射頻隱身雷達(dá)波形設(shè)計(jì)技術(shù)研究綜述

賈金偉， 劉利民， 韓壯志， 解 輝

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050000)

0 引言

20世紀(jì)70年代,射頻隱身技術(shù)隨著美軍“Have Blue”研究計(jì)劃解密被提出，1980年代美軍進(jìn)行了大量關(guān)于射頻隱身技術(shù)的研究，直至1990年代，美軍的電子偵察裝備有了極大的進(jìn)步，飛行器面臨著更加嚴(yán)重的生存威脅，所以美軍以當(dāng)時(shí)空戰(zhàn)性能最好的戰(zhàn)斗機(jī)F-35和F-22為載體，開(kāi)始對(duì)射頻隱身技術(shù)進(jìn)行深入研究。進(jìn)入21世紀(jì)，世界主要軍事強(qiáng)國(guó)認(rèn)識(shí)到射頻隱身技術(shù)對(duì)于航空器的重要作用和意義，大力開(kāi)展射頻隱身領(lǐng)域的研究。在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上，雷達(dá)從最初的對(duì)空警戒、火控跟蹤到現(xiàn)在的高分辨成像、雷達(dá)哨兵值守，應(yīng)用十分廣泛，探測(cè)性能越來(lái)越強(qiáng)[1],已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)獲取信息不可缺少的重要手段。雷達(dá)的工作方式主要是向空間發(fā)射高功率電磁波，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)的處理得到周圍目標(biāo)及環(huán)境信息。正是雷達(dá)的這種工作方式使其極易被敵方電子偵察系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致雷達(dá)受到“軟殺傷”和“硬打擊”，進(jìn)而導(dǎo)致我方戰(zhàn)機(jī)被擊落?！败洑敝饕菙撤綄?duì)我方雷達(dá)的電子干擾，“硬打擊”主要是敵方反輻射武器的精確打擊。通過(guò)阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)、伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)以及2020年的阿塞拜疆與亞美尼亞戰(zhàn)爭(zhēng)可以看出，一旦雷達(dá)被敵方電子偵察系統(tǒng)偵察發(fā)現(xiàn)，很難避免受到攻擊。由此可見(jiàn)，在雷達(dá)對(duì)抗中，提升雷達(dá)的戰(zhàn)場(chǎng)生存率，最大程度地降低來(lái)自敵方的摧毀和干擾已經(jīng)成為第一要?jiǎng)?wù)[2]。雖然“軟殺傷”和“硬打擊”對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅，但它們有共同的前提：基于電子偵察系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)電磁信號(hào)的偵察截獲。所以，提升雷達(dá)的抗偵察能力已經(jīng)成為我軍在作戰(zhàn)中亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，隱身、反隱身將成為未來(lái)攻防作戰(zhàn)的基本特征和發(fā)展趨勢(shì)[3]。提升雷達(dá)抗偵察能力的主要途徑是提高雷達(dá)的射頻隱身能力，進(jìn)而從根本上改變被動(dòng)挨打的局面。

