隱身技術對直升機任務效能的影響研究

蔡海亮

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

軍用直升機的任務效能是指在一定的戰場威脅環境下軍用直升機完成特定作戰任務的能力的大小。因此，決定軍用直升機任務效能的因素主要有兩種：一是軍用直升機的生存能力；二是軍用直升機的任務完成能力。可以說，戰場環境下軍用直升機的生存能力是直升機圓滿完成任務的前提條件。軍用直升機的生存能力分為兩個部分：一是軍用直升機的低可探測性能，即直升機被敵方探測設備發現、跟蹤的概率；一是軍用直升機的易損性，即直升機遭受敵方終端威脅擊中并殺傷的概率。隨著現代武器殺傷性能的提高，“發現即摧毀”的概率越來越大，因此要提高軍用直升機的生存能力，首要進行直升機的低可探測性設計，也即隱身設計，降低敵方探測設備如雷達、紅外等探測武器發現直升機的概率，也就是直升機隱身技術。

軍用直升機隱身就是降低或改變直升機特征信號的幅度、相位、波形、輻射方向等，以降低敵方偵查探測系統對直升機的探測敏感性，延緩和消除敵方探測設備的反應和響應時間。隱身的實質就是目標特征信號控制，直升機特征信號包括：雷達特征信號、紅外特征信號、聲特征信號和視覺特征信號(又稱可見光特征信號)。直升機隱身設計也就是要實現對這四種特征信號的控制。

要分析軍用直升機隱身性能對任務效能的影響，應建立兩個模型：一是建立軍用直升機任務效能評估模型，定量分析對任務效能影響的參數；二是建立軍用直升機隱身性能評估模型，主要是敵方探測設備對直升機的探測概率模型，明確直升機被敵方探測設備發現的主要影響參數。

1 軍用直升機任務效能評估

軍用直升機任務效能與直升機的突防能力和任務完成能力相關，而突防能力與直升機的生存能力相關。為定量分析軍用直升機任務效能的影響因素，下面分別建立軍用直升機任務效能評估模型、戰場環境模型和直升機突防模型，給出直升機任務效能評估、生存概率和突防概率的定量計算方法。

1.1 軍用直升機任務效能評估模型

軍用直升機執行任務期間受到駕駛員、作戰環境、直升機性能三個方面的影響。駕駛員作為人為因素，在執行任務期間存在完成任務的決心態度，因此引入駕駛員完成作戰任務的決心因子θ。θ為0則表明駕駛員完全偏向于完成任務，不管軍用直升機的存活；當θ為1時則駕駛員是在保證軍用直升機存活的情況下去完成任務目標；當θ介于0和1之間時,θ越大,駕駛員對軍用直升機存活的期望越大。于是建立的任務效能模型可以用以下公式表示[1]：

E=θPat+(1-θ)Pt

(1)

其中，E表示軍用直升機的任務效能，用概率值進行表示；Pat是指戰場環境下執行任務期間時間t內軍用直升機生存(用1表示)，目標任務完成(用0表示)的概率；Pt表示時間t內目標任務完成的概率。其計算公式如下所示[2,3]：

Pat=P(0,1,t)=[1-exp(-βt)]exp(-αt)

(2)

Pt=P(0,1,t)+P(0,0,t) =

{1-exp[-(α+β)t]}β/(α+β)

(3)

式中：α=λ(1-Pa)，β=μPd

其中，λ表示軍用直升機遭遇威脅的強度，即軍用直升機在單位時間內被敵方探測識別設備發現、跟蹤及遭受攻擊的次數；μ-1為軍用直升機任務完成需要的時間；Pa為軍用直升機的突防概率；Pd為軍用直升機的任務完成概率。

本文主要分析隱身性能對軍用直升機任務效能的影響。軍用直升機的任務完成能力主要取決于軍用直升機的固有性能，本文不做詳細研究。通過軍用直升機隱身設計可提高直升機的戰場生存能力，進而增強軍用直升機的突防能力，同時主觀上可增強駕駛員對直升機存活的信任力。

1.2 軍用直升機戰場環境模型

依據美國在研制RAH-66直升機過程中的分析理論，可將軍用直升機生存力分為敏感性、易損性和安全性三個部分，其中敏感性部分也就是戰場環境下敵方探測設備搜索、發現、跟蹤并擊中直升機的過程，與直升機的隱身設計息息相關。

