科学网—空军工程大学许河秀团队:透明混沌编码超表面，解锁雷达-红外兼容隐身多尺度设计
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2026-8-8 12:22
| 系统分类: 论文交流
Radar-Infrared Multi-Scale Bi-Stealth via Optically Transparent Chaotic Coding Metasurface
Yanzhao Wang, Yanzhang Shao, Dan Liu, Zhixuan Hu, Yifei Xu, Huanhuan Gao, Xihong Wang, Xiaogang Su, Fei Ding*, He-Xiu Xu*
Nano-Micro Letters (2026)18: 445
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02294-
1. 多尺度实现多频谱隐身： 提出了融合多尺度设计的超表面雷达‑红外兼容隐身新策略，构建了“毫米级代表性单元-厘米级编码模块-分米级阵列”的多尺度设计框架，通过调控单层超表面ITO的占空比，协同调控微波幅度、相位与红外发射率，从而实现雷达-红外兼容隐身。
2. 混沌编码实现鲁棒稳定性隐身： 提出了混沌编码超表面设计新范式，流程简单，无需复杂优化，在选定初始值后具有可重复性与结果稳定性，实现了10 dB的雷达RCS减缩(8–18 GHz，≤45°)、低红外发射率(<0.3)以及光学透射率(71.2%)。
研究背景
多频谱协同探测技术的飞速发展，使得传统单波段隐身技术难以满足复杂战场的综合对抗需求。其中，微波和红外隐身在尺度设计与物理机制上存在固有矛盾：微波调控对应厘米级尺度，而红外辐射调控依赖微米级精细结构，跨尺度的量级差异导致二者难以在同一结构单元内高效兼容；同时，微波吸波机制与红外发射率调控机理相互制约，进一步增加了兼容隐身设计难度。目前，多频谱隐身方案大多采用多层功能层堆叠架构，其工艺复杂且可扩展性较差，不利于规模化制备。超表面凭借其低剖面、高设计自由度和强大的电磁调控能力等优势成为多频谱隐身的有效解决方案。然而，现有相位编码超表面多局限于单尺度单元设计和规则棋盘排布模式，设计自由度有限，且缺乏对红外发射率的主动调控设计能力，导致雷达隐身、红外隐身、光学透明性与规模化可制备性难以兼顾，无法满足现代隐身装备对多功能集成与轻量化应用的迫切需求。针对上述瓶颈，如何实现多功能集成化、多尺度协同优化，并兼顾规模化制备可行性的多频谱兼容隐身方案，已成为当前隐身材料领域亟待突破的核心难题。
内容简介
针对传统多频谱兼容隐身技术存在的跨频段性能协同调控受限、结构设计复杂、可扩展性差等问题， 空军工程大学许河秀团队 提出了一种融合多尺度策略和混沌编码方法的多频谱隐身一体化设计方案，跳出传统多层功能复合架构，仅利用单层编码ITO超表面实现雷达-红外兼容隐身。多尺度策略构建“毫米级代表性单元-厘米级相位编码子阵-分米级阵列”跨尺度协同调控体系，并依托Lorenz混沌模型设计对初始条件敏感的确定性伪随机编码阵列，建立了其初始条件与微波RCS、红外发射率之间的定量关联机制，通过调节初始参数可在保持宽带微波散射特性的同时，实现对红外发射率的设计。该策略无需复杂的迭代优化设计，且具有结果稳定性，所设计器件兼具轻质、高光学透明度以及易规模化制备的特点，为高性能多频谱兼容隐身器件设计与应用提供了新思 路 。
图文导读
I 多尺度兼容设计，占空比α同时调控微波散射和红外发射率
如图1所示，本文提出的多频谱隐身架构协同整合了尺度编码(不同尺寸的方形单元)与相位编码(代表性单元)，以解决跨尺度设计兼容性问题。该架构通过单层ITO超表面同步实现微波幅度、相位与红外发射率协同调控。在此基础上，引入混沌算法建立了混沌初始条件与微波、红外响应的映射关系，如图1(b)所示，微波雷达截面(RCS)和红外发射率均可表示为α的函数，无需借助多目标全局迭代优化。
