無人艇高度雷達波隱身探討

李銑鑌，唐興基，倪家正

(海軍研究院，北京 100161)

0 引 言

無人艇由于受到噸位載荷的限制，通常不會裝載大量的自防御武器，因此，無人艇的雷達波隱身性能是無人艇綜合生命力的重要保障，一方面無人艇可以通過雷達波隱身控制措施，降低其雷達散射截面積至雷達末制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈跟蹤門限值以下，使反艦導(dǎo)彈難以有效鎖定目標(biāo)；另一方面，無人艇通過全艇雷達波隱身性設(shè)計，在一定視距范圍內(nèi)可以降低探測雷達對無人艇的自動探測概率，實現(xiàn)對抗敵方探測雷達的目的[1-2]。

在雷達波隱身設(shè)計思路方面，無人艇與大型艦艇具有較大的差異性，大型艦艇實現(xiàn)高度雷達波隱身性在技術(shù)上不存在難以解決的問題，通過從船體平臺、大型設(shè)備、小型部件階梯式的雷達波隱身控制原則，可以實現(xiàn)大型艦艇從數(shù)百平米到數(shù)千平米不等的雷達散射截面控制目標(biāo)，但是由于大型艦艇艦面集成眾多的武器、舾裝等設(shè)備，為保證艦艇的總體性能和取得最佳的效費比，大型艦艇通常以首要考慮其他總體性能，其次考慮雷達波隱身性。一方面是因為艦艇雷達波隱身需要艦船總體設(shè)計予以支撐實現(xiàn)，雷達波隱身性能越高，艦船總體設(shè)計給予雷達波隱身的支持力度越大。經(jīng)評估分析，將大型艦艇雷達散射截面減縮控制到100 m2以下，艦船總體設(shè)計則需要以雷達波隱身要求為牽引開展設(shè)計工作；另一方面大型艦艇由于裝載有大量自防御武器，雷達波隱身性能的不足通常可由干擾對抗彌補，但是從實際作戰(zhàn)的角度出發(fā)，艦艇雷達波隱身性能是越高越好[3-4]。

目前，世界現(xiàn)役大型水面艦艇的雷達波隱身性能基本控制在一定量級水平，同時采用外形隱身為主、隱身材料應(yīng)用為輔的雷達波隱身頂層設(shè)計原則。在戰(zhàn)時狀態(tài)，可以通過涂敷雷達波吸波材料在較短的周期內(nèi)快速提升艦艇雷達波隱身性能。根據(jù)現(xiàn)有材料水平，典型涂敷狀態(tài)下的全艦雷達波隱身性能可提升80%以上。而無人艇高度雷達波隱身是其綜合生命力的重要支撐，同時雷達隱身實施復(fù)雜程度遠低于大型艦艇，因此需要以外形隱身設(shè)計、隱身材料應(yīng)用為核心開展雷達波隱身控制，以滿足無人艇高度雷達波隱身的要求[5-8]。

本文從高度雷達波隱身無人艇面臨的雷達波隱身威脅、隱身關(guān)鍵技術(shù)、隱身適用性三方面開展探討，為無人艇雷達波隱身需求研究、隱身性能實現(xiàn)、隱身作戰(zhàn)研究提供參考。

1 無人艇雷達波隱身威脅

無人艇面對的作戰(zhàn)威脅主要包括大型水面艦艇、反潛巡邏機、預(yù)警機等平臺，以對海警戒搜索雷達為主。

1.1 水面大型艦艇

典型無人艇雷達波隱身對抗大型水面艦艇根據(jù)距離不同可分為視距外對抗、中等距離對抗、近距離對抗3 個階段，各階段面臨的雷達波隱身威脅和特點不同。

圖 1 典型無人艇雷達波隱身對抗示意圖Fig.1 The antagonistic diagram of unmanned craft in the radar wave's stealth

1）視距外對抗

視距外對抗是無人艇對抗大型艦艇的重要優(yōu)勢，同等條件下可以做到先敵發(fā)現(xiàn)。艦艇互相間的探測距離基本上都大于艦艇水線的雷達直視視距、小于艦艇桅頂?shù)睦走_直視視距。在無人艇和大型艦艇進行視距外探測時，由于無人艇平臺較為低矮，可以在大型艦艇導(dǎo)航、搜索雷達波束覆蓋無人艇前，探測到大型艦艇桅桿等部位，從而先于大型艦艇發(fā)現(xiàn)對方。典型實船試驗表明，同等條件下，小型艦艇探測大型艦艇的距離普遍遠于大型艦艇探測小型艦艇的距離，其距離差值可達到5 km。因此，無人艇可充分利用船體平臺低矮的方式，在大型艦艇雷達視距外取得主動權(quán)。

2）距內(nèi)中等距離探測

對海探測雷達在作用距離內(nèi)發(fā)現(xiàn)掌握艦艇是一個復(fù)雜的系統(tǒng)性問題，典型的雷達發(fā)現(xiàn)距離 R表達式如下：

