隱身目標(biāo)探測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展研究

甘　杰，張　杰

(1. 中國電子科學(xué)研究院,　北京 100041；　2. 南京電子技術(shù)研究所，　南京 210039)

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·總體工程·

隱身目標(biāo)探測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展研究

甘杰1，張杰2

(1. 中國電子科學(xué)研究院,北京 100041；2. 南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

文中以對抗新一代隱身戰(zhàn)機(jī)目標(biāo)為切入點，基于隱身目標(biāo)的多頻段、單/雙站目標(biāo)散射特性理論評估與分析，表明在低頻端和高頻段，以及基于多站的目標(biāo)RCS會顯著變大，為反隱身雷達(dá)頻段和體制選擇提供了直接的理論依據(jù)。由此，提出了擴(kuò)展工作頻段和探測視角、采用多傳感器混合組網(wǎng)、發(fā)展無源和寬帶等新體制的隱身目標(biāo)探測技術(shù)路線和發(fā)展建議。

隱身目標(biāo)；第四代戰(zhàn)斗機(jī)；雷達(dá)反隱身

0　引　言

近年來幾次局部戰(zhàn)爭，從海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭到伊拉克戰(zhàn)爭，隱身戰(zhàn)斗機(jī)、隱身轟炸機(jī)、隱身偵察機(jī)均發(fā)揮了重要的作用。美軍的隱身戰(zhàn)機(jī)水平居世界領(lǐng)先水平，其B-2隱身轟炸機(jī)、F-22、F-35隱身戰(zhàn)斗機(jī)代表了當(dāng)今世界隱身戰(zhàn)機(jī)的先進(jìn)水平。F-22、F-35隱身戰(zhàn)斗機(jī)目前正逐步批量裝備部隊，2020年前后美國戰(zhàn)斗機(jī)將完成更新?lián)Q代。美國正計劃將隱身戰(zhàn)斗機(jī)部署在我周邊地區(qū)，對我國家安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。隨著F-22和F-35等具有隱身能力的作戰(zhàn)飛機(jī)以及各種隱身兵器的相繼服役，現(xiàn)代武器系統(tǒng)呈現(xiàn)出以隱身為主要特征，同時兼?zhèn)涓邫C(jī)動、超音速巡航、超低空飛行以及超視距打擊的能力[1-2]，對以常規(guī)目標(biāo)為對象的國土防空預(yù)警探測系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，發(fā)展反隱身技術(shù)是保護(hù)國家安全的迫切需求。本文基于對隱身目標(biāo)的多頻段、單/雙站目標(biāo)散射特性原理仿真分析研究，提出了擴(kuò)展雷達(dá)工作頻段、探測視角以及發(fā)展無源和寬帶等新體制、采用多傳感器混合組網(wǎng)等隱身目標(biāo)探測的技術(shù)發(fā)展建議。

1　隱身目標(biāo)特征分析

隱身性能是以F-22為代表的第四代戰(zhàn)斗機(jī)最重要的特征[1-3]。隱身是指控制目標(biāo)雷達(dá)散射特征信號的技術(shù)。雷達(dá)目標(biāo)散射特征用雷達(dá)散射截面(RCS)的概念描述，定義為

(1)

式中：E0是照射到目標(biāo)的入射波電場強(qiáng)度；ES是目標(biāo)所在位置處被目標(biāo)散射返回雷達(dá)方向的反射波電場強(qiáng)度；R為目標(biāo)到雷達(dá)的距離。RCS是目標(biāo)在一定視角、一定頻率下用一個各向均勻的等效球反射器的投影面積，該等效球反射器與被定義的目標(biāo)在接收方向單位立體角內(nèi)具有相同的回波功率。

如圖1所示[1]，左側(cè)一列為不同類型的飛機(jī)目標(biāo)，右側(cè)不同尺寸的球表征其對應(yīng)的RCS。實際上，目標(biāo)的RCS不是一個單值，對于每個視角、不同的雷達(dá)頻率等都對應(yīng)不同的RCS。

