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植物叶片仿生伪装结构模型设计

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维普资讯 http://www.cqvip.com 刘志明等:植物叶片仿生伪装结构模型设计 植物叶片仿生伪装结构模型设计 刘志明,吴文健,张勇 (国防科技大学航天与材料工程学院材料工程与应用化学系,湖南长沙410073) 摘要: 通过对绿色植物的光谱反射特征及其影响因 近红外波段区分成几百个(波段数<1000,通常为100~ 素的分析和实验验证,首次提出了植物叶片仿生伪装结 构的概念和设计模型,并初步验证了其可行性和有效 性。实验结果表明,这种全新的伪装结构在紫外、可见 光和近红外波段具有与绿色植被非常相似的光谱反射 特征,其“同色同谱”效果可望有效对抗高光谱侦察。 关键词: 植物叶片仿生;伪装材料;高光谱 中图分类号:TB303;TB34 文献标识码:A 文章编号: 1001.9731(2007)增刊.3119.04 2o0)连续谱带的光谱信息,光谱分辨率达10nm。通过 分辨目标与背景的反射光谱特性的细微差异以及进行 多光谱段的信息融合与分析,高光谱成像侦察从背景中 区分目标的能力大大提古I”。 目前的传统伪装材料无法对抗高光谱成像的精细 光谱侦察,其根本原因在于,传统的伪装材料并不具有 自然植被的组织结构、物质成分和生命活动特征,导致 了其反射光谱虽能够在可见光和近红外波段实现与植 被环境总体上的相似,却无法实现完全的、精细的光谱 匹配。这种致命的缺陷是无法通过传统的材料方法和技 1 引 言 仿生学近年来受到了广泛的关注和高度的重视,模 仿生命体的各项完美功能成为解决技术和社会发展等 各方面所存在的关键难题的重要途径。仿生伪装是通过 对生物伪装特性的研究,模拟其组成、结构、性状及其 控制和变化特点,获得全新的伪装概念、高效的伪装性 能、多能的伪装效应,从而研制出更具适应性、实用性 术手段得以改进的,必须从伪装材料的基本结构和物质 组成上进行彻底的改革,植物仿生是最佳的技术途径。 对植物生化特性及其光谱特征的研究由来已久,如 Jacquemoud等人建立的PROSPECT叶片光学性质模型 可以较好地用于评估植物生化特性【2】,但相关的研究工 作主要是从植物学、遥感等方面研究它们之间的关系, 利用植物反射光谱特征产生机理进行伪装材料和技术 研发的工作未见报道。 的伪装新技术、新材料和新器材。 天然植被是伪装目标最基本的环境背景,也是伪装 工程最基础的模拟对象。针对高光谱成像侦察技术的发 2植物叶片仿生的理论基础 2.1 植物叶片的组织结构 展和应用,目前的伪装技术和器材只能实现与植被环境 的“同色”,而无法做到精细光谱特征匹配的“同谱”。 即,传统的高性能军事伪装器材和措施可实现与环境背 景几乎完全相同的各种色彩、图案、亮度和形状等的效 果,有效地欺骗可见光和近红外的常规成像侦察,但其 精细的反射光谱特征仍与真实的植被环境背景存在较 大的差异。 高光谱成像是一种新型的侦察技术,它将可见光和 从植物学角度分析,叶片通常为绿色的扁平体。图 1(a)是被子植物叶片的组织结构示意图;图1(b)~(d)分 别是作者实测的法国梧桐叶片横切显微照片、叶绿体形 态显微照片及叶片气孔分布的扫描电镜照片。切片机型 号:Leica RM2015,切片厚度:l0b15grn,光学显微 镜型号:Olympus CX41。 图1(a)被子植物叶片的组织结构示意图;(b)法国梧桐叶片横切显微照片;(c)法国梧桐叶片中叶绿体形态显微照 片;(d)法国梧桐叶片气孔分布扫描电镜照片 Fig 1(a)The histological structure sketch map of angiosperm blade;(b)The mircograph of foliar transverse section in Platanus Orientalis L.:(c)The mircograph of chloroplasts in Platanus Orientalis L.foliar blade;(d)The SEM photo of stomata in Platanus Orientalis L.foliar blade ・收到稿件日期:2007—05—23 通讯作者:刘志明 作者简介:刘志明(1979一),男,山东平度人,在读博士生,从事伪装材料与技术研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 助 能 通常被子植物叶由表皮、叶肉和叶脉3部分构成【 。 