式中： Pt為發(fā)射功率； G 為天線增益； Ae天線有效孔徑； σf為目標(biāo)在特定波段 f 時的雷達散射截面； S min為最小可檢測信號。

探測的結(jié)果（發(fā)現(xiàn)距離等）一方面受到探測雷達性能參數(shù)的影響（ Pt， G ， Ae），另一方面又與目標(biāo)在探測雷達工作波段 f 的雷達波隱身特性 σf、雜波σ0相關(guān)。

因此，無人艇在視距內(nèi)中等距離對抗大型艦艇雷達探測既需要依托無人艇的雷達波隱身性能，同時也必須依靠海雜波對雷達的干擾特性。典型情況下，探測雷達要保證能夠穩(wěn)定地自動檢測目標(biāo)，目標(biāo)雷達波散射截面積需要較雜波雷達波散射截面積高一個數(shù)量級以上，因此為確保無人艇在視距內(nèi)中等距離條件下對抗大型艦艇雷達自動檢測，其雷達散射截面積量值原則上需要接近同等條件下海雜波水平，另一方面可在無人艇加裝電子干擾設(shè)備，人為增加探測雷達的雜波干擾，進一步降低無人艇被自動檢測發(fā)現(xiàn)的概率，另外，由于無人艇已經(jīng)經(jīng)過高度雷達波隱身設(shè)計，此時只需要較低的發(fā)射功率就可以實現(xiàn)對無人艇回波信號的覆蓋，進而導(dǎo)致探測雷達不能對無人艇進行精確定位，更有利于無人艇實現(xiàn)其戰(zhàn)術(shù)目的[9-10]。

3）近距離探測

無人艇在較近的距離上主要面臨大型艦艇近防武器火控雷達等的鎖定，無人艇在該距離上對抗大型艦艇探測雷達處于絕對劣勢，同時光學(xué)探測已經(jīng)能夠跟蹤鎖定無人艇，原則上應(yīng)盡量避開近距離與大型艦艇對抗。

1.2 反潛巡邏機

在較遠距離上，反潛巡邏機將是影響無人艇隱蔽性的主要威脅平臺，反潛巡邏機搜索雷達主要用于遠距離探測潛望鏡、通氣管等潛艇伸出水面的裝置，探測靈敏度高，是無人艇執(zhí)行隱蔽性作戰(zhàn)任務(wù)將要面對的重要威脅。根據(jù)公開的P-3C 反潛巡邏機AN/APS-137 B（V）5 雷達參數(shù)，3 級海況條件下，能夠發(fā)現(xiàn)72 km雷達散射截面積5 m2的目標(biāo)；在識別方面能夠生成分辨率為0.9 m 的逆合成孔徑圖像，其對無人艇的隱蔽性威脅巨大，因此在對抗反潛巡邏機探測時，一方面需要盡可能降低無人艇的雷達散射截面，同時利用較高的海情（4 級以上）開展作戰(zhàn)任務(wù)，另一方面，則需對全艦雷達波散射源分布進行控制，弱化無人艇逆合成孔徑的成像特征，降低被遠程識別的概率。

1.3 預(yù)警機

預(yù)警機探測雷達主要針對探測大中型艦艇目標(biāo)，探測距離通常在數(shù)百千米以上，對于平方米量級的無人艇目標(biāo)難以有效穩(wěn)定的發(fā)現(xiàn)，特別是在有電子干擾支援的條件下，更難發(fā)現(xiàn)和警戒無人艇。

高度隱身無人艇雖然面臨各種雷達波探測平臺的威脅，但是其雷達波隱身性能已經(jīng)具備在一定視距范圍內(nèi)降低雷達探測概率的能力，充分利用海面雜波、電子支援等因素，發(fā)揮隱身性能優(yōu)勢，進一步增強無人艇雷達波隱身作戰(zhàn)的靈活性。

2 無人艇雷達波隱身關(guān)鍵技術(shù)

柴油機無人艇雷達波隱身控制技術(shù)較為成熟，但是其雷達波隱身指標(biāo)要滿足作戰(zhàn)使用要求具有一定的難度，同時高度隱身無人艇在雷達波隱身控制及實現(xiàn)方面有別于大型艦艇，頂層控制原則需以隱身外形設(shè)計和隱身材料應(yīng)用并重，具體考慮到無人艇雷達波散射源的特點，需以船體RCS 控制、艦面離散散射源控制、射頻設(shè)備RCS 控制為重點，開展無人艇雷達波隱身的控制工作，其關(guān)鍵技術(shù)在于封閉式雷達波隱身外形設(shè)計、高性能吸波材料應(yīng)用、帶通濾波技術(shù)3 個方面。

1）封閉式雷達波隱身外形設(shè)計

無人艇雷達波隱身控制必須從頂層開展綜合考慮雷達波隱身設(shè)計，以封閉式全艇雷達波隱身外形設(shè)計為基礎(chǔ)，將艦面設(shè)備封閉在無人艇內(nèi)部，減少艦面暴露的散射源，封閉式雷達波隱身外形設(shè)計是實現(xiàn)無人艇高度雷達波隱身性的基礎(chǔ)。外形隱身設(shè)計與隱身材料的綜合應(yīng)用是無人艇實現(xiàn)高度雷達波隱身性的核心。

