一種主動(dòng)雷達(dá)隱身裝置的定量分析

湯廣富甘榮兵李 華趙耀東

①（電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610036）

②（中國(guó)人民解放軍77108部隊(duì) 成都 611233）

③（電子科技大學(xué) 成都 610054）

一種主動(dòng)雷達(dá)隱身裝置的定量分析

湯廣富*①②③甘榮兵①李 華②趙耀東①

①（電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610036）

②（中國(guó)人民解放軍77108部隊(duì) 成都 611233）

③（電子科技大學(xué) 成都 610054）

主動(dòng)雷達(dá)隱身技術(shù)是目標(biāo)雷達(dá)特征控制技術(shù)（也稱雷達(dá)隱身技術(shù)）的重要分支。該文針對(duì)美國(guó)的一篇關(guān)于主動(dòng)雷達(dá)隱身裝置（是一種智能蒙皮）的專利進(jìn)行了深入的定量分析。首先介紹該裝置的基本工作原理，給出電磁場(chǎng)約束方程組；其次，推導(dǎo)移相器轉(zhuǎn)移相位與入射波長(zhǎng)、入射角以及該裝置組成的空間位置關(guān)系等因素的定量關(guān)系；最后，通過(guò)數(shù)值仿真分別討論入射波長(zhǎng)、入射角、空間位置關(guān)系等因素對(duì)該裝置隱身性能的影響，并得出一些有意義的結(jié)論。

主動(dòng)雷達(dá)隱身；智能蒙皮；空間位置關(guān)系；定量分析

1 引言

雷達(dá)隱身技術(shù)又稱雷達(dá)低可探測(cè)技術(shù)或目標(biāo)雷達(dá)特征控制技術(shù)，是改變武器裝備、平臺(tái)等目標(biāo)的雷達(dá)可探測(cè)信號(hào)特征，使敵方雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn)或發(fā)現(xiàn)距離縮短的綜合技術(shù)［1］。雷達(dá)隱身技術(shù)可以分為無(wú)源隱身技術(shù)和有源隱身技術(shù)（主動(dòng)隱身）。無(wú)源隱身技術(shù)包括整形法、吸波材料法和無(wú)源對(duì)消（阻抗加載）法等，有源隱身技術(shù)包含有源欺騙、有源對(duì)消、智能材料和等離子體煙霧等。

無(wú)源隱身技術(shù)雖然取得了巨大的成功，但仍然存在明顯的缺陷［2］：一是通過(guò)犧牲平臺(tái)的氣動(dòng)性能獲得小的雷達(dá)散射截面；二是涂覆吸波材料造價(jià)高、維護(hù)難；三是對(duì)艦船等尺寸巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的目標(biāo)效果不佳。有源隱身技術(shù)能適應(yīng)被保護(hù)目標(biāo)的多樣性，不要求被保護(hù)目標(biāo)改變外形或敷罩吸波材料，原則上能適應(yīng)任何形狀的目標(biāo)。有源隱身技術(shù)分為集總式有源隱身和分布式有源隱身兩類。其中集總式有源隱身，需要建立目標(biāo)平臺(tái)完整的電磁散射數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)測(cè)量入射電磁波的極化、頻率、角度等參數(shù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找目標(biāo)平臺(tái)的回波，再通過(guò)集總式設(shè)備發(fā)射與目標(biāo)平臺(tái)回波等幅反相的對(duì)消波，達(dá)到降低目標(biāo)平臺(tái)雷達(dá)特征的目的。集總式有源隱身技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究的比較多，比較具有代表性的見文獻(xiàn)［3-14］，該技術(shù)具有原理清晰、隱身效果好、適用平臺(tái)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但也存在測(cè)量精度不易滿足、實(shí)時(shí)性不易達(dá)到要求和目標(biāo)散射數(shù)據(jù)庫(kù)不易建立等難題。分布式有源隱身技術(shù)是將電磁芯片排列成智能蒙皮（smart skin），粘附在目標(biāo)的關(guān)鍵部位上，對(duì)雷達(dá)的入射波進(jìn)行接收、處理并發(fā)射一定幅度和相位的隱身波，起到縮減目標(biāo)關(guān)鍵部位雷達(dá)特征的目的。一般情況下，智能蒙皮技術(shù)不需要建立目標(biāo)散射數(shù)據(jù)庫(kù)，也不需要對(duì)入射電磁波的參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量，所以智能蒙皮技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛也更加靈活，但是其只能縮減目標(biāo)關(guān)鍵部位的雷達(dá)特征，對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的整體隱身性能不及集總式有源隱身。

