水面艦船雷達波散射特性分析研究

李 敢，祝 泓，劉瀛昊

(1. 中國艦船研究院，北京 100101；2. 中國船舶集團公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

近年來，隨著我國海軍實力迅速增長，大量新研艦船快速下水，為我國海軍實現從“近海防御”向“遠洋防衛”的戰略轉變奠定了堅實的基礎。新型水面艦船與以往艦船相比，具有隱身性能好、機動性強、火力打擊迅猛等優點，尤其是雷達波隱身性能，較以往有大幅提高。雷達波隱身技術是各國海軍發展的重點方向，有效改善水面艦船的雷達波散射特性，是戰時提高艦船生命力的重要方法，在戰場上可達到先敵發現、先敵攻擊、克敵制勝的目的。

1 水面艦船雷達波隱身性能發展研究現狀

水面艦船雷達波隱身技術是世界各海軍強國的關注重點。雷達波隱身技術在英國45型驅逐艦、法意“地平線”級驅逐艦、美國DDG1000驅逐艦等新型水面艦船上得到了大量應用，上述艦船的全艦雷達波反射截面積（RCS）得到了大幅縮減。

45型驅逐艦與“地平線”級驅逐艦在外形設計上十分類似，均采用了先進的隱身設計，其布局緊湊合理，艦體甲板水線以上呈外飄狀，主甲板以上則明顯向內傾斜，折角線明顯。對于艦上所有外露艦面設備的隱身問題都予以關注和解決，采用隱身型艦炮武器系統，艦面上舾裝件均隱藏于主甲板以下，小艇及其收放裝置隱藏于上層建筑中，開口使用屏蔽門進行屏蔽，外觀上非常簡潔。全艦雷達波隱身性能較以往驅逐艦有質的飛躍，隱身性能大幅提高。

DDG1000驅逐艦是美國近年下水的最新型艦船，集成了多種前沿技術，其滿載排水量14 289 t，為穿浪單體內傾船型，單一船樓型，集成上層建筑，側壁大幅內傾，可有效降低雷達波反射。艦面簡潔，外露艦面設備均隱藏于船體內；艦體涂覆多種新研復合雷達波吸波材料；船樓頂部整合桅桿、傳感器、偵察、通信等重要設備位于AEM/S塔狀物中；采用隱身艦炮系統，可有效降低炮塔及炮管的RCS。通過采取上述措施，DDG1000驅逐艦的雷達波隱身水平遠優于常規水面艦船，其全艦RCS據稱僅與1艘小漁船相似。

未來海戰中，探測手段的全維化以及反艦武器的信息化、精確化，對水面艦艇的生存能力提出了嚴峻的考驗。在這樣的背景下，水面艦艇的生存能力和隱蔽性顯得尤為重要。雷達波隱身對于水面艦艇具有非常重要的意義，是水面艦船提高戰斗生存能力和隱蔽性的重要保證。

我國水面艦船雷達波隱身技術與國外相比，還處于發展較為滯后的水平。20世紀90年代以來，雷達波隱身技術開始得到應用。21世紀初，在我國水面戰斗艦艇主力新型驅逐艦的設計建造過程中，雷達波隱身技術開始得到廣泛應用，在體現出較高的雷達波隱身水平的同時，也取得了較好的隱身效果，有力促進了我國艦船雷達波隱身技術的發展。

朱英富[1]對水面艦船的雷達波隱身技術作了全面系統的闡述；馮洋[2]通過對國內外典型驅護艦雷達波隱身技術發展情況進行分析和梳理，總結出目前水面艦艇雷達波隱身相關的關鍵技術；朱煒[3]從艦總體設計的角度考慮，提出水面艦船雷達波隱身設計體系和流程，以及雷達波隱身設計和控制程序；楊德慶[4]研究了艦艇外形雷達隱身設計的基本方法，通過對典型艦艇外形雷達隱身性能的設計，進行艦艇不同截面外形雷達散射截面比較的重要性，進而提出考慮隱身性能綜合評價的特征面法；吳楠[5]從RCS指標設計驗證、強散射中心分析、總體多專業協同設計等方面，探討了模擬試驗方法的應用和發展方向；劉東暉[6]闡述了吸收雷達波涂料的工作原理，介紹了吸收雷達波涂料的組成，并對艦船用吸收雷達波涂料的發展提出了建議；余曉玫[7]通過對回波信號功率及相干性的分析，指出使用網格單元映射解析回波信號的方法，通過瑞利分布和高斯噪聲分布進行模擬仿真，提高了艦船雷達識別的精度。

