隱身技術的原理與應用

中國物理學會期刊網授權轉載

作者：葉德信、鄭 斌、陸凌

從古代道家的隱身符到哈利波特的隱身衣，人類對隱身「超能力」的追求古老又神秘。而從隱身飛機到隱身艦船，社會對隱身技術的需求既強烈又實際。現代科技的發展給了我們信心，隱身不只是一種「超能力」，而是一種實實在在的技術。下面我們就一起來解讀一下現有的各類「隱身術」。

在談隱身之前首先要知道為什麼我們能看見物體。從光學角度來講，當空間中的光照射到物體表面時，物體會向各個方向散射(包括了反射和透射)不同顏色(波長或頻率)的光波。這些散射光進入人的眼睛後，會在視網膜上呈現出各種形狀、顏色的像。簡而言之，我們通常是通過接收物體的散射光來探測物體的。

怎麼樣才能使物體不被看見，實現隱身呢？根據實現原理的不同，分為以下 3 種方法。第一種方法，使物體的散射光與背景環境的散射光特性相同，令觀察者即使探測到物體的散射光，也無法把物體從其背景環境中區分出來，這也是一種隱身技術。第二種方法，使物體的散射光不進入特定位置上的探測器，這可以通過吸收探測光或將散射的探測光分散到探測器以外的方向來實現。第三種方法，使物體的散射光完全消失，即讓探測光完美匹配透過或者繞過物體，實現全方位隱身，這是近年來興起的科學前沿熱點。以下我們來舉例分析這 3 種隱身方法的工作機制、實現方法及各自存在的缺陷。

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散射光與背景相同

首先是第一種隱身方法：使物體的散射光與背景環境的散射光特性相同，讓物體完全融入背景環境，從而實現隱身。實際上，基於這種機制的隱身現象在自然界中就存在，自然選擇讓很多生物具備了這種隱身技能，有利於它們趨利避害。如圖 1 所示的 2 張照片，圖 1(a)顯示的是一隻貓頭鷹停在樹洞口，(b)顯示的是一隻樹蛙趴在樹榦上。可以看到，由於貓頭鷹羽毛、樹蛙表皮對可見光的散射特性與對應環境中樹榦對可見光的散射特性非常相近，它們的散射光線在觀察者眼中呈現出的顏色和質地與背景環境非常接近。對稍遠距離的觀察者來說，完全無法區分它們與其所在的環境。因此，第一種隱身方法要求被隱身物體處在具有特定散射特性的背景環境中。

圖 1 目標與背景環境的融合實現隱身(來自網路) (a)貓頭鷹；(b)樹蛙

然而，上述兩種動物的隱身技能是非適應性的，它們無法適應環境的改變。這是由於其體表特性固定，一旦背景環境發生了變化，隱身狀態立即失效。但另外還有一些生物，比如變色龍、章魚等，卻具有適應性隱身技能。圖2中的3幅圖顯示了章魚的適應性隱身技能及其實現原理。章魚可以根據背景環境的不同，調節其表皮對可見光的散射特性，以融入不同環境來實現動態隱身，因此具有更高的實用性。那麼章魚是如何實現這種可調式隱身狀態的呢？答案就在它們的表皮結構中。圖 2(c)所示的是章魚表皮結構的放大圖，可以看到上面有各種顏色的小色素塊，有的是黑色，有的是棕色，也有白色的底色，還有青色和黃色的效果。因為這些是軟體組織，章魚可以瞬間張開或者縮小這些小的色素塊，以呈現出不同的體表顏色，甚至是質地。因此，當處於不同環境時，它們可以主動調整並展現出與周圍環境相似的散射特性，實現動態隱身。

圖 2 章魚的適應性隱身(來自網路) (a)隱身狀態；(b)非隱身狀態；(c)章魚的表皮結構

軍事上常用的如植物偽裝、迷彩服裝等正是利用了植物、塗料、染料和其他材料來改變地面作戰人員或武器的外表顏色及圖案，用以消除它們與背景環境的差異，使戰士和裝備不容易暴露。但是這些已經在軍事上被廣泛應用的「偽裝」技術都是靜態和非適應性的，目前尚未實現具備如章魚般的動態和適應性隱身技術。