美國(guó)處于隱身技術(shù)的領(lǐng)先地位，并遙遙領(lǐng)先世界各國(guó)，從U-2， SR-71偵察機(jī)到F-117A和B-2轟炸機(jī)，再到F-22， F-35戰(zhàn)斗機(jī)，美國(guó)人走過(guò)了50年［15］。我國(guó)的隱身技術(shù)近些年取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但仍然處于跟隨式的發(fā)展階段，還有許多難題需要研究。1991年Cain等人［16］針對(duì)一種主動(dòng)雷達(dá)隱身裝置（是一種智能蒙皮）申請(qǐng)了專利，專利中只簡(jiǎn)單介紹了該裝置的基本組成和工作原理，并未給出詳細(xì)的定量分析。深入研究該裝置的工作原理、詳細(xì)分析各參數(shù)之間的定量關(guān)系，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)智能蒙皮式主動(dòng)雷達(dá)隱身技術(shù)具有非常重要的理論研究和工程實(shí)踐意義。

本文首先介紹了該裝置的基本組成和工作原理，在此基礎(chǔ)上給出了電磁場(chǎng)約束方程組，推導(dǎo)了移相器轉(zhuǎn)移相位與入射波長(zhǎng)、入射角以及該裝置組成的空間位置關(guān)系等因素的定量關(guān)系，并通過(guò)數(shù)值仿真分別討論了入射波長(zhǎng)、入射角、空間位置關(guān)系等因素對(duì)該裝置隱身性能的影響，并得出了一些有意義的結(jié)論。

2 基本組成和工作原理

如圖1所示，由文獻(xiàn)［16］可知，該裝置由粘附在平臺(tái)上的蒙皮、內(nèi)置在蒙皮里的許多個(gè)收發(fā)單元組成。蒙皮由復(fù)合材料或者其它對(duì)電磁波透明的材料制成，通過(guò)環(huán)氧基樹脂（epoxy）粘附在平臺(tái)的表面上，也可以通過(guò)熔封（heat-sealed）的方式粘附，不管采用什么粘附方式，要求蒙皮與平臺(tái)表面的黏結(jié)要均勻一致且對(duì)雷達(dá)散射影響最小。另外該裝置對(duì)平臺(tái)外表的形狀和輪廓沒有特殊要求，即該裝置原則上可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意外形平臺(tái)的雷達(dá)隱身，這也是該裝置的優(yōu)點(diǎn)之一。內(nèi)置在蒙皮里的許多個(gè)收發(fā)單元之間彼此獨(dú)立工作，每一個(gè)收發(fā)單元都由接收器、移相放大器、發(fā)射器以及連接線組成，工作在射頻狀態(tài)。

基本工作原理：如圖2所示，入射電磁場(chǎng)iE照射在平臺(tái)表面形成反射電磁場(chǎng)rE，發(fā)射器發(fā)射對(duì)消電磁場(chǎng)sE，由有源對(duì)消原理知，當(dāng)sE與rE等幅反相時(shí)，完全對(duì)消。接收器難以只接收純凈的反射電磁場(chǎng)，實(shí)際中，接收器接收到的是入射、發(fā)射和對(duì)消電磁場(chǎng)的組合場(chǎng)，移相放大器對(duì)接收到的組合場(chǎng)進(jìn)行相位變換并幅度放大，再經(jīng)發(fā)射器發(fā)射形成對(duì)消電磁場(chǎng)。

移相放大器可以集成到接收器或者發(fā)射器中，為簡(jiǎn)單起見，圖2中沒有畫出移相放大器。接收器可以在蒙皮外表上，也可以完全內(nèi)置在蒙皮里，接收器接收入射波應(yīng)早于發(fā)射器發(fā)射對(duì)消波，因此接收器距離平臺(tái)表面的距離要大于發(fā)射器距離平臺(tái)表面的距離，并且接收器和發(fā)射器之間具有嚴(yán)格的空間位置關(guān)系（即1d，2d，3d），其空間位置關(guān)系受雷達(dá)環(huán)境（入射波長(zhǎng)、入射角度等）、制造工藝、制造成本等因素影響，收發(fā)單元和單元之間的距離D（如圖3所示）跟發(fā)射功率、制造工藝、制造成本等因素有關(guān)。

圖1 智能蒙皮剖面圖

圖2 空間位置關(guān)系示意圖

圖3 多個(gè)收發(fā)單元平面示意圖

3 定量分析

第2節(jié)介紹了該裝置的基本組成和工作原理，文獻(xiàn)［16］并未給出移相器轉(zhuǎn)移相位與入射波長(zhǎng)、入射角以及空間位置關(guān)系等因素的定量關(guān)系，下面進(jìn)行詳細(xì)分析。

其中δ為平臺(tái)的散射系數(shù)。由式（1），式（2），式（4），式（5）電磁場(chǎng)約束方程組可以得到

由式（14）得

由式（16）可得

式（18）即為該智能蒙皮實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身時(shí)，主動(dòng)發(fā)射的對(duì)消波的變換相位與入射波長(zhǎng)、入射角以及該裝置組成的空間位置關(guān)系等因素的定量關(guān)系，為方便起見，將中間變量重寫為