一對一作戰環境，即單個探測設備對單架直升機的戰場環境中，直升機從進入戰場開始到直升機被殺傷共經歷四個階段：直升機進入戰場，直升機被敵方探測設備探測到，直升機被敵方威脅武器跟蹤并擊中，直升機被殺傷。這四個階段每個階段的成敗可用圖1所示樹圖進行表示。在樹圖中，每個向下的箭頭為樹的一個分枝。從直升機生存的角度出發，每個向右的樹枝代表戰場環境下某個特定階段直升機將被殺傷的結局，每個向左的樹枝則代表該階段的直升機將生存的結局。與每個樹枝相關的是概率。

從圖1中可以看出直升機一對一遭遇戰場環境下的殺傷概率和生存概率為[4]：

PK=PK/H×PH/D×PD/A×PA

(4)

PS=1-PK=1-PK/H×PH/D×PD/A×PA

(5)

圖1中一對一遭遇條件下直升機戰場環境的四個階段，每個階段的結局均可以用概率來進行定量表示：

1)PA表示戰場環境下敵方探測設備處于工作狀態的概率，即該探測設備正在主動或被動地搜索直升機，并且準備攻擊飛入其防護區域內的直升機。

2)PD|A表示戰場環境下處于工作狀態的探測設備發現直升機的概率，如敵方雷達、紅外探測設備發現直升機的概率，人耳聽到直升機或者是肉眼觀察到直升機的概率。

3)PH|D表示敵方探測設備跟蹤并發射終端武器命中直升機的概率,如雷達跟蹤并發射雷達制導武器命中直升機的概率，紅外探測設備跟蹤并發射紅外制導導彈命中直升機的概率，肉眼觀察直升機并發射肩扛式導彈命中直升機的概率等情景。

4)PK|H表示直升機被敵方威脅武器擊中后被殺傷的概率。

圖1 一對一遭遇直升機戰場環境樹圖

以上前三個階段都是直升機敏感性部分，其概率值也是敏感性計算的結果，直升機隱身效果最直觀的反應也是在這三個階段。第一階段通過威脅告警與壓制手段來降低直升機的敏感性，使得直升機操縱人員可以先敵發現敵方探測設備；第二階段通過直升機特征信號減縮措施，即雷達特征信號減縮、紅外特征信號減縮、聲特征信號減縮和視覺特征信號減縮措施，使得直升機更加難以被敵方的探測設備發現；第三個階段，一旦直升機被敵方探測設備發現，通過電子對抗或電子干擾措施，如電子干擾、電子欺騙、紅外或箔條干擾彈等措施，減小直升機被敵方威脅武器擊中的概率。直升機在執行任務期間，通過隱身措施，可有效降低直升機的敏感性，提高直升機的生存概率。

1.3 軍用直升機的突防概率

假定PKj為一對一作戰環境中單架直升機遭遇j類威脅條件下被殺傷的概率，則單架直升機在遭遇n個j類威脅后被殺傷的概率為：

PKnj=1-(1-PK1)×(1-PK2)×

(1-PK3)×…×(1-PKn)

(6)

則軍用直升機的突防概率，即軍用直升機在遭遇m類威脅后仍然生存的概率為：

Pa=1- (1-PKn1)×(1-PKn2)×

(1-PKn3)×…×(1-PKnm)

(7)

2 軍用直升機隱身性能評估

軍用直升機實施隱身設計可有效降低敵方探測設備對直升機的探測概率，從公式(5)可以看出直升機探測概率的降低可有效增強直升機的生存能力，而從公式(7)則可以看出直升機生存能力的增加可有效增強直升機的突防能力，公式(1)中可以看出，突防能力的增加可有效增強直升機的任務效能。為定量描述直升機隱身性能對任務效能的影響，首先應確定軍用直升機被敵方探測設備發現的概率，即探測概率。目前探測設備主要有雷達探測設備、紅外探測設備、聲探測設備和視覺(可見光)探測設備，下面針對這四種探測設備，分別給出其探測概率的計算方法。

2.1 雷達探測概率計算

一對一戰場環境下單雷達探測概率是虛警概率和信噪比的函數：

Pd=f(Pfa,S/N)

(8)

式中：f()表示不同的雷達信號處理方式，Pd為單雷達探測概率，Pfa為虛警概率，S/N為信噪比。

現代雷達普遍采用恒虛警處理技術。恒虛警處理技術通過實時地分析雜波水平判斷檢測單元在雜波中的位置以及消除干擾單元的影響的措施，實時設定檢測門限，保證虛警概率不變。常用的恒虛警處理技術包括單元平均恒虛警處理(CA-CFAR)、有序統計量恒虛警處理(OS-CFAR)、廣義有序統計恒虛警處理(GOS-CFAR)以及多傳感器的數據融合分布式CFAR處理等。對某一確定的恒虛警處理技術，按照目標和背景雜波的波動情形，共有八類可能的組合，對每一種組合都有專門的虛警概率和探測概率計算方法。