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散射光不進入探測器

第二種隱身方法是：完全吸收探測光或將探測光散射到其他方向，使物體的散射光不進入探測器視野，從而實現隱身。這種隱身機制的重點在於，儘管無法完全消除物體的散射光，但只要保證散射光不返回或只有極小部分返回探測器，仍能實現物體對探測器的隱身，這類似於在黑夜中穿上黑衣服不易被人發現。

這種隱身方法的一個巨大應用領域為空中飛行器對雷達探測系統的隱身。目前最常用的空中飛行器遠距離探測手段是雷達波，其所用的探測波頻率處於微波頻段而不是可見光頻段。如圖 3 所示，探測雷達向不同方向發出探測波，若某個 時 候 ， 空 中 出 現 了 一 架 飛 行器，則該飛行器的散射波會有部分沿著原路反射到雷達並被探測到。因此，如果優化設計飛行器的外形或者在其表面塗上對應的吸收材料，使其散射波不原路返回，則該飛行器即可對探測雷達隱身。

隱身飛機的隱形方法存在的主要不足是僅能對特定方位的探測器隱身。如果同時在飛行器周圍的多個方向放置探測雷達，如圖 3 所示的探測雷達和雷達，該隱身方法即失效。原因是飛行器會因為其他方向的反射波而被雷達探測到，也會因擋住其背後接收雷達的信號而被探測到。因此，現今最常用、最有效的反隱身手段是雙、多站雷達探測系統，將發射機和接收機分置在兩個或多個不同的站址，可以包括地面、空中、海上或衛星等多種平台，利用遠離發射機的接收機接收飛行器在各個方向散射的雷達波。在這種探測系統下，無論是外形設計還是覆蓋吸波材料，飛行器均無所遁形。

圖3 單站、多站雷達與空間飛行器隱身

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散射光為零

怎麼樣才能實現物體同時對所有方向的探測器隱身呢？我們來介紹第三種隱身方法：讓探測光完美透過或者繞過被隱身的物體，使物體所有方向的散射光消失。這是目前理論上最有效同時實現難度也最大的隱身方法。它需要被隱身物體在任意方向均不散射也不吸收探測波，即要求探測波完美匹配繞過物體後沿著原來的方向行進。這種對所有方向都能實現隱身的全向隱身技術，是近年來各國相關領域科學家的研究熱點。

2006年，英國帝國理工大學的Pendry 教授基於麥克斯韋方程的坐標變換方法把隱身區域和外界在光學上完全隔離，這樣在隔離區域內的任意物體便和外界不發生任何光學作用，因此無法被探測，如同披上了隱身衣。如圖4(a)所示，其設計的基本原理是，構造一種具有空間非均勻分布、各向異性電磁參數形式的特殊殼形材料，使任意方向入射到其表面的探測波在殼形材料表面匹配並繞過中間某個特定區域，不改變物體外面原有探測波傳播的幅度和相位，即實現全向隱身。同年，美國科學家 D. R. Smith設計實現了微波頻段的簡化參數電磁隱身結構，驗證了這種方法的可行性，結構如圖4(b)所示。由於簡化了電磁參數，圖 4(c)的全波模擬和(d)的實驗測量隱身效果並不完美。這種新型隱身方法在隨後10年里引起了國際上相關領域科學家的廣泛關注。然而，此基於坐標變換方法實現的完美隱身結構對所需材料的電磁參數要求極其嚴格，不僅只能在很小的頻率範圍內實現(窄帶)，技術上仍存在著許多瓶頸，實現難度巨大，離實際應用尚有很長一段距離。