2 水面艦船雷達波散射機理分析

現代水面艦船外形復雜，艦載設備多樣化，屬于電大尺寸目標，由大量的復合結構組成，其雷達波散射機理極為復雜多樣，主要由以下幾個方面構成：

1）雷達波直接照射產生的一次散射

船體外板、上層建筑及外露艦載設備包含大量的電大尺寸的平板結構，當遭遇敵方雷達探測時，產生強烈的一次散射回波，對上述結構而言，一次散射是其主要散射特征，是一種強散射機理，產生的RCS強度取決被照射結構尺寸和散射系數。對艦船上的大型導體平板結構而言，一次散射在敵方雷達探測方向會產生很強的回波，貢獻了水面艦船RCS的主要部分。

2 ）雷達波多次散射

除了雷達波直接照射帶來的一次散射外，雷達波多次散射也是艦船RCS的主要貢獻之一，體現在以下幾個方面：

①艦面設備間的多次散射。水面艦船的艦面設備繁雜多樣，上層建筑、武備、桅桿、雷達天線、通信設備等緊湊布置在較小的空間內，探測雷達波產生的散射場在上述設備之間多次作用，形成了機理復雜的多次散射雷達波。

② 艦體與海雜波之間的多次散射。海面雜波對電磁波可產生強烈的散射效應。當照射在艦船外表的雷達波散射至海面雜波時，因波浪的隨機性，將形成一個復雜的多次散射結構，其散射強度與散射路徑受艦船與海雜波的多重影響，難以掌握與控制，是艦船雷達波散射特性分析的難點問題，也是艦船的雷達波散射貢獻之一。

③ 空腔散射。空腔效應是雷達波多次散射的重難點問題，因艦船設備的特殊要求，存在大量的空腔結構，如駕駛室的露天窗、舷側開口、上層建筑大量存在的二面角及三面角等，均可視作腔體結構。雷達波在腔體內多次散射，傳播路徑復雜多變，造成強烈的散射效應。

3）繞射

因艦面設備與艦體之間的相互遮擋，當探測雷達波照射到艦船時，產生的雷達回波在艦面設備及艦體之間的相互作用下，形成一次繞射場。此外，在艦上的尖頂或邊緣部位（如艦首的尖劈、天線罩及上層建筑的邊緣、鞭狀天線的尖頂等）處，會二次繞射效應（見圖1），這主要是由于尖頂或邊緣部位的不連續性造成的。繞射效應的強弱主要取決于雷達波的極化方式，相對于其他散射機理而言，對艦船的RCS貢獻較小。

圖1 劈繞射Fig. 1 The edge diffraction

3 某新型艦船雷達波散射特性分析

對于電大尺寸的艦船目標，由于其電尺寸巨大，其散射問題計算量也隨之迅速增加，因此，采用頻域方法中的高頻近似方法是合理的選擇。但艦船目標中包含多種復雜結構，不同的結構對應著散射、多次散射、繞射等多種電磁現象。為滿足實際應用中的精度要求，通常結合使用多種方法。

在本算例中，主要應用物理光學法（PO）、幾何光學法（GO）、物理繞射理論（PTD）和射線追蹤法（SBR）算法相結合的方式，開展某新型艦船全艦RCS仿真計算工作。其中，主要通過物理光學法對表面感應場的近似和積分而得到散射場。該方法是一種基于表面電流的方法，計算簡潔、易于實現，特別是對平面等電大尺寸目標計算速度快，但此方法忽略了邊緣和曲面繞射的貢獻；散射體上的感應面電流則是用幾何光學近似確定的，幾何光學法主要采用費馬原理和反射、折射定律進行尋跡，確定光線軌跡和射線路徑，利用幾何光學強度定律確定射線管內幾何光學場強，此方法也無法計算散射體不連續區和陰影區的貢獻；而基于物理繞射理論的高頻繞射計算，能夠解決邊緣和曲面繞射影響，可對物理光學法中的幾何光學電流進行修正，從而使計算結果更加精確。同時，應用射線追蹤法處理模型中腔體區域的電磁散射，考慮射線管在腔體內的多次散射，計算速度快，能夠有效分析腔體問題。采用上述方法可快速高效地計算水面艦船的RCS。