图 1. 面向多频谱兼容隐身的多尺度超表面设计概念图 。
II 代表性单元设计：多波段协同调控设计
传统超表面设计通常采用单一周期的同尺寸单元，二微波与红外调控对于结构尺寸的要求天然矛盾：微波调控需要厘米级单元，而红外调控依赖微米级结构，不同周期尺寸难以集成在同一平面。为此，本研究引入代表性单元设计理念，将其作为相位编码单元基本模块，同时将其分解为N个微米级单元，通过调节N来调控ITO占空比，同步实现微波幅度、相位和红外发射率的协同调控(图2)。研究采用ITO-PVC-ITO透明结构，进一步通过优化 薄膜方阻 、介质厚度与基底参数，兼顾微波宽带反射特性、高透光性与红外隐身性能。结果表明，所设计的方案兼具极化不敏感、轻质透明与柔性等优势，为其应用提供了有力支撑。
图 2. 代表性单元在光学、红外和微波波段特性 。
在微波幅度和相位调控性能研究方面，首先通过表面电流、电场分布分析其电磁谐振机理，进而基于传输线理论建立代表性单元的等效RLC电路模型，阐明了其几何参数N对反射幅值和相位的调控规律。结合编码超表面设计需求，选择N₁=3与N₂=15作为“0/1”编码代表性单元，二者在宽带范围内均保持高反射幅值，且相位差接近180°满足编码条件。仿真结果验证了该模型的有效性，并表明该结构在45°斜入射下仍可维持良好微波反射性能，具备良好的角度稳定性。
图 3. 代表性单元的微波性能表征 。
III 混沌算法编码：由初值确定的稳定性隐身方案
针对传统棋盘编码固定50%占空比导致红外调控受限的问题，本研究引入 洛伦兹混沌模型 构建确定性伪随机编码方案，通过调控混沌初始参数，并定义比例因子α(即红外发射率为ε1的编码单元所占比例)，实现红外发射率可设计(图4)。进一步将多尺度架构与混沌编码阵列排布相结合，有效拓宽微波RCS缩减带宽，同时借助比例因子α建立起微波散射特性与红外发射率之间的协同关联，从而兼顾两者性能协同调控。
图4. 面向雷达-红外双隐身超表面设计的混沌编码算法 。
基于维纳-辛钦定理，为实现均匀的远场散射要求超表面反射系数具备空间非相关特性。混沌编码序列因其内在的伪随机性，可使反射相位在空间上近似无关联分布，从而有效实现散射能量均匀扩散，实现鲁棒稳定性隐身。相较于传统棋盘编码方式和依赖迭代的优化算法，本方法兼具宽带微波隐身和可定制红外发射率能力，且无需迭代寻优，设计复杂度低；同时，通过初值即可确定性生成编码序列来设计超表面，具有良好的可重复性和可扩展性(图5)。
图 5. 所提混沌编码超表面与传统算法设计方法的性能对比 。
IV 实验性能验证
依据上述设计方案，制备了多尺度集成的微波-红外兼容隐身器件，微波测试结果表明，该器件可在8～18 GHz频段内实现大于10 dB的宽带RCS缩减，45°斜入射下仍保持稳定性能(图6)；红外测试表明器件等效发射率低至0.23，满足红外隐身要求，此外，在不同加热场景下和室外场景对其红外隐身性能进行了验证；光学测试显示，其可见光透过率可达71.2%，在保障雷达-红外兼容隐身性能的同时具有良好透光效果(图7)。综上，该器件可实现宽带RCS缩减与低红外发射率，为高性能多频谱隐身器件的高效、可控设计提供了可行路径。
图 6. 所制备微波-红外兼容隐身器件的微波实验表征 。
图7. 所制备微波-红外兼容隐身器件的红外和可见光实验表征。
V 总结