圖4 全向隱身技術 (a)探測波繞射的隱身原理；(b)窄帶微波頻段簡化參數隱身結構實物圖；(c)簡化參數隱身結構的模擬隱身效果；(d)實驗測量的電場強度分布

儘管常用的微波探測器可以同時探測波的強度和相位，但可見光波段的探測器普遍對相位不敏感，比如人眼就對光的相位信息不敏感。2013 年，浙江大學陳紅勝教授、鄭斌博士及其合作者摒棄透射波相位要求一致的條件，實現了特定角度的寬頻可見光隱身結構。他們利用玻璃的折射改變入射光線的傳播路徑，設計並實現了在特定角度下、可見光頻段的大尺度生物隱身，對魚和貓等動物成功進行了隱身實驗。圖5顯示了這種隱身結構的工作原理及隱身效果。如圖 5(c)所示，當金魚游到隱身結構的中間區域時，整條金魚對人眼隱身，我們可以透過整個隱身結構直接看到其後面的水草。

圖5 基於光折射原理的特定角度隱身結構 (a)工作原理；(b)隱身實驗場景；(c)相機拍攝的隱身效果圖6 基於光反射原理的特定角度隱身結構(a)光路原理；(b)相機拍攝的隱身效果

基於相同的射線光學原理 ，2015年，美國羅切斯特大學研究組用 4 組光學反射鏡實現了類似的特定角度光學寬頻隱身結構，基本原理及隱身效果如圖6所示。圖中哥哥站在隱身結構的後面，弟弟站在隱身區域中，在正面視角下，光線經過多組反射鏡反射，繞過了圖中所示的三角錐形隱身區域，將結構後面的物體呈現在視角範圍內，實現了光的繞行隱身效果。這個實驗非常簡單，用 4 面鏡子在家就能完成。

圖 5 和圖 6 的兩種隱身方法均沒有考慮光在傳播過程中產生的相位偏移，並且都只能工作在特定的某個或幾個角度，並不是全向隱身。

圖6 基於光反射原理的特定角度隱身結構 (a)光路原理；(b)相機拍攝的隱身效果

2016年，浙江大學葉德信副教授和中國科學院物理研究所陸凌研究員合作提出了一種電磁屬性和空氣一模一樣的人造結構，在任意方向均能實現完美匹配透射的自隱身材料。其基本原理是利用金屬和塑料複合構造新型的人工電磁材料，使其等效電磁參數與空氣完全相同，在空間中不會對任意方向入射的電磁 波 產 生 散 射 。因此，不管在周圍放置多少個探測雷達，用自隱身材料製造的任意物件均不會被雷 達 系 統 探 測到 。 如 圖 7(a) 所示，用這種自隱身材料製作的各種形狀字母放置在 自 由 空 間 中 ，可以對任意方向入射的電磁波實現 完 美 匹 配 透射，空間中探測電磁波的幅度和相位均不會受到擾動。圖 7(b)所示為利用3D列印技術製作的二維全向自隱身材料樣品，基於相同構造原理，三維全向的自隱身材料也有望實現。自隱身材料可以理解為是人造空氣，因此無法隱藏其他物體。另外，由於材料本身畢竟不是空氣，所以自隱身只能在相對窄帶的波長範圍內實現。

圖7 窄帶全向自隱身材料 (a)二維全向隱身模擬效果；(b)實驗樣品圖

這種全向自隱身材料相對來說很容易實現，因此具有潛在的實際應用價值，尤其是在窄帶寬應用領域。比如用這種自隱身材料製造的電梯和牆壁，可以保證手機和 wifi信號暢通無阻。同時，它也可以用來製造任意形狀的天線罩，起到物理保護的同時不會影響天線的收發特性。此外，高機械強度材料實現的自隱身材料還可以用來建造工作在特定頻段的隱身飛行器、導彈和艦船等，克服傳統隱身技術只能對單站雷達工作的缺陷。同樣的設計原理可以拓廣到對水波和聲波的隱身，幫助潛艇對聲吶隱身。因此，這種自隱身材料的實現和完善，有望推進隱身技術發展，無論是軍用或民用，均具有一定的前景。

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