圖1　不同類型飛機(jī)目標(biāo)的RCS示意圖

基于目標(biāo)RCS的概念，隱身飛機(jī)通過特殊的外形設(shè)計以及采用雷達(dá)吸波材料實現(xiàn)對雷達(dá)照射到飛機(jī)上的電磁波的散射衰減控制。但當(dāng)雷達(dá)波長與被照射目標(biāo)特征尺寸(通常在米級的量級上)相近時，在目標(biāo)反射波與爬行波之間產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，盡管無直接的鏡面反射但仍會引起強(qiáng)烈的信號特征。例如，某些陸基雷達(dá)的長波(米波)輻射能在飛機(jī)較大的部件(平尾或機(jī)翼前緣)上引起諧振；而在波長很短(毫米波)的雷達(dá)照射下，飛機(jī)不平滑部位的尺寸相對波長大很多，容易產(chǎn)生角反射，導(dǎo)致RCS增大。如圖2所示[3]：圖2a)為常規(guī)飛機(jī)目標(biāo)的散射特征示意，明顯可見在全空域上其幅度較大；圖2b)是隱身目標(biāo)散射特征示意，除在正側(cè)翼、正后方等少數(shù)角度方向上出現(xiàn)較大值外，大部分區(qū)域都非常小。因此，從隱身機(jī)理上判斷，將雷達(dá)的工作波段向米波段和毫米波段，甚至紅外波段和激光方面擴(kuò)展，從不同的角度觀測，能夠改善對隱身目標(biāo)的探測能力。

圖2　常規(guī)飛機(jī)與隱身飛機(jī)的RCS散射特征示意圖

隱身目標(biāo)的散射特征評估是改善隱身目標(biāo)探測性能的前提和依據(jù)。目前，散射特征的評估方法有電磁仿真計算、縮比模型測試和實物實測等。本文通過對典型隱身目標(biāo)特殊外形進(jìn)行三維建模、網(wǎng)格剖分和電磁計算仿真研究，表明了在低頻端和高頻段，以及基于多站的目標(biāo)的RCS會顯著變大，為反隱身雷達(dá)頻段和體制選擇提供了直接的理論依據(jù)。

首先，我們對典型隱身飛機(jī)目標(biāo)進(jìn)行仿真計算模型網(wǎng)格剖分，如圖3所示。

圖3　隱身飛機(jī)仿真計算模型坐標(biāo)系及網(wǎng)格剖分圖

圖3a)為RCS仿真坐標(biāo)系，目標(biāo)中心位于坐標(biāo)原點上，目標(biāo)機(jī)頭指向正X軸方向，目標(biāo)左翼或左舷方向指向正Y軸，Z軸指向目標(biāo)的天頂方向。入射(散射)方向與正Z軸之間的夾角定義為入射(散射)俯仰角；入射(散射)方向在XOY平面的投影與正X軸之間的夾角定義為入射(散射)方位角。圖3b)為采用軟件Hypermesh對飛機(jī)目標(biāo)的剖分模型，對于不同計算頻率再進(jìn)行細(xì)剖分，不同頻率下目標(biāo)電尺寸在幾個波長到數(shù)百個波長之間。采用圖3中模型，經(jīng)電磁仿真計算獲得隱身飛機(jī)目標(biāo)RCS隨頻率變化關(guān)系，見圖4。

圖4　隱身目標(biāo)迎頭RCS隨雷達(dá)頻率的變化曲線仿真圖

從圖4電磁仿真結(jié)果可見，典型隱身飛機(jī)目標(biāo)的迎頭RCS在微波頻段約為-15 dBsm ～-10 dBsm，在200 MHz的米波頻段時約為0～5 dBsm。

對于不同的雷達(dá)觀測視角，雙站雷達(dá)探測的布局示意見圖5。采用電磁仿真計算給出入射方位角0°、入射俯仰角90°，散射方位角0°～360°、散射俯仰角90°情況下的目標(biāo)RCS隨雙站方位角變化關(guān)系，如圖6所示，圖中也給出與入射方向的單站RCS結(jié)果的比較?？梢?，相比于單站雷達(dá)目標(biāo)RCS，雙站RCS隨著雙站角的增大，RCS值比單站時增加約10 dB。

圖5　雙站雷達(dá)探測隱身目標(biāo)布局示意圖

理論仿真研究表明，隱身目標(biāo)主要在某些方向，如：機(jī)頭方向的雷達(dá)散射截面積較小，在其他方向散射截面積明顯增大；隱身目標(biāo)在低頻段，特別是米波段，隱身性能大大降低或失效；目標(biāo)雙站RCS隨著雙站角的增大也會顯著增加。此外，隱身飛機(jī)上的電子裝備工作時都必然會向外輻射電磁能量，提供了被無源電子設(shè)備偵收的可能性。