射頻隱身技術(shù)的核心在于輻射源與電子偵察系統(tǒng)的博弈，本質(zhì)上是隱身與反隱身的對(duì)抗，最根本的技術(shù)是電磁捷變與電磁感知技術(shù)。機(jī)載射頻隱身雷達(dá)主要聚焦于電磁捷變技術(shù)的研究與運(yùn)用，電子偵察系統(tǒng)則主要在電磁感知領(lǐng)域進(jìn)行研究?，F(xiàn)階段涉及射頻隱身技術(shù)的綜述文獻(xiàn)有7篇，從不同的研究角度進(jìn)行了較為完善的總結(jié)和整理，但也存在一些不足。文獻(xiàn)[4]從宏觀角度對(duì)射頻隱身技術(shù)的基本手段進(jìn)行分類，分析運(yùn)用射頻隱身技術(shù)所付出的代價(jià)，但其沒(méi)有指出工程中容易實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段；文獻(xiàn)[5]回顧射頻隱身領(lǐng)域的發(fā)展歷程，分析飛行器實(shí)現(xiàn)射頻隱身的技術(shù)途徑，但其不足之處是僅用1小節(jié)對(duì)工程中容易實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑進(jìn)行闡述；文獻(xiàn)[6]分析超聲速飛行器對(duì)隱身技術(shù)的應(yīng)用需求，總結(jié)未來(lái)可應(yīng)用于超聲速飛行器的隱身技術(shù)，但其偏向?qū)楊I(lǐng)域和新概念性質(zhì)，并未對(duì)已經(jīng)可以仿真實(shí)現(xiàn)或工程應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)行總結(jié)；文獻(xiàn)[7]介紹射頻隱身領(lǐng)域的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，從宏觀上總結(jié)現(xiàn)有的射頻隱身技術(shù)方法和射頻隱身性能測(cè)試技術(shù)，但沒(méi)有指出工程中容易實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段；文獻(xiàn)[8]概括射頻隱身技術(shù)的研究現(xiàn)狀及主要矛盾，總結(jié)射頻隱身領(lǐng)域的重要研究成果，提出當(dāng)前研究中存在的問(wèn)題，但沒(méi)有指出工程中容易實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段；文獻(xiàn)[9]闡述雷達(dá)系統(tǒng)射頻隱身技術(shù)的概念及其重要性，梳理雷達(dá)射頻隱身在時(shí)、頻、空和能等多維空間的技術(shù)途徑，但其主要是對(duì)技術(shù)進(jìn)行歸納，并未涉及具體文獻(xiàn)；文獻(xiàn)[10]敘述射頻隱身技術(shù)的基本概念和研究現(xiàn)狀，評(píng)述當(dāng)前射頻隱身領(lǐng)域的研究成果，但其總結(jié)寬泛，沒(méi)有指出工程中容易實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段。大部分綜述文獻(xiàn)主要是對(duì)射頻隱身領(lǐng)域的發(fā)展、現(xiàn)狀、實(shí)現(xiàn)技術(shù)和性能測(cè)試進(jìn)行了較為寬泛的梳理，并沒(méi)有對(duì)契合工程實(shí)際的方法和技術(shù)手段做更加細(xì)致的梳理總結(jié)，無(wú)法為科技人員做進(jìn)一步的技術(shù)途徑指引。

1 射頻隱身雷達(dá)發(fā)展概況

1.1 射頻隱身的概念及原理

“射頻隱身”一詞最早由LYNCH D，Jr.在其編寫的IntroductiontoRFStealth(《射頻隱身導(dǎo)論》)一書中提出，最初是指通過(guò)各種方法，使飛機(jī)等各類航空器的雷達(dá)、通信等機(jī)載武器系統(tǒng)射頻信號(hào)特征降到最小，使敵方電子偵察系統(tǒng)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和確定輻射源[11]。隨著科技的發(fā)展，所有的武器系統(tǒng)都在更新升級(jí)，科研人員發(fā)現(xiàn)在眾多的機(jī)載武器系統(tǒng)(尤其是雷達(dá)這類需要向外輻射高功率電磁波的武器系統(tǒng))中，更需要對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行精確管理和“隱身”，以防止敵方反輻射導(dǎo)彈、電子干擾系統(tǒng)對(duì)我方雷達(dá)的干擾和打擊。

射頻隱身雷達(dá)的直接對(duì)抗對(duì)象是具備信號(hào)截獲、分選和識(shí)別功能的電子偵察系統(tǒng)。雷達(dá)的射頻隱身技術(shù)本質(zhì)上是以減小雷達(dá)信號(hào)的參數(shù)特征為手段，降低電子偵察系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的截獲、識(shí)別等能力，從而提升雷達(dá)的抗偵察、抗干擾能力[12]。

