基于雷達(dá)成像的地面停留隱身飛機(jī)探測(cè)?

蔣忠進(jìn),趙書敏,耿江東,李希同

(1.東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210096;2.東南大學(xué)無(wú)線通信技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇南京210096;3.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南洛陽(yáng)471009;4.清華大學(xué)精密儀器系,北京100084)

0 引言

如今美國(guó)已經(jīng)有F-22隱身戰(zhàn)斗機(jī)和B-2隱身戰(zhàn)略轟炸機(jī)正在服役,F-35隱身戰(zhàn)斗機(jī)、X-47B隱身無(wú)人機(jī)和一些其他型號(hào)的隱身飛機(jī)正在研制和試飛,而著名的隱身轟炸機(jī)F-117則已經(jīng)退役。除美國(guó)以外,其他國(guó)家也在大力研制隱身飛機(jī),以適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要。這些國(guó)家的隱身飛機(jī)對(duì)我國(guó)的軍事安全形成潛在的威脅,如何進(jìn)行反隱身是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)眾多科研機(jī)構(gòu)對(duì)反隱身的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了大量研究,包括隱身飛機(jī)的電磁散射特性、低頻雷達(dá)、雷達(dá)組網(wǎng)和多基地雷達(dá)等[1-9]。在電磁散射特性方面,國(guó)內(nèi)的研究主要集中在雷達(dá)散射截面(RCS)的分析,包括RCS的方向特性、頻率特性和極化特性。各研究結(jié)果均表明,目前的隱身飛機(jī)在俯仰角為90°±30°、方位角為0°±30°范圍內(nèi),后向單站RCS可低達(dá)約-30 dB,很難被我方雷達(dá)探測(cè)到。此處,俯仰角90°表示水平方向,方位角0°表示飛機(jī)的鼻錐方向。

目前的隱身技術(shù)已經(jīng)達(dá)到一定的高度,但還是存在不足,如不能全角度和全頻段隱身、機(jī)動(dòng)性會(huì)受到影響、外掛設(shè)備內(nèi)置會(huì)導(dǎo)致彈載量降低等[4]。由于不能全角度隱身,使得隱身飛機(jī)在某些角度能被探測(cè)到,比如當(dāng)它們停留在地面機(jī)場(chǎng)時(shí),就可以被機(jī)載SAR成像雷達(dá)發(fā)現(xiàn),因?yàn)榇藭r(shí)機(jī)載雷達(dá)已經(jīng)避開(kāi)了隱身飛機(jī)的最佳隱身范圍。

本文的研究側(cè)重于探討當(dāng)隱身飛機(jī)停留在地面上時(shí)的可探測(cè)性,即采用SAR成像的方式,看能否發(fā)現(xiàn)停留在機(jī)場(chǎng)上的隱身飛機(jī)。該研究涉及到敵方與隱身飛機(jī)相關(guān)的軍事部署,在情報(bào)獲取方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文以F-22為例,對(duì)隱身飛機(jī)進(jìn)行SAR成像仿真,發(fā)現(xiàn)在俯仰角為45°左右時(shí),能夠得到隱身飛機(jī)的清晰SAR成像。

1 隱身飛機(jī)的散射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前在役的隱身飛機(jī)主要采用兩方面的成熟技術(shù)進(jìn)行隱身,即散射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和吸波材料涂覆,能夠?qū)w機(jī)的RCS降低20～30 dB,其中散射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)估計(jì)占2/3左右[10]。隱身性能的頻率特性、極化特性與飛機(jī)的散射結(jié)構(gòu)和吸波材料均有關(guān),但隱身性能的方向特性主要與飛機(jī)的散射結(jié)構(gòu)有關(guān)。本文的研究與隱身性能的方向特性密切相關(guān),所以將專注于散射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。