4 仿真討論

上一節(jié)詳細(xì)推導(dǎo)了移相器轉(zhuǎn)移相位與入射波長(zhǎng)、入射角以及該裝置組成的空間位置關(guān)系等因素的定量關(guān)系，下面通過(guò)數(shù)值仿真具體討論入射波長(zhǎng)、入射角、空間位置關(guān)系等因素對(duì)該裝置隱身性能的影響。

當(dāng)裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)固定后，針對(duì)每一個(gè)入射頻率和每一個(gè)入射角度，如果希望該裝置實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能，移相放大器會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的變換相位，將這種變換相位跟入射頻率和入射角的對(duì)應(yīng)關(guān)系裝訂到裝置中，則該裝置可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的隱身效果。但這需要在內(nèi)置在蒙皮中的每一組收發(fā)單元中增加頻率測(cè)量器、角度測(cè)量器、裝訂數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及相應(yīng)的控制器等，顯然這是不現(xiàn)實(shí)的。文獻(xiàn)［16］采用的方式是移相器反向相位，即不論入射頻率和入射角度是多少，移相器都產(chǎn)生一個(gè)180°的變換相位。根據(jù)有源對(duì)消原理可知［3-9］，當(dāng)相位差小于60°時(shí)，仍然起到回波縮減的效果，當(dāng)相位差大于60°時(shí)，非但沒有縮減，反而起到了回波增強(qiáng)的反作用了。據(jù)此可以認(rèn)為，變換相位越接近180°時(shí)，裝置的隱身性能越好，反之越差，當(dāng)變換相位小于120°時(shí)，認(rèn)為裝置失效。

4.1 入射波長(zhǎng)和入射角的影響

圖4給出了該裝置在上述的參數(shù)設(shè)定情況下，實(shí)現(xiàn)理想隱身效果時(shí)變換相位與入射頻率和入射角的關(guān)系，其中入射頻率為L(zhǎng)波段～Ka波段，入射角為-90°～ 90°。從圖4可以看出：一般情況下，低頻時(shí)的隱身性能優(yōu)于高頻時(shí)的隱身性能；低頻時(shí)的隱身性能對(duì)入射角不敏感，且在大部分入射角度情況下都具有隱身性能；高頻時(shí)則對(duì)入射角更敏感，且在大部分入射角度情況下都不具有隱身性能。

4.2 空間位置關(guān)系的影響

圖4 變換相位與入射波長(zhǎng)和入射角的關(guān)系

首先定義平均變換相位：

4.2.2 考察d2的影響 在上面的各種分析中，都暫定d2= 0，下面分析不同的d2對(duì)性能的影響。各種參數(shù)設(shè)定同上，圖6是在d1=1 mm， d3=3 mm和d1= 3 mm，d3=3 mm 以及d1=3 mm，d3=5 mm 3種情況下，d2對(duì)裝置隱身性能的影響結(jié)果，其中橫軸表示d2與d1的比值，縱軸表示在此空間位置關(guān)系下的平均變換相位Φ。

Φ越接近180°，性能越好，反之性能越差。從圖中可以看出，3種情況下d2都有一個(gè)最優(yōu)值，見表1所示，d2最優(yōu)值的確定需要綜合考慮d1與d3的設(shè)定值以及具體工程實(shí)踐等因素。

i r s入射頻率為L(zhǎng)波段～Ka波段，入射角為-90°～90°，暫定d2= 0。

4.2.1 考察d3的影響 圖5是在d1在1 mm， 3 mm和5 mm 3種情況下d3對(duì)裝置隱身性能的影響，其中橫軸表示d3與d1的比值，縱軸表示在此空間位置關(guān)系下的平均變換相位Φ。Φ越接近180°，性能越好，反之性能越差。從圖中可以看出，不論d1= 1mm，d1= 3mm還是d1= 5mm，隨著d3的值增大（當(dāng)然了，收發(fā)單元與單元之間的距離也限制了d3不可能很大），Φ將收斂于90°； d3的值越小，裝置的隱身性能越好。但是d3又不能小到等于0，因?yàn)楫?dāng)d3= 0時(shí)，即發(fā)射器放置在接收器的正后方時(shí)，會(huì)影響到裝置的正常工作，因此d3的確定需要結(jié)合接收器、發(fā)射器元器件的性能和蒙皮的制造工藝等工程實(shí)踐因素來(lái)綜合考慮。制造工藝尺寸為，不考慮因制造工藝尺寸減小，從而導(dǎo)致接收器和發(fā)射器空間位置距離近而產(chǎn)生的互相影響；其它參數(shù)設(shè)置同上。