本文提出了一种混沌编码与多尺度协同设计的透明超表面策略，并实验验证了其在雷达 红外兼容隐身中的应用潜力。多尺度设计方法通过在单层ITO平台上集成“毫米级代表性单元、厘米级相位编码子阵和分米级阵列”来实现，解决了单一尺度结构难以适配多波段特性的难题。在此基础上，建立了混沌初始参数与微波散射特性、红外发射率之间的定量映射关系，区别于随机编码的不可控无序化，本方法可在选定初始值后对多频谱隐身性能进行确定性设计，同时，通过二维空间自相关分析从理论上阐明了宽带波矢扩散效应对大角度RCS缩减的物理贡献，进一步验证了该方法的可行性。数值仿真与实验测试结果表明，所研制的透明超表面器件在45°斜入射下，8~18 GHz范围内内可实现宽带RCS缩减，同时兼具低红外发射率(约0.23)和较高的可见光透过率(71.2%)。相较于传统相位编码超表面的固定随机分布局限，本研究引入比例因子α作为调控自由度，实现了红外发射率与微波散射性能的协同设计，提升了多频谱隐身设计的自由度，同时在制备上避免了传统多频谱隐身结构的多功能层复杂堆叠，为隐身透明窗口及多频谱伪装领域提供了广阔的应用潜力与新设计思路。
作者简介
许河秀
本文通讯作者
空军工程大学 教授
▍ 主要研究 领域
超材料/超表面理论与军事微波、红外应用关键技术。
▍ 主要研究成果
国防卓青 ，青年长江学者，中国通信学会、美国光学学会(Optica)、英国工程师协会(IET)和英国皇家航空学会(RAeS)会士，十一届中国科协代表，享受国务院 政府特殊津贴 。从事超材料/超表面理论与军事微波、红外应用关键技术研究，主持国防173、国科基金等课题20项，授权第1发明人专利45项。在自然子刊等刊物发表SCI论文157篇，论文谷歌引用11000余次。获中国专利奖银奖、军队/西安市科技进步奖、中国光学工程学会自然科学一等奖、电子学会自然科学奖/青年科学家奖、中国发明协会创新奖一等奖、陕西高等学校科学技术特等奖等奖项。在国际会议做大会报告、特邀报告60余次，连续5年入选者入选爱思唯尔全球高被引学者榜单和全球前2%顶尖科学家终身科学影响力榜单。被全球无线电联盟等权威组织授予国际青年科学家奖，被表彰为超材料大会优秀青年科学家、陕西省知识产权工作先进个人、科技领域‘西安之星’、陕西省高校“青年杰出人才”、电子学会优秀科技工作者等。
▍ Email： hxxuellen@gmail.com
丁飞
本文通讯作者
宁波东方理工大学 长聘副教授
▍ 主要研究 领域
光学超构表面 、纳米光子学、表面等离激元及量子光源 。
▍ 主要研究成果
美国光学学会会士(Optica Fellow)。本科和博士均毕业于浙江大学，随后在丹麦南丹麦大学工作，历任博士后、助理教授和长聘副教授。长期从事光学超构表面、纳米光子学、表面等离激元及量子光源等方向研究，以通讯作者或合作作者发表SCI论文100余篇，谷歌学术引用超10000次，自2024年起连续入选科睿唯安全球高被引科学家。目前担任 IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 和 IEEE Photonics Journal副编辑，Opto-Electronic Technology编委，以及 Applied Optics 专题编辑。
▍ Email ： fding@eitech.edu.cn
王彦朝
本文第一作者
空军工程大学博士后
▍ 主要研究 领域
超材料电磁调控和多频谱隐身
▍ 主要研究成果
王彦朝 本文第一作者，空军工程大学博士后，主要研究领域为超材料电磁调控和多频谱隐身。博士毕业于空军工程大学，以第一作者/共同一作发表SCI论文十余篇，其中ESI高被引论文2篇，曾获国家奖学金、陕西省研究生创新成果展A类，研究生电子设计竞赛全国一等奖。
▍ Email： yzhwang007@163.com
撰稿： 原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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