表皮通常由一层表皮细胞组成,覆盖在整个叶片的表 面,可分为上表皮和下表皮,同时有许多气孔器分散在 表皮细胞之间。叶脉是指叶脉内的维管束或维管束及其 周围的机械组织。叶肉是位于上下表皮之间的绿色薄壁 组织的总称,是叶子进行光合作用的主要场所,其细胞 内含有大量的叶绿体。因叶子两面受光情况不同,近上 表皮的叶肉组织细胞呈长柱形,排列紧密整齐,其长轴 常与叶表面垂直,呈栅栏状,故称栅栏组织:靠近下表 皮的叶肉细胞含叶绿体较少,形状不规则,排列疏松, 细胞间隙大而多,呈海绵状,故称海绵组织。 2.2植物叶片的光谱反射特征 图2为实测的长沙地区秋季新鲜法国梧桐叶、樟树 叶和狗尾草叶的紫外,可见光,近红外反射光谱。由于叶 绿素强烈吸收蓝色和红色波段能量,少量吸收绿色波段 能量,并且在近红外区域几乎没有吸收,引起450和 670nm处的蓝、红光低谷和绿色波段出现一个小反射 峰:如果叶绿素等色素的浓度或含量因故下降,绿色视 觉效果就会减弱【4】。 图2中,3种植物反射光谱曲线有4个相似的特点: (1)在680 ̄750nm的红光波段处有一陡坡,反射 率从较低的水平迅速上升,而且位置和坡度非常相似, 这是植被反射光谱曲线最明显的特征,称为“红边”【4】。 (2)可见光部分的反射率较低,且在450和670nm 处的蓝、红光呈低谷,在550nm的绿色波段出现一个 小反射峰,如果叶绿素等色素的浓度或含量因故下降, 绿色视觉效果就会减弱[5】: (3)反射曲线在800~1300nm的近红外区稳定地 保持较好反射率,一般为40% ̄60%,个别能达到80%。 不同种类的植物在这一区间表现出明显的不同,常用来 识别不同的植物物种: (4)在1300nm附近,反射率呈明显下降,而且 随后一直保持较低的水平。 波长,nm 图2法国梧桐叶、樟树叶和狗尾草叶的紫外,可见光, 近红外反射光谱 Fig 2 UV./V'IS.,NIR.renectance spectra of Platanus Orientafis L.1eaf,Cinnamomum camphora(Linn.) Presl leaf and Setaria viridis(L)Beauv.Leaf 经植物学和遥感学分析已知[6】,植物的光谱反射特 财 斟 2007年增刊(38)卷 征在200 ̄700nm的紫外和可见光部分主要被叶绿素和 其它的色素控制,8OO~1300nm的近红外较高反射率是 由于植物组织的组织和细胞结构所致,而1300nm以后 的反射率较低正是植物饱含水分的结果。 2_3植物光谱反射特征的影响因素 从植物的典型反射光谱曲线来看,控制植物光谱反 射率的主要因素有植物叶片内部的色素、组织结构和水 分等【 】。植被的生长发育、植被的不同种类、灌溉、施 肥、气候、土壤、地形等因素都对植被的光谱特征发生 影响,但也是通过对上述3种内因的影响而表达的。 植物叶片中含有多种色素,如叶绿素、叶青素、叶 红素、叶黄素等,在可见光范围内,其反射峰值落在相 应的波长范围内。健康绿色叶片中的色素主要是存在于 叶绿体中的叶绿素。叶绿素对紫外线和紫色光的吸收率 极高,对蓝色光和红色光也强烈吸收,以进行光合作用; 对绿色光部分吸收,部分反射;所以,叶子呈绿色,并 形成在550nm附近的一个小反射峰值,而在330 ̄450 及650nm附近有两个吸收谷。 叶片的组织结构也影响着植物的光谱反射率。叶子 的海绵组织对800~1300nm的近红外光强烈地反射, 形成光谱反射曲线上的最高峰区。其反射率可达40%以 上,甚至可以高达60%,而吸收率不到15%【_”。 由于叶子含有细胞液、细胞膜并吸收水分,使得植 物反射光谱在近红外区970、1190、1440、1920和2700rim 处出现5个水分吸收带。图3为实测的含水量逐渐减少 的法国梧桐的新鲜、半枯黄、枯黄叶子的反射光谱。 由图3可以发现,随着含水量的减少,整个反射光谱 曲线的反射率逐渐升高,位于970、1190、1440和1920rim 处的4个水分吸收带吸收强度逐渐减弱。另外,由于叶绿 体和叶绿素的损失,其可见光部分的光谱特征发生了显著 的变化,逐渐失去了绿色植物的光谱特征。再者,叶片的 枯黄失水也引起了其细胞结构和组织结构的破坏,其近红 外高原区的特征相应地发生了明显的改变。 