隱身目標探測技術現狀與發展研究

甘　杰，張　杰

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

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·總體工程·

隱身目標探測技術現狀與發展研究

甘杰1，張杰2

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

文中以對抗新一代隱身戰機目標為切入點，基于隱身目標的多頻段、單/雙站目標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RCS會顯著變大，為反隱身雷達頻段和體制選擇提供了直接的理論依據。由此，提出了擴展工作頻段和探測視角、采用多傳感器混合組網、發展無源和寬帶等新體制的隱身目標探測技術路線和發展建議。

隱身目標；第四代戰斗機；雷達反隱身

0　引　言

近年來幾次局部戰爭，從海灣戰爭、科索沃戰爭、阿富汗戰爭到伊拉克戰爭，隱身戰斗機、隱身轟炸機、隱身偵察機均發揮了重要的作用。美軍的隱身戰機水平居世界領先水平，其B-2隱身轟炸機、F-22、F-35隱身戰斗機代表了當今世界隱身戰機的先進水平。F-22、F-35隱身戰斗機目前正逐步批量裝備部隊，2020年前后美國戰斗機將完成更新換代。美國正計劃將隱身戰斗機部署在我周邊地區，對我國家安全構成嚴重威脅。隨著F-22和F-35等具有隱身能力的作戰飛機以及各種隱身兵器的相繼服役，現代武器系統呈現出以隱身為主要特征，同時兼備高機動、超音速巡航、超低空飛行以及超視距打擊的能力[1-2]，對以常規目標為對象的國土防空預警探測系統提出了嚴峻挑戰，發展反隱身技術是保護國家安全的迫切需求。本文基于對隱身目標的多頻段、單/雙站目標散射特性原理仿真分析研究，提出了擴展雷達工作頻段、探測視角以及發展無源和寬帶等新體制、采用多傳感器混合組網等隱身目標探測的技術發展建議。

1　隱身目標特征分析

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

(1)

式中：E0是照射到目標的入射波電場強度；ES是目標所在位置處被目標散射返回雷達方向的反射波電場強度；R為目標到雷達的距離。RCS是目標在一定視角、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在接收方向單位立體角內具有相同的回波功率。

如圖1所示[1]，左側一列為不同類型的飛機目標，右側不同尺寸的球表征其對應的RCS。實際上，目標的RCS不是一個單值，對于每個視角、不同的雷達頻率等都對應不同的RCS。

圖1　不同類型飛機目標的RCS示意圖

基于目標RCS的概念，隱身飛機通過特殊的外形設計以及采用雷達吸波材料實現對雷達照射到飛機上的電磁波的散射衰減控制。但當雷達波長與被照射目標特征尺寸(通常在米級的量級上)相近時，在目標反射波與爬行波之間產生諧振現象，盡管無直接的鏡面反射但仍會引起強烈的信號特征。例如，某些陸基雷達的長波(米波)輻射能在飛機較大的部件(平尾或機翼前緣)上引起諧振；而在波長很短(毫米波)的雷達照射下，飛機不平滑部位的尺寸相對波長大很多，容易產生角反射，導致RCS增大。如圖2所示[3]：圖2a)為常規飛機目標的散射特征示意，明顯可見在全空域上其幅度較大；圖2b)是隱身目標散射特征示意，除在正側翼、正后方等少數角度方向上出現較大值外，大部分區域都非常小。因此，從隱身機理上判斷，將雷達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展，從不同的角度觀測，能夠改善對隱身目標的探測能力。

圖2　常規飛機與隱身飛機的RCS散射特征示意圖

隱身目標的散射特征評估是改善隱身目標探測性能的前提和依據。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特殊外形進行三維建模、網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的RCS會顯著變大，為反隱身雷達頻段和體制選擇提供了直接的理論依據。

首先，我們對典型隱身飛機目標進行仿真計算模型網格剖分，如圖3所示。

圖3　隱身飛機仿真計算模型坐標系及網格剖分圖

圖3a)為RCS仿真坐標系，目標中心位于坐標原點上，目標機頭指向正X軸方向，目標左翼或左舷方向指向正Y軸，Z軸指向目標的天頂方向。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對飛機目標的剖分模型，對于不同計算頻率再進行細剖分，不同頻率下目標電尺寸在幾個波長到數百個波長之間。采用圖3中模型，經電磁仿真計算獲得隱身飛機目標RCS隨頻率變化關系，見圖4。

圖4　隱身目標迎頭RCS隨雷達頻率的變化曲線仿真圖

從圖4電磁仿真結果可見，典型隱身飛機目標的迎頭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。

對于不同的雷達觀測視角，雙站雷達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RCS隨雙站方位角變化關系，如圖6所示，圖中也給出與入射方向的單站RCS結果的比較。可見，相比于單站雷達目標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　雙站雷達探測隱身目標布局示意圖