圖5 d3對(duì)性能的影響

圖6 d2對(duì)性能的影響

表1 設(shè)定d1與d3值情況下的最優(yōu)d2值

圖7 是該裝置在不同的制造工藝尺寸下對(duì)入射頻率的適應(yīng)性（垂直入射情況），圖8是分別在10-4m， 10-3m， 10-2m， 10-1m 4種制造工藝下的性能曲線。根據(jù)有源對(duì)消原理可知，當(dāng)變換相位φ大于120°時(shí)，裝置具有雷達(dá)回波縮減效果，當(dāng)變換相位φ小于120°時(shí)，裝置反而對(duì)雷達(dá)回波起到了增強(qiáng)的作用，失效。當(dāng)入射角為0°時(shí)，從仿真結(jié)果可得：當(dāng)制造工藝在10-1m量級(jí)時(shí)，在L波段～Ka波段范圍內(nèi)，裝置沒有適用頻率；當(dāng)制造工藝在10-2m量級(jí)時(shí)，適用頻率范圍為L(zhǎng)波段以下；當(dāng)制造工藝在10-3m量級(jí)時(shí)，適用頻率范圍為Ku波段以下；而工藝進(jìn)一步提高至10-4m時(shí)，其適用頻率范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，在L波段～Ka波段范圍內(nèi)都適用。

用相同的方法考察入射角為30°和60°時(shí)，裝置在不同的制造工藝尺寸下對(duì)入射頻率的適應(yīng)性。表2給出了3種入射角情況下，裝置的制造工藝量級(jí)與適應(yīng)頻率范圍（波長(zhǎng)）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從結(jié)果可以看出：裝置的性能跟入射頻率、入射角和制造工藝尺寸密切相關(guān)；制造工藝越高，適應(yīng)的頻率范圍越廣，反之，制造工藝越差，適應(yīng)的頻率范圍越窄；另外裝置的頻率適應(yīng)范圍跟入射角也有關(guān)系，入射角越小，適應(yīng)頻率范圍越廣，反之，入射角越大，適應(yīng)頻率范圍越窄。

圖7 制造工藝對(duì)性能的影響（入射角為0°）

表2 制造工藝量級(jí)與適應(yīng)頻率范圍

5 結(jié)束語(yǔ)

智能蒙皮隱身技術(shù)具有與外形隱身兼容、適用波段寬、適用平臺(tái)多（對(duì)平臺(tái)外形無(wú)要求）等優(yōu)點(diǎn)，是一種有發(fā)展?jié)摿Φ碾[身技術(shù)。本文針對(duì)美國(guó)的一篇關(guān)于智能蒙皮隱身技術(shù)的專利，進(jìn)行了深入的定量分析：在建立電磁場(chǎng)約束方程組的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了移相器轉(zhuǎn)移相位與入射波長(zhǎng)、入射角以及該裝置組成的空間位置關(guān)系等因素的定量關(guān)系，并通過(guò)數(shù)值仿真分別討論了入射波長(zhǎng)、入射角、空間位置關(guān)系等因素對(duì)該裝置性能的影響，得出了一些有意義的結(jié)論，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)智能蒙皮式主動(dòng)雷達(dá)隱身技術(shù)具有非常重要的理論研究和工程實(shí)踐意義。

圖8 制造工藝對(duì)性能的影響

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湯廣富： 男，1980年生，博士后，工程師，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理和信息對(duì)抗等.

甘榮兵： 男，1975年生，博士，研究員，研究方向?yàn)樾盘?hào)處理和電子技術(shù)等.

李 華： 男，1969年生，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾畔?duì)抗等.

趙耀東： 男，1986年生，博士，工程師，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理等.

Quantitative Analysis of an Active Radar Stealth Device

Tang Guang-fu①②③Gan Rong-bing①Li Hua②Zhao Yao-dong①①（Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory， Chengdu 610036， China）
②（Unit 77108 of PLA， Chengdu 611233， China）
③（University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China）

Active radar stealth technology is an im portant b ranch of target radar signature control technology（which is also called as stealth technology）. A quantitative analysis is made for an active radar stealth device mentioned in a United States patent， and the stealth device is one kind of smart skin. Firstly， the basic working principle of the device is described， and then the constraint equations of electromagnetic field is given. Second ly，the quantitative relationship between the transfer phase， incident wavelength， incident angle， spatial relationship and other factors is derived. Finally， the stealth performance influenced by incident wavelength， incident angle and spatial position is discussed by numerical simulation， and some meaningfu l conclusions are drawn.

Active radar stealth； Smart skin； Spatial relationship； Quantitative analysis

TN 95； TJ765.5

： A

：1009-5896（2015）05-1058-07

10.11999/JEIT141226

2014-09-19收到，2014-12-16改回

*通信作者：湯廣富 twojoys@163.com