圖 2 某封閉式隱身設(shè)計無人艇概念圖Fig.2 The unmanned craft′s cancept diagram of enclosed design in the radar wave's stealth

2）高性能吸波材料應(yīng)用

高性能雷達波吸波材料對無人艇雷達波隱身的意義一方面在于可以依托材料的吸波性能進一步降低無人艇的雷達波散射截面積，同時根據(jù)應(yīng)用位置的設(shè)計、材料吸波性能的選擇，實現(xiàn)對無人艇雷達波目標(biāo)特性的偽裝，使敵方難以簡單通過無人艇的外形設(shè)計掌握其雷達波隱身性能，另一方面，通過在無人艇艦面應(yīng)用特定波段的雷達波吸波材料，提升無人艇在特定頻段范圍內(nèi)雷達的隱身性能，增強無人艇面向特定作戰(zhàn)對象的能力。在隱身外形設(shè)計和吸波材料應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對于射頻天線RCS 的控制是無人艇高度雷達波隱身性能實現(xiàn)的關(guān)鍵。

圖 3 典型艦用吸波材料吸收率Fig.3 The absorptivity of typical absorbing material on vessels

3）帶通濾波技術(shù)

艦艇雷達散射截面（RCS）的散射源中，射頻天線是較為特殊的一類散射源，由于射頻天線具有收發(fā)電磁波的特殊要求，對其采用外形設(shè)計和吸波材料應(yīng)用等隱身措施通常會改變電磁波邊界條件，進而直接影響到射頻天線的探測性能，必須采用特定的雷達散射截面減縮措施。帶通濾波技術(shù)是目前艦船解決射頻天線雷達波隱身主要手段，在美國的“圣安東尼奧”級船塢登陸艦，英國“皇家方舟”號航母、45 型驅(qū)逐艦，法國“追風(fēng)”級護衛(wèi)艦，瑞典的“維斯比”級護衛(wèi)艦等均有實船應(yīng)用，其帶通濾波功能主要通過頻率選擇性表面（FFS）來實現(xiàn)，該材料經(jīng)過設(shè)計之后只允許在設(shè)計頻率范圍內(nèi)的電磁波通過，可實現(xiàn)不同頻率電磁波通阻路經(jīng)設(shè)計和規(guī)劃，能夠有效地解決射頻天線雷達隱身的問題，是無人艇實現(xiàn)高度雷達波隱身的關(guān)鍵。

圖 4 帶通濾波材料的仿真實測數(shù)據(jù)Fig.4 The simulation and measured data of band pass filtering material

3 無人艇雷達波隱身適用性

高度雷達波隱身無人艇在作戰(zhàn)時具有巨大的隱身優(yōu)勢，但是其低可探測性在平時狀態(tài)則存在一定安全隱患。這是由于無人艇在實際使用過程中，除基本作戰(zhàn)任務(wù)外，必然會兼顧到常態(tài)化巡邏等非戰(zhàn)爭行動，無人艇始終保持作戰(zhàn)狀態(tài)下高度的雷達波隱身性能，一方面不利于無人艇雷達波隱身性能的保護，存在被非合作目標(biāo)長期收集的風(fēng)險，另一方面，對于無人艇在港口、漁船作業(yè)區(qū)等區(qū)域的安全航行帶來一定的安全風(fēng)險，因此無人艇的雷達波隱身性能需區(qū)分為戰(zhàn)時狀態(tài)、平時狀態(tài)、模擬狀態(tài)下的雷達波隱身性能。戰(zhàn)時狀態(tài)下的雷達波隱身性能僅在作戰(zhàn)狀態(tài)下使用，具備對抗各種探測威脅的能力；平時狀態(tài)下的雷達波隱身性能則能夠保證無人艇在船舶密集活動區(qū)域的安全航行，模擬狀態(tài)下的雷達波隱身性能則能夠?qū)μ囟ù笮团灤琑CS 強度進行模擬，支持其作戰(zhàn)使用。雷達波隱身與周圍環(huán)境的適應(yīng)性是高度雷達波隱身艦艇必然需要面對的問題，以瑞典“維斯比”護衛(wèi)艦為例，上層建筑后部臨時安裝的非隱身桅桿即是出于航行安全的考慮。

4 結(jié) 語

高度雷達波隱身無人艇主要面臨的雷達波威脅來自于大型艦艇、反潛巡邏機，無人艇在經(jīng)過高度雷達波隱身設(shè)計后，可在視距外、視距內(nèi)遠距離條件下取得對抗大型艦艇的探測優(yōu)勢，而對于反潛巡邏機探測雷達則可在一定支援條件下建立隱蔽性優(yōu)勢，同時支撐無人艇高度雷達波隱身性的關(guān)鍵技術(shù)在工程上是可實現(xiàn)，高度雷達波隱身無人艇由于其較高的隱身性能將面臨一系列大型艦艇未面臨的新問題，而無人艇雷達波隱身性能與具體環(huán)境匹配是無人艇雷達波隱身性能的重要組成部分。