理論仿真研究表明，隱身目標主要在某些方向，如：機頭方向的雷達散射截面積較小，在其他方向散射截面積明顯增大；隱身目標在低頻段，特別是米波段，隱身性能大大降低或失效；目標雙站RCS隨著雙站角的增大也會顯著增加。此外，隱身飛機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備偵收的可能性。

2　隱身目標對現役雷達探測能力的影響

隱身目標嚴重威脅我國現役探測預警體系的安全。相比于常規飛機目標數平方米的RCS值，隱身飛機目標的RCS則低至0.1 m2、0.01 m2甚至更小，極大削弱了現役雷達的探測性能。如圖7所示，相比于對常規目標300 km～400 km的探測性能，現役雷達對隱身目標的作用距離僅為其12%～37%。

圖7　雷達探測距離隨目標隱身性能變化情況示例圖

與常規目標探測性能相比，預警雷達系統對隱身目標的監視有明顯的空隙，如圖8所示，使得我方探測系統不能對隱身目標進行有效的連續跟蹤，難以引導我方飛機對其進行攔截。

圖8　常規目標與隱身目標對雷達探測性能變化對比示意

3　隱身目標探測技術路線與發展建議

重點從能量域、頻域、空域、極化域等方面研究雷達反隱身探測技術通過以下途徑實現雷達反隱身探測：一是增大雷達功率口徑積；二是擴展雷達工作波段范圍；三是擴展雷達的探測視角；四是采用多平臺組網技術等。技術發展的方向是系統集成、綜合運用，從反隱身技術理論上尋找突破，以提高雷達系統的探測性能，利用天基、機載和浮空等多平臺雷達系統探測隱身目標[3-5]。

首先，擴展雷達工作頻段是提升雷達對隱身目標探測性能的重要技術途徑。從外形隱身方法看，目標主要散射形式為鏡面反射、邊緣衍射、尖端繞射及爬行波。常規雷達波長比目標尺寸小得多，目標的各部分之間散射相互作用較小，可把目標看成是各個獨立散射中心的集合。因此，當前的雷達外形隱身技術的實質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度最大限度降低，獲得最佳的隱身效果。

從雷達隱身材料的吸波機理來看，無論是吸波涂料還是結構型吸波材料，都是針對微波的特點進行電結構設計，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生振蕩，轉化為熱能。入射波長發生很大變化時，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揮。因此，向低頻段和高頻段兩個方向擴展雷達的工作頻段就成為提高雷達探測隱身目標能力的一項重要技術途徑。

基于第1節的隱身目標特征原理仿真分析，可以預測，對于工作在微波頻段雷達可有效隱身的隱身飛機目標，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RCS將增大約10 dB，更有利于實現對隱身目標的有效探測。

其次，隱身目標無法達到真正的“全方位”隱身，通常在鼻錐方向±45°角范圍之外隱身效果差，存在非常強散射的角度區域，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/多站雷達探測系統等，擴展雷達的探測視角，探測隱身目標的側向散射或前向散射，可提高對隱身戰機的探測能力[3，6]。圖9所示為典型隱身目標的側向和前向散射特征示意，可見，隱身目標通過獨特的外形設計使得雷達輻射電磁波的后向散射減少，但卻增加了前向或側向散射。海灣戰爭期間美國E-3A預警機曾多次發現 F-117A 隱身戰斗機就是一個很好的證明。因此，擴展雷達視角也是探測隱身目標的重要措施手段。

圖9　典型隱身目標的側向和前向散射特征示意

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

此外，隱身飛機通過減小目標RCS，使雷達探測距離和覆蓋高度下降，增大雷達功率口徑，也可以彌補因隱身戰機RCS減小導致的探測距離損失。為了探測隱身目標，還可以采用被動式無源探測、外輻射源探測、超寬帶雷達等多種新體制的雷達技術。

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的探測問題。采用多傳感器混合組網技術，將多部雷達綜合起來，形成反隱身探測體系，可彌補單裝設備的缺陷，從整體上提高雷達探測隱身目標的能力，并提升抗干擾和抗摧毀能力。通過空中、空間、地面，多平臺、多頻段雷達的協同探測，對多傳感器進行信號級融合，可增加雷達威力、提高測量精度，獲得優良的隱身目標探測效果[7]。

4　結束語

隱身技術的迅速發展對雷達預警探測系統提出了嚴峻挑戰，本文以新一代隱身戰機為切入點，分析了隱身目標多頻段、多極化、單/雙站目標散射特性和應用背景，提出了隱身目標探測的技術路線和發展建議。總的來說，隱身目標的探測技術相對隱身技術來講還不成熟。因此，需要更深入地從基礎研究工作做起，掌握隱身目標的機理與特性，在此基礎上積極研究有效探測隱身目標技術的新構思、新原理、新體制，增強反隱身能力。

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甘杰男，1977年生，碩士。研究方向為機載航空電子。

張杰男，1978年生，博士。研究方向為雷達系統設計。

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