1.2 射頻隱身雷達(dá)的發(fā)展

現(xiàn)代雷達(dá)常常陷入兩難境地：一方面希望發(fā)射足夠強(qiáng)的信號(hào)，可以從電磁密度極大的環(huán)境中探測(cè)目標(biāo)；另一方面又希望發(fā)射足夠弱的信號(hào)，使敵方電子偵察系統(tǒng)難以截獲、分選到雷達(dá)射頻信號(hào)，即射頻隱身雷達(dá)。從雷達(dá)設(shè)計(jì)的角度來(lái)思考，這兩種需求具有矛盾性。這種矛盾的需求需要對(duì)雷達(dá)信號(hào)和系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使雷達(dá)的探測(cè)性能和對(duì)抗性能達(dá)到某種合理的平衡[1]。射頻隱身雷達(dá)是通過(guò)抗截獲、抗分選、抗識(shí)別手段對(duì)抗敵方電子偵察系統(tǒng)的截獲、分選和識(shí)別，而低截獲雷達(dá)主要是通過(guò)抗截獲手段對(duì)抗敵方電子偵察系統(tǒng)的截獲。在實(shí)際工程領(lǐng)域中低截獲雷達(dá)也具備射頻隱身性能，所以從廣義上講，低截獲雷達(dá)也是射頻隱身雷達(dá)，所以統(tǒng)稱為射頻隱身雷達(dá)。射頻隱身雷達(dá)自1970年代被提出以來(lái)，其發(fā)展一直受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。最初，F(xiàn)OREST于1983年在《低截獲概率雷達(dá)技術(shù)》一文中第一次引入了低截獲概率雷達(dá)方程[13]；后來(lái)，SCHLEHER在1985年發(fā)表了《隱身雷達(dá)的截獲》[14]；SCHRICK和WILEY也發(fā)表了關(guān)于雷達(dá)靈敏度與截獲機(jī)靈敏度之間關(guān)系的文章而受到關(guān)注[15]。隨著研究的深入，射頻隱身雷達(dá)逐漸發(fā)展起來(lái)。

在我國(guó)，射頻隱身雷達(dá)的研究起步雖晚但是發(fā)展很快。在2007年，陳國(guó)海發(fā)表了關(guān)于射頻隱身領(lǐng)域的論文，闡述了未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)于射頻隱身的需求，從機(jī)載雷達(dá)的輻射特性、低截獲概率和未來(lái)軍事需求等方面預(yù)測(cè)未來(lái)射頻隱身技術(shù)的發(fā)展方向[16]。

機(jī)載射頻隱身雷達(dá)作為航空武器中的重要裝備，應(yīng)用廣泛、功能齊全，主要用于目標(biāo)搜索定位、火控識(shí)別跟蹤、目標(biāo)分派、海上潛望鏡掃描探測(cè)和武器發(fā)射引導(dǎo)。機(jī)載射頻隱身雷達(dá)具有隱蔽導(dǎo)航、多地形跟蹤等多種工作模式。

國(guó)內(nèi)外典型機(jī)載射頻隱身雷達(dá)有以下3種。

1) 國(guó)產(chǎn)KLJ-7A機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)(如圖1所示)[17]。這是一款極具創(chuàng)新意義、具備國(guó)際領(lǐng)先水平的“廣角”雷達(dá),可以通過(guò)3個(gè)天線陣面及其機(jī)械擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的大廣角探測(cè)，不僅可以探測(cè)飛機(jī)前側(cè)的目標(biāo)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)后側(cè)目標(biāo)的探測(cè)，探測(cè)角度超過(guò)300°[18]。其具有全方位、全高度、全天候?qū)δ繕?biāo)的探測(cè)、跟蹤能力；具備對(duì)空搜索、多目標(biāo)跟蹤掃描等功能，可同時(shí)攻擊多個(gè)目標(biāo)。該款雷達(dá)在技術(shù)層面與F-22的AN/APG-77多模雷達(dá)無(wú)代差，功能層面與F-35的AN/APG-81雷達(dá)相類似。