散射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思想主要體現(xiàn)在如何確定飛機(jī)的表面結(jié)構(gòu),使照射它的雷達(dá)電磁波不能形成有效的后向散射,以避免被敵方雷達(dá)發(fā)現(xiàn)。研究結(jié)果表明,如果一個(gè)平面與雷達(dá)波束成90°角,它就會(huì)產(chǎn)生很大的單站RCS,但當(dāng)它傾斜使其法向偏離雷達(dá)波束時(shí),其RCS就會(huì)迅速減小。以F-117飛機(jī)為例,由于雷達(dá)探測(cè)區(qū)域通常在飛機(jī)水平面上下30°范圍內(nèi),所以飛機(jī)的大部分表面與垂向的夾角都大于30°[10],其CAD模型如圖1所示。除此之外,盡量使邊緣不與電磁波入射方向垂直,可以降低邊緣后向散射。

圖1 F-117飛機(jī)CAD模型

在F-22飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,采用了S形進(jìn)氣道抑制后向散射,同時(shí)采用外傾式雙垂尾設(shè)計(jì),降低尾翼的RCS貢獻(xiàn)[1]。B-2隱形轟炸機(jī)采用翼身融合結(jié)構(gòu),機(jī)身表面圓滑過(guò)度,可以化鏡面反射為邊緣繞射,變邊緣繞射為爬行波。機(jī)體表面不能存在突出結(jié)構(gòu),同時(shí)將各種外掛設(shè)備采用內(nèi)置式安裝,因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)和設(shè)備容易形成后向強(qiáng)散射。

綜觀隱身飛機(jī)的散射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),首先要照顧到迎頭方向的隱身,在電磁波迎頭照射時(shí),把散射場(chǎng)分布到一些不重要的方向去,盡量不要形成后向散射。但這也意味著隱身飛機(jī)的隱身性能并不是全角度的,在非迎頭方向,隱身飛機(jī)的單站RCS完全可能大幅增加。

2 隱身飛機(jī)的RCS特性分析

本文以F-22飛機(jī)為例,對(duì)其RCS方向特性進(jìn)行仿真,包括水平方向性和俯仰方向性,F-22飛機(jī)的CAD模型如圖2所示。仿真代碼為SBR高頻算法,仿真頻率為10 GHz,包括H H和VV兩種極化方式。

圖2 F-22飛機(jī)CAD模型俯視圖

圖3為F-22飛機(jī)在俯仰角為45°和90°時(shí)的RCS水平方向性比較。由圖可見(jiàn),在俯仰角為90°時(shí),不論是H H極化還是VV極化,F-22飛機(jī)在方位角處于0°±30°范圍內(nèi)的RCS都低于-20 dB,具有很好的隱身性能。由于此處只研究飛機(jī)的散射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),CAD模型的材料屬性設(shè)置為金屬,故無(wú)法考慮吸波材料的貢獻(xiàn),否則F-22飛機(jī)的迎頭RCS可以低至-30 dB。

圖3 俯仰角為45°和90°時(shí)的RCS水平方向性對(duì)比(10 GHz)

但在俯仰角抬升到45°時(shí),不論是H H極化還是VV極化,F-22飛機(jī)的RCS都會(huì)大幅上升,在迎頭方向上升約10 d B,兩側(cè)上升約20 d B,尾向也有所上升。這就說(shuō)明,在俯仰角抬升時(shí),F-22飛機(jī)的隱身性能明顯降低。

為了進(jìn)一步證明上述結(jié)論,本文對(duì)F-22飛機(jī)進(jìn)行俯仰向RCS曲線仿真,方位角分別為0°和45°。仿真結(jié)果如圖4和圖5所示,為了便于查看,此處采用極坐標(biāo)進(jìn)行曲線繪制。由圖可見(jiàn),在俯仰角偏離90°±30°后,不論是H H極化還是VV極化,F-22的RCS都會(huì)明顯增加。在方位角為45°的情況下,這種變化更為明顯,在俯仰角達(dá)到90°±45°時(shí),RCS可達(dá)10dB左右。

根據(jù)以上結(jié)果可見(jiàn),在俯仰角為90°±30°時(shí),F-22飛機(jī)在迎頭方向具有很好的隱身性能,但在俯仰角抬升到45°左右時(shí),這種隱身性能下降。俯仰角45°屬于機(jī)載SAR成像的視角范圍,所以當(dāng)隱身飛機(jī)停留在地面機(jī)場(chǎng)上時(shí),應(yīng)該可以被機(jī)載SAR成像雷達(dá)發(fā)現(xiàn)。

