超构表面伪装蒙皮：可同时欺骗多光谱成像与雷达探测

传统伪装材料往往集中于单一维度的伪装手段——“隐真”或“示假”，面对可见光、红外、雷达等多频谱的复合侦察手段（成像侦察、信号探测等），单频谱、单维度的伪装手段逐渐力不从心。针对这一挑战，空军工程大学王甲富教授团队提出一种多频谱多维集成的超构表面伪装蒙皮。基于灵活的谐振调控策略，超构表面仅通过一个功能层，即实现红外与微波波段同步生成虚假目标图像，同时具备雷达后向散射缩减功能，将“成像示假”与“低可探测隐真”融为一体，为多频谱多维伪装开辟了新的路径。

上述研究成果以“Metasurface Camouflage Skin for Simultaneously Deceiving Multispectral Imaging and Radar Detection”为题发表于Laser & Photonics Reviews。论文第一作者为空军工程大学博士生孙辉廷，空军工程大学王甲富教授、王军副教授、朱瑞超讲师和楚遵天讲师为共同通讯作者。空军工程大学随赛、王啸坤、丁畅、贾宇翔、刘尧、屈绍波和中国航空综合技术研究所刘健也为本工作做了重要贡献。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、陕西省青年创新团队的资助。

现代战场侦察已进入多谱段、跨维度的时代。热红外探测器可捕捉目标的温度特征；合成孔径雷达（SAR）能通过电磁散射重构目标轮廓；可见光相机则直接获取目标几何形态。单一波段伪装手段（如雷达吸波涂层或红外迷彩）难以同时应对上述探测方式。传统多频谱伪装常采用“红外伪装层+微波隐身层”的堆叠结构，层数多、工艺复杂，且主要聚焦于降低目标的可探测性（即“隐真”），在主动制造虚假图像/诱饵（即“示假”）方面缺乏关注。在微波频段，通过全息技术生成假目标图案的成像伪装研究尚处于起步阶段，且尚未与红外可见频段实现协同成像。因此，如何用单层结构同时完成“隐真”与“示假”的多维伪装，并覆盖多个重要频谱，是伪装领域亟待突破的难题。

针对上述挑战，研究团队提出了一种蒙皮式的超构表面设计策略——单一功能层内同时承载红外辐射调控、微波幅值/相位调控和可见光透明特性。通过巧妙地利用谐振耦合与谐振解耦两种机制，团队设计了两类具有协同成像功能的超构表面（Meta I 和Meta II），实现了从可见光、红外（3–14μm）到微波X波段（8–12GHz）的同步伪装。

亮点一：单层结构实现频谱功能集成

超构表面采用经典的金属-介质-金属（MDM）构型：底层为ITO反射层，中间为PMMA介质，顶层为铜制开口圆谐振环（SRR）。所有介质材料（ITO、PET、PMMA）在可见光下透明，因此表面铜图案可直接形成可见光图案。在红外波段，通过在SRR中心嵌入不同尺寸的铜圆贴片，可调控金属占空比，从而精确改变单元的红外发射率。高发射率单元与低发射率单元按图像规律排布，即可在红外热像仪中呈现出预设的“飞机”等虚假热像。这一设计打破了以往红外伪装层与微波层分离的惯例，将红外调控功能直接集成在微波单元内部。

伪装原理示意图及超构表面设计原理图

亮点二：谐振耦合实现幅值全息（Meta I）

在微波波段，SRR本身可实现高效的极化转换（同极化反射低于–10dB）。当嵌入完整铜圆贴片后，贴片边缘产生的表面电流与SRR固有电流方向相反，形成磁谐振耦合，从而在10–12GHz选择性地“关闭”极化转换，使该单元的同极化反射幅值升至–5dB以上。于是，Meta I中两种单元（有/无贴片）在微波频段形成了明显的反射幅值梯度。利用这一梯度，结合角谱法（ASM）与幅值全息算法，团队在近场（50mm处）成功重建出“飞机”的微波全息图像。实验表明，在8、10、12GHz下，线极化入射时均可清晰观察到飞机轮廓，实现了与红外热像完全一致的成像示假。

亮点三：谐振解耦释放相位调控自由度（Meta II）

为进一步提升微波成像的灵活性和效率，团队对铜圆贴片进行十字开缝（缝宽0.1 mm），将贴片分为四块。此举切断了贴片与SRR之间的强耦合，使SRR的极化转换性能在特定频段几乎不受影响（即谐振解耦）。此时，通过改变SRR开口角度α（15°~165°），可独立调控交叉极化反射相位覆盖0°~270°，且反射幅值保持在0.5以上。团队选取8种单元（含贴片与无贴片各4种相位态），利用Gerchberg‑Saxton（GS）相位全息算法，在红外排布矩阵的基础上融合微波相位编码，最终生成25×25单元规模的Meta II样品。实验结果显示，在右旋圆极化波入射下，左旋圆极化通道可在80–110 mm不同距离处均重现清晰的飞机全息图，体现出优异的三维空间成像能力。

(a) Meta II全息设计计算流程；(b) Meta I在8、10、12 GHz下，X线极化波与Y线极化波入射时的振幅全息成像结果；(c) Meta II在8、10、12 GHz下，右旋圆极化波入射时的相位全息成像结果；(d) Meta II与铜板在全极化入射波下的雷达散射截面对比；(e) Meta II 与铜板在10 GHz下，Y线极化波与左旋圆极化波入射时的远场散射分布。

(a) 样品（Meta I 和Meta II）的加工样品及局部细节；(b) 样品在3–14 µm范围内的发射率实测值及所用测试设备；(c) Meta I和(d) Meta II不同区域的平均红外发射率测量结果；(e) Meta I和(f) Meta II在50°C加热平台上的热红外成像结果。

亮点四：同步实现“示假”与“隐真”

除了主动制造假目标，Meta I和Meta II均天然具备雷达散射截面（RCS）缩减能力。Meta I中两种单元的幅值随机分布，Meta II中8种单元的相位覆盖0~270°且幅值不等，二者均破坏了反射波前的相干性，使后向散射能量被分散到其他角度。仿真与实测表明，Meta II在8–12GHz全频段、全极化（线/圆极化）下，后向RCS较同尺寸铜板降低3 dB以上，部分频点达7 dB（平均能量衰减超过50%）。这意味着超构表面在实现欺骗成像的同时，自身也被“隐形”，真正做到了“隐真”与“示假”的协同。

(a) 近场测试环境及设备示意图（Meta I和Meta II）；(b) Meta I在8、10、12 GHz下，XX通道的实测振幅成像；(c) Meta I在8、10、12 GHz下，YX通道的实测幅值成像；(d) Meta II在10 GHz下，不同距离处（LR通道）的实测相位成像。

(a) 远场测试环境及设备示意图；(b) Meta II与铜板在8、10、12 GHz下的总散射场对比；(c) 弓形架法反射率测试环境及设备示意图；Meta II在(d) XX通道和(e) YY通道下的仿真与实测雷达散射截面缩减结果。

综上，该工作首次将谐振调控范式引入多频谱伪装超构表面，用单层结构同时实现了可见光透明、红外热成像伪装、微波幅值/相位全息成像以及雷达后向散射缩减。与以往多层、单一维度伪装的材料相比，本研究设计的Meta I和Meta II在结构集成度、伪装维度和设计灵活性上均有显著提升。尤其是通过谐振解耦，红外功能与微波功能可独立设计、互不干扰，为未来可重构、智能化、大规模伪装蒙皮提供了理论和技术基础，在新一代隐身装备、军事假目标以及电磁对抗领域具有巨大应用潜力。