圖1 KLJ-7A機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)Fig.1 KLJ-7A airborne active phased array radar

圖2 AN/APG-77多模雷達(dá)Fig.2 AN/APG-77 multi-mode radar

2) 美國(guó)AN/APG-77多模雷達(dá)(見(jiàn)圖2)。F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)AN/APG-77具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、電子偵察、控制多枚導(dǎo)彈的功能，能夠克服各種天氣影響，實(shí)現(xiàn)全天候探測(cè)、多目標(biāo)跟蹤。另外，有源相控陣列使雷達(dá)具有敏捷的波束控制和寬帶寬等特性[19]。

3) 美國(guó)AN/APQ-181機(jī)載雷達(dá)(如圖3所示)。AN/APQ-181雷達(dá)工作在J波段，是美國(guó)空軍B-2隱形轟炸機(jī)的現(xiàn)役射頻隱身雷達(dá)，具有21個(gè)工作模式，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)搜索、識(shí)別、定位和跟蹤，同時(shí)還可以為導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)指示目標(biāo)。

圖3 AN/APQ-181機(jī)載雷達(dá)Fig.3 AN/APQ-181 airborne radar

1.3 射頻隱身技術(shù)的發(fā)展概況

雷達(dá)射頻隱身主要是通過(guò)低截獲技術(shù)、抗分選技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)抗敵方電子偵察系統(tǒng)的目標(biāo)，所以，雷達(dá)的射頻隱身就是降低電子偵察系統(tǒng)對(duì)我方雷達(dá)信號(hào)探測(cè)、信號(hào)分選和信號(hào)匹配3種功能[20]。根據(jù)所見(jiàn)文獻(xiàn)，現(xiàn)在常用的雷達(dá)射頻隱身技術(shù)主要分為4大類，即輻射源功率控制技術(shù)、低截獲波形技術(shù)、定向天線技術(shù)以及信號(hào)的最大不確定性技術(shù)。任何一項(xiàng)技術(shù)都不是單一的一個(gè)設(shè)備、一種方法就可以實(shí)現(xiàn)的，而是多個(gè)設(shè)備、多種方法協(xié)同配合的綜合體現(xiàn)[8]。如表1所示，對(duì)4類技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)做簡(jiǎn)要對(duì)比分析。

表 1 實(shí)現(xiàn)射頻隱身的4類技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

2 射頻隱身雷達(dá)的應(yīng)用需求

戰(zhàn)機(jī)在空中作戰(zhàn)，沒(méi)有雷達(dá)指引就無(wú)法發(fā)揮出真正的戰(zhàn)斗力。但是，如果使用雷達(dá)，又會(huì)使戰(zhàn)機(jī)的對(duì)外輻射電磁強(qiáng)度成倍增加,所以，對(duì)于機(jī)載雷達(dá)而言，電子偵察系統(tǒng)和反輻射導(dǎo)彈是其主要“克星”。從器件組成來(lái)看，反輻射導(dǎo)彈的核心器件在于導(dǎo)引頭，導(dǎo)引頭的本質(zhì)是電子偵察系統(tǒng)的微型和簡(jiǎn)化版本。歸根結(jié)底，機(jī)載雷達(dá)的根本對(duì)手是電子偵察系統(tǒng)。下面對(duì)電子偵察系統(tǒng)的主要特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析。