2　隱身目標(biāo)對現(xiàn)役雷達(dá)探測能力的影響

隱身目標(biāo)嚴(yán)重威脅我國現(xiàn)役探測預(yù)警體系的安全。相比于常規(guī)飛機(jī)目標(biāo)數(shù)平方米的RCS值，隱身飛機(jī)目標(biāo)的RCS則低至0.1 m2、0.01 m2甚至更小，極大削弱了現(xiàn)役雷達(dá)的探測性能。如圖7所示，相比于對常規(guī)目標(biāo)300 km～400 km的探測性能，現(xiàn)役雷達(dá)對隱身目標(biāo)的作用距離僅為其12%～37%。

圖7　雷達(dá)探測距離隨目標(biāo)隱身性能變化情況示例圖

與常規(guī)目標(biāo)探測性能相比，預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)對隱身目標(biāo)的監(jiān)視有明顯的空隙，如圖8所示，使得我方探測系統(tǒng)不能對隱身目標(biāo)進(jìn)行有效的連續(xù)跟蹤，難以引導(dǎo)我方飛機(jī)對其進(jìn)行攔截。

圖8　常規(guī)目標(biāo)與隱身目標(biāo)對雷達(dá)探測性能變化對比示意

3　隱身目標(biāo)探測技術(shù)路線與發(fā)展建議

重點從能量域、頻域、空域、極化域等方面研究雷達(dá)反隱身探測技術(shù)通過以下途徑實現(xiàn)雷達(dá)反隱身探測：一是增大雷達(dá)功率口徑積；二是擴(kuò)展雷達(dá)工作波段范圍；三是擴(kuò)展雷達(dá)的探測視角；四是采用多平臺組網(wǎng)技術(shù)等。技術(shù)發(fā)展的方向是系統(tǒng)集成、綜合運用，從反隱身技術(shù)理論上尋找突破，以提高雷達(dá)系統(tǒng)的探測性能，利用天基、機(jī)載和浮空等多平臺雷達(dá)系統(tǒng)探測隱身目標(biāo)[3-5]。

首先，擴(kuò)展雷達(dá)工作頻段是提升雷達(dá)對隱身目標(biāo)探測性能的重要技術(shù)途徑。從外形隱身方法看，目標(biāo)主要散射形式為鏡面反射、邊緣衍射、尖端繞射及爬行波。常規(guī)雷達(dá)波長比目標(biāo)尺寸小得多，目標(biāo)的各部分之間散射相互作用較小，可把目標(biāo)看成是各個獨立散射中心的集合。因此，當(dāng)前的雷達(dá)外形隱身技術(shù)的實質(zhì)就是改變散射中心的回波方向，消除角反射和多徑鏡面反射源，使受威脅的主要方向上的電磁散射強(qiáng)度最大限度降低，獲得最佳的隱身效果。

從雷達(dá)隱身材料的吸波機(jī)理來看，無論是吸波涂料還是結(jié)構(gòu)型吸波材料，都是針對微波的特點進(jìn)行電結(jié)構(gòu)設(shè)計，改變磁特性和介電特性，使電磁波入射能量在分子水平上產(chǎn)生振蕩，轉(zhuǎn)化為熱能。入射波長發(fā)生很大變化時，吸收能量的效果就會顯著減弱。諧振型吸波材料更加明顯，它是靠材料的表面反射波和底面反射波的干涉相消原理來衰減雷達(dá)的，如果波長改變，材料的厚度不變，干涉相消的作用就難以有效發(fā)揮。因此，向低頻段和高頻段兩個方向擴(kuò)展雷達(dá)的工作頻段就成為提高雷達(dá)探測隱身目標(biāo)能力的一項重要技術(shù)途徑。

基于第1節(jié)的隱身目標(biāo)特征原理仿真分析，可以預(yù)測，對于工作在微波頻段雷達(dá)可有效隱身的隱身飛機(jī)目標(biāo)，在米波量級的低頻段，其隱身性能將明顯下降。和微波頻段相比，米波頻段隱身目標(biāo)RCS將增大約10 dB，更有利于實現(xiàn)對隱身目標(biāo)的有效探測。