對于GO-CFAR，其在均勻雜波背景中的虛警概率和檢測概率為[5]：

(9)

(10)

對于SO-CFAR，其在均勻雜波背景中的虛警概率和檢測概率為[5]：

(11)

(12)

式中：T為門限因子，n為恒虛警處理器檢測單元的單側參考單元數。對于更多的恒虛警處理器的虛警概率和探測概率，本文不一一列出。

對于確定的雷達系統，通常可以用一組“特征參數”(MODE，Pfa0，Pd0，R0，σ0)來描述其性能，具體含義為：雷達以掃描速率ω掃描空域ψ(工作模式)，當雷達保持虛警概率為Pfa0時，其對距離為R0、RCS為σ0的目標的單掃探測概率可以達到Pd0。在雷達探測的過程中，假定雷達的平均發射功率、工作波長、天線增益和系統損耗是固定的，變化的是直升機的RCS、直升機的距離以及波束的駐留時間，信噪比可以表示為[6]:

(13)

式中：CS被稱為“雷達特征常數”，σ為直升機RCS，R為直升機與雷達之間的距離。

利用公式(13)可以求解不同R、σ時的信噪比S/N，然后代入公式(9)-公式(12)，求得雷達單次掃描直升機時的探測概率。

2.2 紅外探測概率計算

紅外探測與雷達探測不同，紅外探測是無源的，紅外傳感器是對目標輻射的熱量與其背景輻射的熱量相比較來進行探測的。紅外成像傳感器的目標探測分為點目標和面目標探測，一對一戰場環境下，單架軍用直升機目標可被紅外成像探測器視為點目標。

紅外成像系統的點目標探測概率為[7]：

(14)

式中：σ為噪聲電壓的均方根偏差，T為門限電平，a/σ為信噪比。a/σ可通過以下計算方法得出[7]：

(15)

式中：D為光學透鏡直徑，a1a2為目標直升機尺寸，b1b2為紅外探測器單元尺寸，R為目標直升機和紅外探測設備之間的距離，Lt為目標直升機紅外輻射強度，Lb為背景天空紅外輻射強度，τ為光學透鏡透過率，τ(R)為大氣透過率，Δf為探測器帶寬，θ為目標仰角，D*為探測器比探測率。

2.3 聲探測概率計算

目標直升機進入戰場環境條件下人耳或聲探測設備一次發現(聽到)直升機的概率如下式所示[8]：

(16)

式中：G()為標準正態概率函數，Ku為歸一化門限系數，d為信噪比。

dr=SL-TL-NL+DI

(17)

dz=2(SL-TL-NL+DI+5lgTW)

(18)

其中，SL為目標直升機聲源級，TL為傳播損失，NL為環境噪聲級，DI為接受指向性指數，T為時間，W為帶寬。

2.4 視覺探測概率計算

采用目視或光學設備探測搜索直升機時，目標直升機被探測到的概率取決于目標直升機在背景襯托下的反差。當目標直升機的亮度為Lm，背景的亮度為Lb時，目標的對比度為[9]：

(19)

實際搜索過程中，目標對比度存在的條件下，直升機可能被探測到，也可能不被探測到，目標被探測到的對比度為一隨機變量，試驗結果表明,該隨機變量與韋伯分布吻合得較好。因此C的分布密度函數為[9]：

f(C)=mCm-1exp(-λCm),C≥0

(20)

式中：λ為尺度參數，m為形狀參數。

當目標直升機距離為R時的視在對比度CR計算公式如下[9]：

CR=C0exp (-σR)

(21)

式中：C0為目標直升機的固有對比度，與直升機的固有亮度和背景亮度有關，σ為衰減系數。

目前的目視與光學探測設備的探測概率計算可通過蒙特卡洛方法進行計算。計算公式如下式所示：

(22)

式中：M為蒙特卡洛重復模擬次數，N為發現目標直升機的次數，當C

從上面公式可以看出，視覺探測概率與目標尺寸、目標固有對比度有關，在目標尺寸越小、目標固有對比度越小的條件下，視覺探測概率也就越小。

2.5 干擾與對抗條件下探測概率計算

無論是電子干擾或紅外干擾，干擾與對抗措施實施的目的就是為了改變目標直升機的信噪比[10-13]。軍用直升機目標特征信號減縮，也即雷達、紅外、聲和視覺特征信號減縮的目的是為了減小目標直升機的信號強度，而干擾和對抗措施則是為了增強背景的信號強度，二者的根本目標還是為了減小目標直升機的信噪比。干擾與對抗條件下目標直升機被發現的概率，即探測概率可通過計算干擾與對抗條件下的信噪比并代入章節2.1-章節2.4中的探測概率計算公式中可得出。