2.1 電子偵察系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

電子偵察系統(tǒng)主要有以下3個(gè)特點(diǎn)。

1) 遠(yuǎn)距離偵察，長(zhǎng)時(shí)間預(yù)警。雷達(dá)接收機(jī)接收到的是發(fā)射信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射后的回波信號(hào)，而電子偵察系統(tǒng)接收到的是雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)，與雷達(dá)接收機(jī)相比，具有單程接收的優(yōu)勢(shì)。由雷達(dá)方程可知，電子偵察系統(tǒng)的偵察距離遠(yuǎn)大于雷達(dá)探測(cè)距離，大約是雷達(dá)探測(cè)距離的平方。所以，空戰(zhàn)中敵方電子偵察系統(tǒng)可以先于我方預(yù)警雷達(dá)發(fā)現(xiàn)我方戰(zhàn)機(jī)。將電子偵察系統(tǒng)應(yīng)用于預(yù)警機(jī)等高空平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)大視野預(yù)警，預(yù)警時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)于我方戰(zhàn)機(jī)極為不利。

2) 偵察帶寬大，偵察形式隱蔽。電子偵察系統(tǒng)的接收帶寬較大，對(duì)于頻率在1.5 MHz～40 GHz的信號(hào)都可以接收，并且由于電子偵察系統(tǒng)只接收外部輻射源信號(hào)，不對(duì)外發(fā)射電磁信號(hào)，不會(huì)受到針對(duì)性的電磁干擾，偵察形式極其隱蔽。

3) 偵察信息豐富，生成電磁偵察綜合態(tài)勢(shì)。電子偵察系統(tǒng)對(duì)輻射源的偵測(cè)參數(shù)涵蓋時(shí)域、頻域、能量域等多個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)比，判斷目標(biāo)的類別、型號(hào)、威脅等級(jí)等信息，同時(shí)可對(duì)目標(biāo)的方位、位置進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)與有源探測(cè)情報(bào)的融合，形成戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的綜合態(tài)勢(shì)。

2.2 電子偵察系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

電子偵察系統(tǒng)有以下3個(gè)技術(shù)指標(biāo)。

1) 輻射源工作參數(shù)測(cè)量。

對(duì)輻射源工作參數(shù)測(cè)量主要分為兩部分:第一部分是雷達(dá)信號(hào)的脈沖重復(fù)周期、脈沖寬度及天線掃描時(shí)間等時(shí)域信息的測(cè)量;第二部分是雷達(dá)信號(hào)的頻率、頻率變化率及頻率調(diào)制特征等頻域信息的測(cè)量。以上參數(shù)都是基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行的測(cè)量。與傳統(tǒng)模擬檢波的方式相比，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可以自適應(yīng)地設(shè)置檢測(cè)門限，降低噪聲對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響，進(jìn)一步提升測(cè)量精度。

2) 偵察距離與偵收靈敏度。

偵察距離受制于電子偵察系統(tǒng)的系統(tǒng)靈敏度。與雷達(dá)類似，系統(tǒng)靈敏度主要取決于偵察天線的增益和截獲接收機(jī)的靈敏度。相較于雷達(dá)的探測(cè)距離，電子偵察系統(tǒng)的偵察距離至少是雷達(dá)的1.2～1.5倍[26]。系統(tǒng)靈敏度越高，理論偵察距離越遠(yuǎn)，但會(huì)受到地球視距的限制。典型的視距算式為

(1)

式中:H1和H2分別為發(fā)射端和接收端的高度；R為視距。接收機(jī)靈敏度與通道噪聲系數(shù)、數(shù)字接收機(jī)檢測(cè)帶寬、可接受的虛警率相關(guān)，實(shí)際工程應(yīng)用中需要根據(jù)使用環(huán)境、偵察對(duì)象等因素取值。

3) 偵察范圍。

偵察范圍主要包括偵察頻譜范圍、偵察空域范圍。電子偵察系統(tǒng)的頻率偵察范圍在統(tǒng)籌考慮國(guó)際電信聯(lián)盟規(guī)定的雷達(dá)、通信系統(tǒng)工作頻率和軍事領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的基礎(chǔ)上，通常的頻率偵察范圍為1.5 MHz～40 GHz。由于不同的電子偵察系統(tǒng)采用的測(cè)向技術(shù)體制不同，其空域覆蓋范圍也有差異，大致的空域偵察范圍如下：方位面瞬時(shí)空域覆蓋范圍為360°，俯仰面瞬時(shí)空域覆蓋范圍為±20°。