對艦船目標RCS進行數值計算前需先用三維建模軟件將其表面離散化。三維建模軟件將艦船目標表面離散成面片的組合，并從空間解析幾何的角度對每個面片的頂點和邊進行描述，以及對每個面片內部各邊，相鄰面片公共邊的關系進行描述。面片劃分越細，計算精度越高。入射的電磁波將在每個可見面片上產生散射，整個目標的電磁特性將由所有面片共同產生。圖2為某型艦基于三維軟件剖分的電磁模型簡圖。

由該型艦的RCS散射特分布圖（見圖3）可以看出，艦首艦尾及兩舷貢獻了全艦RCS的大部分，這主要是因為首尾及兩側存在大量的直立平板及空腔，造成強烈的一次散射及空腔散射，貢獻了全艦RCS的絕大部分。在后續優化改進中應充分考慮這2個方面，此外，上層建筑及艦面設備也參與了全艦RCS的組成，且其散射面朝向復雜，在很多方向散射均很強，因此降低了整艦的散射方向性。

圖2 某新型艦電磁仿真模型簡圖Fig. 2 The electromagnetic simulation sketch of some new-style vessel

圖3 某新型艦RCS散射特性分布圖Fig. 3 The RCS scattering characteristic sketch of some new-style vessel

4 新型水面艦船雷達波隱身優化改進建議

水面艦船雷達波隱身設計工作是一個循序漸進的過程，貫穿于艦船從方案設計到施工建造的全流程，應綜合運用各種雷達波隱身技術措施，重視隱身設計的細節控制，注意避免現有艦艇隱身方面存在的不足，在滿足隱身指標的前提下，盡量減小艦船的雷達波散射截面，進一步提高對抗威脅的能力。

1） 主船體及上層建筑外形采取全面的外形隱身設計，艦艏艉向設折角線，折角線以上的主船體、上層建筑以及前桅底部兩側外板均采用內傾設計；船體外型過渡均勻；折角線以上艦身與上層建筑融合設計，并合理設置船體和上層建筑各個外板的傾斜角度；采用大面積內傾平板結構、外形緊湊側壁傾斜；保證艦船外形簡潔，盡量實現全方位的一體化上層建筑。采取以上措施，可有效縮減水面艦船在來波方向的一次散射雷達截面。

2） 艦船上的散射重點部位，如駕駛室、艦面武備、電子設備天線、艦面舾裝設備等，針對其不同的雷達散射特性，采取相應的隱身控制措施，控制局部的散射亮點區域，有效縮減全船的雷達波散射截面。

3） 為了保持全艦雷達散射特性的連續，舷側及艦面有關開口部位采取遮蔽措施。艙門、舷窗、通風格柵、舷梯等設備，是艦上不可避免的開口部位，在保證艦船正常作業的同時，應進行有效遮蔽，對必須存在的開口部位采用屏蔽門等措施。保證全船雷達波散射特性的連續性。

4） 減少甲板面上外露的武器裝備和設備，將其發射裝置設計成垂直發射隱藏于甲板面以下或可伸縮式的；甲板面上外露的武器裝備和設備應采取加傾斜遮擋體等隱身措施，設備基座盡可能設計成小反射面的圓錐體或圓臺體，使其具備良好的隱身外形，有效降低RCS。

5） 在不影響總體性能、結構和強度的前提下，對于局部強散射源部位等考慮采用非金屬材料，即采用吸波材料。同時，對于無法通過外形隱身達到隱身指標要求的部位考慮局部涂敷吸波材料，進一步改善相關強散射部位的隱身效果。

5 結 語

水面艦船目標的雷達波散射特性分析研究是艦船設計的重難點工作，進一步提高其雷達波隱身性可以縮短敵方雷達探測距離，并可以進一步擴大艦船目標的隱身可用方位角區間以及隱身頻段，使其具有更高的行動靈活性以及更強的生存能力和隱蔽性，在艦船總體設計工作中應予以重點考慮。