3 隱身飛機(jī)的SAR成像仿真

本文對(duì)F-22飛機(jī)的SAR成像進(jìn)行了仿真和分析。為了進(jìn)行對(duì)比,將非隱身的E-2預(yù)警機(jī)與F-22飛機(jī)置于同一個(gè)場(chǎng)景,同時(shí)進(jìn)行SAR成像,場(chǎng)景如圖6所示。為了在成像過(guò)程中互不遮擋,故在兩個(gè)飛機(jī)之間拉開(kāi)一定距離。本文使用的SAR成像仿真代碼是基于SBR技術(shù)的時(shí)域成像算法,成像中心頻率為10 GHz,分辨率為0.3 m。

圖4 方位角為0°時(shí)的RCS俯仰方向性(10 GHz)

圖5 方位角為45°時(shí)的RCS俯仰方向性(10 GHz)

SAR成像結(jié)果如圖7和圖8所示。圖7為俯仰角85°、方位角0°時(shí)的SAR圖像,所處視角位于隱身飛機(jī)的最佳隱身范圍。由圖可見(jiàn),不論是HH極化還是VV極化,E-2預(yù)警機(jī)都能被清晰探測(cè),而F-22飛機(jī)則完全無(wú)法分辨,體現(xiàn)了非隱身飛機(jī)和隱身飛機(jī)的差別。其中E-2預(yù)警機(jī)的后半部分成像不清晰,這是因?yàn)槿肷潆姶挪ū磺鞍氩糠终趽醯木壒省?/p>

圖6 E-2飛機(jī)和F-22飛機(jī)置于同一個(gè)場(chǎng)景

圖7 俯仰角85°、方位角0°時(shí)的SAR成像

圖8 俯仰角45°、方位角0°時(shí)的SAR成像

在圖8中,SAR成像的俯仰角為45°,方位角為0°,所處視角在隱身飛機(jī)的最佳隱身范圍之外。由圖可見(jiàn),不論是H H極化還是VV極化,E-2預(yù)警機(jī)和F-22飛機(jī)都能被清晰發(fā)現(xiàn)。由于俯仰角抬升,飛機(jī)的前半部分不會(huì)對(duì)后半部分形成電磁波的遮擋,所以兩個(gè)飛機(jī)的整體都能清晰成像。所以,當(dāng)隱身飛機(jī)停留在機(jī)場(chǎng)上時(shí),可以通過(guò)機(jī)載SAR成像進(jìn)行探測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)隱身飛機(jī)的電磁散射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討,仿真和分析了F-22隱身飛機(jī)的RCS方向性和SAR成像,發(fā)現(xiàn)F-22飛機(jī)的隱身并不是全角度的。在俯仰角處于90°±30°范圍內(nèi)時(shí),F-22飛機(jī)具有很好的隱身性能,但當(dāng)俯仰角不在該范圍內(nèi)時(shí),其隱身性能大幅降低。本文設(shè)定了F-22飛機(jī)停留在地面上的情況,以俯仰角45°進(jìn)行SAR成像,發(fā)現(xiàn)F-22飛機(jī)可以被清晰探測(cè)。

本文的仿真和分析僅以F-22飛機(jī)為例。雖然不同的隱身飛機(jī)在電磁散射特性上有很大的不同,但在進(jìn)行散射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),各種隱身飛機(jī)均以迎頭方向?yàn)橹攸c(diǎn)隱身方向。當(dāng)從包括俯仰角45°在內(nèi)的斜上方進(jìn)行探測(cè)時(shí),各種隱身飛機(jī)的隱身性能均大幅下降,因此關(guān)于F-22飛機(jī)的結(jié)論可以作為其他隱身飛機(jī)探測(cè)的參考。

另外,本文在SAR成像時(shí)沒(méi)有考慮地面的影響,包括地面自身的SAR成像特征,以及地面與飛機(jī)之間的互耦效應(yīng)對(duì)飛機(jī)SAR成像的影響,這些將在后續(xù)研究中予以實(shí)現(xiàn)。

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