以上是電子偵察系統(tǒng)的主要特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)。縱觀世界，電子戰(zhàn)領(lǐng)域最先進(jìn)的裝備是美軍EA-18G電子戰(zhàn)飛機(jī)[27]。EA-18G裝備的電子戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)量較多、功能比較強(qiáng)大，在電子偵察方面主要是ALQ-218(V)2戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)。ALQ-218(V)2戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)安裝在EA-18G翼尖，可實(shí)現(xiàn)360°覆蓋，方位精度達(dá)到2°，具有寬波段接收能力，可以通過(guò)射頻頻譜搜索、檢測(cè)，提供精確輻射源識(shí)別和定位。根據(jù)當(dāng)前公開(kāi)的資料，ALQ-218(V)2戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)是世界上為數(shù)不多可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電子偵察和全頻段電子干擾的系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，雷達(dá)的“克星”——電子偵察系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、發(fā)展迅猛。戰(zhàn)機(jī)只有解決好機(jī)載雷達(dá)的射頻隱身問(wèn)題，才能從根本上提高雷達(dá)的電子防御能力，焦點(diǎn)無(wú)疑是射頻隱身波形的設(shè)計(jì)。

3 射頻隱身雷達(dá)波形設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀及難點(diǎn)分析

雷達(dá)信號(hào)波形的設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的，信號(hào)波形不僅決定了雷達(dá)系統(tǒng)的體制，還確定了信號(hào)的形式以及接收信號(hào)處理設(shè)備的基本特性[28]。雷達(dá)要想在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中立于不敗之地，必須具有強(qiáng)的抗干擾和抗偵察截獲能力。通過(guò)對(duì)射頻隱身雷達(dá)技術(shù)的深入研究，大大加強(qiáng)了現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中雷達(dá)的反對(duì)抗能力[29]，真正解決雷達(dá)既要發(fā)射電磁波探測(cè)目標(biāo)、感知戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，又要避免因使用高功率射頻而導(dǎo)致偵察截獲被敵方感知這個(gè)矛盾，并且波形設(shè)計(jì)無(wú)需對(duì)現(xiàn)有列裝的雷達(dá)做工程量更大的改造，只需將信號(hào)發(fā)射、接收及處理系統(tǒng)升級(jí)。所以，對(duì)于我國(guó)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展而言，研究射頻隱身雷達(dá)的波形設(shè)計(jì)具有深遠(yuǎn)意義。射頻隱身雷達(dá)信號(hào)的波形設(shè)計(jì)已成為雷達(dá)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容，尤其是大時(shí)寬帶寬積的雷達(dá)信號(hào)波形設(shè)計(jì)及具有大帶寬和快速捷變能力的信號(hào)設(shè)計(jì)更是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)話題。射頻隱身雷達(dá)波形設(shè)計(jì)的主要方法大致分為3類，分別是基于復(fù)合信號(hào)的射頻隱身波形設(shè)計(jì)、基于信號(hào)參數(shù)廣泛隨機(jī)變化的射頻隱身波形設(shè)計(jì)以及基于優(yōu)化算法的射頻隱身波形設(shè)計(jì)。

3.1 基于復(fù)合信號(hào)的射頻隱身波形設(shè)計(jì)技術(shù)

由于射頻隱身雷達(dá)對(duì)抗的是高靈敏度截獲接收機(jī)，此類接收機(jī)瞬時(shí)帶寬較寬、頻率分辨率極好、動(dòng)態(tài)范圍較寬，所以單一信號(hào)的雷達(dá)波形難以勝任射頻隱身這個(gè)重任，通常是由兩種單一體制信號(hào)復(fù)合而成。

