高反射平台近红外高原在1.45 μm和1.95 μm有水分吸收下降。四、核心性能数据论文给出了系统性的实验表征结果指标实测值对比对象VIS-NIR光谱相似度与植被背景 96.9%商用伪装布 80%MIR平均发射率8-14 μm0.7普通伪装布 ≈ 0.9MIR大角度DoLP0-85° 1.5%ITO在70°时 5%高光谱分类欺骗成功率SAM阈值98.2%下完全误判为植被伪装布在96%阈值下暴露最关键的验证来自高光谱分类算法光谱角制图SAM将伪装材料光谱与真实植被光谱视为向量计算夹角余弦。余弦值越接近1光谱越相似。在400-1000 nm波段相似度阈值设为98.2%时伪装材料被分类为植被而商用伪装布在96%阈值下即被识别为目标。光谱信息散度SID基于信息论的相似性度量。伪装材料的SID值远低于判别阈值与植被难以区分。欧氏距离ED伪装材料的ED值与植被背景非常接近。这些结果有力证明了该伪装材料能够欺骗最先进的高光谱目标识别算法。五、高谱成像相机论文“测量与表征”部分明确记录*“The hyperspectral imaging was performed by two hyperspectral cameras (HY-1230-01, HY-1510-05, HHIT, Hangzhou), which has detection wavelength ranges of 0.4 - 1 μm and 0.9 - 2.5 μm.”*具体实验流程如下数据采集在室外自然光照条件下将伪装材料与真实植被并排放置使用高谱400-1000 nm高光谱相机和900-2500 nm高光谱相机分别采集高光谱图像立方体。光谱提取从图像中选取目标区域伪装材料、真实叶片、背景土壤提取平均反射光谱。相似度计算以真实叶片光谱为参考计算伪装材料的SAM、SID、ED值并与商用伪装布对比。分类可视化设置不同相似度阈值生成二值分类图白色植被彩色非植被直观评估伪装效果。高谱相机的关键贡献宽谱段覆盖两台相机无缝覆盖400-2500 nm完整包含了植被光谱的特征区间绿峰、红边、NIR高原、水分吸收谷。高光谱分辨率HY-1230-01优于2.8 nmHY-1510-05优于10 nm足以分辨伪装材料与真实植被的细微光谱差异论文中两者差异仅2-3%。高信噪比与稳定性研究需要定量计算反射率要求相机有良好的线性响应和暗噪声抑制。高谱相机经辐射定标后满足定量遥感要求。配套软件支持数据可直接导入ENVI等专业软件进行SAM/SID/ED分析方便研究者快速验证。六启发对于伪装材料研发者多维度兼容是必然趋势未来的伪装系统必须同时考虑高光谱、热红外、偏振三个维度。本论文提供了一套可复现的结构设计方案和材料选择思路。测试验证需要高精度高光谱相机传统的分光光度计只能测点光谱无法评估空间分布和分类算法效果。高光谱成像能够模拟真实侦察场景是性能评估的关键工具。对于反伪装/目标识别技术开发人员高光谱分类算法的有效性本论文证实SAM、SID、ED等方法能够有效区分目标与背景即使颜色和纹理高度相似。反伪装系统应优先采用此类算法。偏振信息的重要性大角度下传统低发射率材料的高DoLP会成为新的“特征指纹”。未来反伪装系统可融合高光谱偏振信息进一步提升探测概率。七、论文信息与获取标题Multi-dimensional camouflage against VIS-NIR hyperspectral, MIR intensity, and MIR polarization imaging期刊Light: Science Applications (2026) 15:63作者Rui Qin†, Huanzheng Zhu†, Rongxuan Zhu, Pintu Ghosh, Min Qiu, Qiang LiDOI10.1038/s41377-025-02145-w全文可通过期刊官网或联系高谱成像获取副本。