3 隱身對直升機任務效能的影響分析

本文首先建立了軍用直升機的任務效能評估模型，得出了軍用直升機的任務效能評估計算方法。通過分析得出影響任務效能的主要因素之一是軍用直升機的突防概率，通過對突防概率的分析，得出影響軍用直升機突防概率的一個主要參數是直升機被敵方探測設備發現的概率,即探測概率。然后分析了目前常見的四種探測設備，雷達、紅外、聲和視覺探測設備的探測概率計算方法，分析得出隱身的最終目的是為了減小目標直升機的信噪比，從而減小直升機被發現的概率，增強突防概率，從而提升軍用直升機的任務效能。圖2示意圖給出了軍用直升機隱身對任務效能的影響框圖。

圖2 隱身對軍用直升機任務效能影響框圖

下面通過算例簡單分析不同隱身設計對軍用直升機任務效能的影響。假定兩架武裝直升機A和B性能及武器裝備相同，進入相同戰場環境執行相同任務，A直升機未采取任何隱身設計措施，B直升機采取隱身措施，根據目前國際上直升機隱身的效果分析不同隱身方法對直升機任務效能的影響。

1)B直升機采用了雷達隱身設計技術，通過外形隱身設計、吸波材料等雷達隱身技術，B直升機的RCS可達到只有A直升機的1/500。

分析過程：通過公式(13)可得，B直升機的信噪比為A直升機的1/500，通過公式(12)計算A直升機和B直升機遭遇相同單雷達的探測概率對比，B直升機被探測到的概率比A直升機減少了超過90%。通過公式(4)-公式(7)的計算可得出兩款直升機的突防概率對比，B直升機比A直升機突防概率增加了近似90%，最終通過公式(1)近似計算得出，B直升機比A直升機任務效能增加了近似90%。

2)B直升機通過紅外抑制器等紅外隱身設計技術，其信噪比只是A直升機的1/3。

分析過程：通過公式(14)可得，B直升機被探測到的概率比A直升機減少了近似29%。通過公式(4)-公式(7)的計算可得出兩款直升機的突防概率對比，B直升機比A直升機突防概率增加了近似30.5%，最終通過公式(1)近似計算得出，B直升機比A直升機任務效能增加了近似31%。

3)B直升機采用了聲隱身設計技術，其噪聲只是A直升機的1/3。

分析過程：通過公式(16)-公式(18)可得，B直升機被探測到的概率比A直升機減少了近似15%。通過公式(4)-公式(7)的計算可得出兩款直升機的突防概率對比，B直升機比A直升機突防概率增加了近似16.5%，最終通過公式(1)近似計算得出，B直升機比A直升機任務效能增加了近似17%。

4)B直升機采用了視覺隱身設計技術，其目標對比度只是A直升機的1/3。

分析過程：通過公式(19)-公式(22)可得，B直升機被探測到的概率比A直升機減少了近似15%。通過公式(4)-公式(7)的計算可得出兩款直升機的突防概率對比，B直升機比A直升機突防概率增加了近似16.5%，最終通過公式(1)近似計算得出，B直升機比A直升機任務效能增加了近似17%。

以上計算結果表明，直升機的雷達隱身設計和紅外隱身設計可有效降低直升機在戰場環境下被探測到的概率，尤其是雷達隱身設計使敵方雷達幾乎探測不到直升機，可最大程度地提升直升機的戰場生存能力，增強直升機的突防概率，進而提升直升機的任務效能。

4 結論

隱身設計作為未來軍用直升機的主要技術特征，在未來戰場中必將起到至關重要的作用。本文通過對軍用直升機任務效能評估模型的研究，證明隱身性能對提高軍用直升機的戰場生存能力，增強直升機的突防概率，提升軍用直升機任務效能有著巨大的影響作用。通過理論分析以及算例估算的結果，得出以下結論：

1)增強直升機任務效能最有效的手段是進行直升機雷達隱身和紅外隱身，盡可能地降低直升機的雷達特性信號和紅外特征信號，其中以降低直升機雷達特征信號效果最為明顯；

2)現代戰場環境下敵方探測設備種類和數量多，在主要考慮直升機雷達和紅外隱身的前提下，應綜合考慮聲隱身、視覺隱身和干擾與對抗措施，最大限度地減小直升機被敵方探測設備探測到的概率。