斛 杂 波长/nm 图3 法国梧桐的新鲜、半枯黄、枯黄叶子的反射光谱 Fig 3 Reflectance spectra of Platanus Orientafis L.1eaf in fresh,half yellowish and yellowish condiitons 3植物叶片仿生伪装结构模型及其实验验证 传统的伪装涂料和伪装织物不具有与植物叶片相 维普资讯 http://www.cqvip.com 刘志明等:植物叶片仿生伪装结构模型设计 同或相似的组织结构和物质成分,因而在可见光和近红 外波段与伪装目标环境背景的植被存在明显的光谱差 异性,而这样的缺陷在根本上是无法通过传统的改进颜 料、填料和胶粘剂等方式来克服的,必须从其基本结构 上进行彻底的改革。 3.I植物叶片仿生伪装结构模型 植物叶片仿生伪装结构是指通过植物叶片的组织 结构和物质成分仿生,设计和制备的具有植物光谱特征 的新型伪装材料结构体系。 通过对植物叶片结构及其生命活动规律的深入研 究,分析叶片物性参数与叶片光谱反射特性之间的相关 性,作者设计了仿植物叶片结构的新型伪装材料结构模 型。采用3层复合结构来模拟植物叶片结构,分别是: 具有一定水气透过性的类叶片表皮组织、含有类叶绿素 颜料的类叶片栅栏组织和含一定量水分的类叶片海绵 组织,伪装材料的内部结构采用类似细胞结构和植物叶 片组织结构的疏松多孔形式。结构如图4所示。 图4植物叶片仿生伪装材料结构示意图 Fig 4 The structural sketch map of the camouflage material of foliar blade biomimicry 上述模型可基本满足新型伪装材料与结构在可见 光和近红外波段的仿生设计要求,更进一步地,还需模 仿出以水分蒸腾作用为代表的鲜活植物的典型生命特 征。拟利用具有合适吸水性和吸湿性、并且能够逆向脱 水的材料体系,通过对其进行微孔结构及表面形态仿生 控制,模拟植物表层和内部的微观通道,实现能模拟植 物水分动态平衡的机制的结构,并将基础材料与类 叶绿素颜料有效复合,使材料体系在可见光和近红外波 段实现与植被“同色同谱”的功能。材料体系通过仿 植物蒸腾作用将有效控制伪装目标的表面温度,从而显 著降低伪装目标的热红外辐射强度。 3.2实验验证 采用简易材料,对上述模型设计的可见光和近红外 部分进行了原理性实验验证,选择疏松多孔的海绵材料 作为主体材料,以叶绿素铜钠盐作为类叶绿素颜料。对 干海绵、含水海绵、含水和叶绿素铜钠盐的海绵分别进 行了反射光谱测试,结果如图5所示。 斛 波长/nm 图5 3种海绵材料的反射光谱 Fig 5 Reflectance spectra of three kinds of spongy materials 由图5可知,含水海绵与干海绵的光谱反射特性在 200 1100nm的紫外、可见和近红外区域基本一致,但 在1100 ̄2600nm间的近红外波段发生了显著变化—— 含水海绵出现了位于970、1190、1440和1920nm处的 4个水分吸收带,并且其反射光谱波形与法国梧桐叶片 的波形非常相似,而干海绵没有这一特征。另一方面, 单纯的多孔和含水结构虽然可以产生与植物叶片相似 的近红外反射光谱特征,但在紫外和近红外区域仍存在 明显的差异。 加入含叶绿素铜钠盐的水溶液后(图5的实线), 这一问题得到了很好的解决,它在可见光波段出现了叶 绿素的光谱特征:在200 ̄630nm的波长范围内410nm 和630nm处出现吸收带,540nm处出现一个反射率达 20%的反射峰;在630 ̄800nm的波长范围内光谱反射 率发生了从低到高的显著变化,表现出明显的“红边” 特征。 上述实验结果证明,前述关于叶绿素、多孔结构、 水分分别影响紫外,可见光、近红外高原区、近红外低 反射区的论断是正确的;而且,我们可以人为地进行有 效模拟与仿真。 如图6所示,将含水和叶绿素铜钠盐的海绵材料、 某型绿色伪装颜料和狗尾草进行光谱反射特性对比。 