其次，隱身目標(biāo)無法達(dá)到真正的“全方位”隱身，通常在鼻錐方向±45°角范圍之外隱身效果差，存在非常強(qiáng)散射的角度區(qū)域，如圖2所示。因此，將探測裝備安裝在空中平臺或空間平臺上，采用雙站/多站雷達(dá)探測系統(tǒng)等，擴(kuò)展雷達(dá)的探測視角，探測隱身目標(biāo)的側(cè)向散射或前向散射，可提高對隱身戰(zhàn)機(jī)的探測能力[3，6]。圖9所示為典型隱身目標(biāo)的側(cè)向和前向散射特征示意，可見，隱身目標(biāo)通過獨特的外形設(shè)計使得雷達(dá)輻射電磁波的后向散射減少，但卻增加了前向或側(cè)向散射。海灣戰(zhàn)爭期間美國E-3A預(yù)警機(jī)曾多次發(fā)現(xiàn) F-117A 隱身戰(zhàn)斗機(jī)就是一個很好的證明。因此，擴(kuò)展雷達(dá)視角也是探測隱身目標(biāo)的重要措施手段。

圖9　典型隱身目標(biāo)的側(cè)向和前向散射特征示意

基于目標(biāo)雙站散射特性，當(dāng)雙站角大于90°時，隱身目標(biāo)RCS明顯增大，約10 dB甚至以上，理論仿真結(jié)果如圖6所示。因此，接收隱身飛機(jī)側(cè)向散射或前向散射的電磁波，也可以有效探測隱形目標(biāo)。

此外，隱身飛機(jī)通過減小目標(biāo)RCS，使雷達(dá)探測距離和覆蓋高度下降，增大雷達(dá)功率口徑，也可以彌補(bǔ)因隱身戰(zhàn)機(jī)RCS減小導(dǎo)致的探測距離損失。為了探測隱身目標(biāo)，還可以采用被動式無源探測、外輻射源探測、超寬帶雷達(dá)等多種新體制的雷達(dá)技術(shù)。

最后，任何一種單一的反隱身方法都不能徹底解決隱身目標(biāo)的探測問題。采用多傳感器混合組網(wǎng)技術(shù)，將多部雷達(dá)綜合起來，形成反隱身探測體系，可彌補(bǔ)單裝設(shè)備的缺陷，從整體上提高雷達(dá)探測隱身目標(biāo)的能力，并提升抗干擾和抗摧毀能力。通過空中、空間、地面，多平臺、多頻段雷達(dá)的協(xié)同探測，對多傳感器進(jìn)行信號級融合，可增加雷達(dá)威力、提高測量精度，獲得優(yōu)良的隱身目標(biāo)探測效果[7]。

4　結(jié)束語

隱身技術(shù)的迅速發(fā)展對雷達(dá)預(yù)警探測系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，本文以新一代隱身戰(zhàn)機(jī)為切入點，分析了隱身目標(biāo)多頻段、多極化、單/雙站目標(biāo)散射特性和應(yīng)用背景，提出了隱身目標(biāo)探測的技術(shù)路線和發(fā)展建議。總的來說，隱身目標(biāo)的探測技術(shù)相對隱身技術(shù)來講還不成熟。因此，需要更深入地從基礎(chǔ)研究工作做起，掌握隱身目標(biāo)的機(jī)理與特性，在此基礎(chǔ)上積極研究有效探測隱身目標(biāo)技術(shù)的新構(gòu)思、新原理、新體制，增強(qiáng)反隱身能力。

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甘杰男，1977年生，碩士。研究方向為機(jī)載航空電子。

張杰男，1978年生，博士。研究方向為雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計。

A Study on Situation and Development of Stealth Target Detection Technology

GAN Jie1，ZHANG Jie2

(1. China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China)(2. Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

In this paper, to counter a new generation of stealth aircraft target as the breakthrough point, based on stealth target multi-band, single/double station target scattering evaluation and analysis, it shows that in low frequency and high frequency band, as well as multi-station, target′sRCSsignificantly becomes larger, which provides a direct theoretical basis for the selection of anti-stealth radar frequency and system. Whereby, the anti-stealth technology roadmap and target detection development proposals, including the extended frequency band and detection perspective, the use of multi-sensor hybrid network, as well as the development of new broadband and passive systems, are proposed.

stealth targets; fourth-generation fighter; anti-stealth radar

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.08.003

張杰Email：zjhf1978@sohu.com

2016-04-08

2016-06-16

TN953

A

1004-7859(2016)08-0013-04