波长/nm 图6 复合海绵体系、某型绿色伪装颜料和狗尾草的反 射光谱 Fig 6 Reflectance spectra of the complex spongy material, one type of green camouflage pigments and Setaria viridis(L)Beauv.Leaf 图6表明,在200 ̄2600nm的紫外、可见光和近 维普资讯 http://www.cqvip.com 助 能 财 许 2007年增刊(38)卷 红外光谱范围内,模拟结构设计的含水和叶绿素铜钠盐 的海绵材料(图中实线)与狗尾草(图中密虚线)的反 射光谱基本一致,具有较好的“同色同谱”功能,其效 果要远远优于当前全色成像判别中伪装效果较好的某 型绿色伪装颜料,特别是在近红外高原区和接近中红外 谱”能力开辟了崭新的途径,将为对抗高光谱侦察提供 更加有效的手段。 参考文献: [1】David Stein,Jon Schoonmaker,Eric Coolbaugh.[R】.SSC San Diego,2001,108・1 16. 的水分吸收区,既纠平了近红外的尖峰,也压低了较远 近红外的高反射率。 [2】 Jacquemoud S,Usun S L,Verdebout】,et a1.Remote Sensing of Environment 56(31:194.202. 4结论 (1)首次提出了植物叶片仿生伪装材料结构设计 M】.北京:高等教育出版社, [3】 周云龙.植物生物学[2004.9.121. only A G Mark N E [4】 Anat1996(148):501—598. [J】.J Plant Physiol, 的全新概念,进行了模型设计的原理验证性实验,证实 其可行性和有效性。 (2)植物叶片仿生伪装结构在紫外、可见光和近 浦瑞良,宫 鹏.高光谱遥感及其应用[M】.北京:高等 教育出版社,2000.82. Broge N H,Mortensen J V[J].Remote Sensing of Environment,2002,(8 1):45—57. 红外波段具有与绿色植被非常相似的光谱反射特征,其 光谱匹配性明显优于现行的迷彩伪装颜料。 植物叶片仿生伪装结构模型是一种全新的伪装材 料设计理念,为从根本上提高现有伪装材料的“同色同 [7】 张良培,张立福.高光谱遥感[M】.武汉:武汉大学出版 社,2005.10. The design of the camouflage structural model of foliar blade biomimicry LIU Zhi—ming,WU Wen-jian,ZHANG Yong (Department of Material Engineering and Applied Chemistry,School of Aeronautics nd aMaterial Engineering, National University of Defense Technology,Changsha 410073,China) Abstract:A concept and model of the camouflage structural model of foliar blade biomimicry were introduced for the irstf time,which was on the analyses and experimental verifications of the characteristics and influencing factors of green plant.At the same time,the feasibility and validity of the model was verified simply.The experimental results indicate hat,t this new camouflage structure exhibits very siilamr spectral reflectance characteristics with green plant in the wave bands of ultraviolet,visible and infrared.And the”concolor and conspectrum”effect of that camouflage structure may take on the hyperspectral reconnaissance. Key words:foliar blade biomimicry;camouflage material;hyperspectral 

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