楊紅兵等[30]設(shè)計(jì)了對(duì)稱三角線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，這種信號(hào)的截獲因子小于1，時(shí)寬帶寬積在信號(hào)調(diào)制帶寬為5 MHz時(shí)達(dá)到6667，遠(yuǎn)大于一般脈沖壓縮雷達(dá)的100～1000[31]，所以波形不易被截獲。但三角線性調(diào)頻信號(hào)與鋸齒線性調(diào)頻信號(hào)相比，在相同頻偏和調(diào)頻率的條件下，三角波的調(diào)頻周期較長(zhǎng)，使得載波頻率參數(shù)的改變?nèi)鄙凫`活性，容易被電子偵察系統(tǒng)偵察到信號(hào)參數(shù)。潘瑋[32]提出了鋸齒形線性調(diào)頻與偽碼調(diào)相的組合信號(hào)和頻率捷變與偽碼調(diào)相的組合信號(hào)，這兩種信號(hào)具有近似于“圖釘型”的模糊函數(shù),具有良好的距離分辨力和速度分辨力，并且鋸齒形線性調(diào)頻信號(hào)的周期短、調(diào)頻速度快，留給電子偵察系統(tǒng)偵察信號(hào)參數(shù)的時(shí)間很少，有利于射頻隱身功能的實(shí)現(xiàn)。但是即使是鋸齒形線性調(diào)頻信號(hào)，其頻率仍然在連續(xù)不斷地變化，一旦被電子偵察設(shè)備偵察到調(diào)頻率和脈沖寬度并計(jì)算出調(diào)頻帶寬，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的大致跟蹤。所以，針對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)的缺點(diǎn)，產(chǎn)生兩種不同的解決方案。一種方案是彭智慧[2]設(shè)計(jì)了基于Costas序列矩陣的頻率編碼信號(hào)和不同長(zhǎng)度的Frank序列的相位編碼相結(jié)合的信號(hào)。該復(fù)合信號(hào)頻率不再是連續(xù)變化的，而是將頻率跳變序列分布在等時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)射，頻率以跳變的方式進(jìn)行發(fā)射，這樣敵方電子偵察系統(tǒng)對(duì)于頻率的偵察、分選十分困難。仿真證明，這種新型的雷達(dá)波形比單一調(diào)制信號(hào)波形具有更好的低截獲特性。另一種方案是付銀娟等[33]提出了脈間Costas頻率編碼、脈內(nèi)非線性調(diào)頻的NLFM-Costas復(fù)合信號(hào)。該復(fù)合信號(hào)脈內(nèi)頻率變化從線性變化改進(jìn)為非線性變化，即使被電子偵察設(shè)備偵察到調(diào)頻率和脈沖寬度之后根據(jù)脈寬計(jì)算出瞬時(shí)調(diào)頻帶寬，也不會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的跟蹤。通過(guò)仿真得到NLFM-Costas信號(hào)的功率譜密度(PSD)、模糊函數(shù)、峰值旁瓣電平和積分旁瓣電平等。結(jié)果表明，NLFM-Costas復(fù)合信號(hào)具有近似于“圖釘型”的模糊函數(shù)，自相關(guān)性能良好，具有更好的射頻隱身性能，在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下具有良好的應(yīng)用前景。付銀娟等[34]設(shè)計(jì)了正交頻分非線性調(diào)頻多路輸入多路輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)信號(hào)，在脈間Costas頻率編碼、脈內(nèi)非線性調(diào)頻的基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)子脈利用多相碼序列進(jìn)行相位調(diào)制，增加相位的多樣性和隨機(jī)性，進(jìn)一步增強(qiáng)了信號(hào)的抗偵察性能。仿真發(fā)現(xiàn)，信號(hào)具有高主副瓣比，具有較強(qiáng)的射頻隱身能力。通過(guò)脈絡(luò)圖對(duì)以上內(nèi)容做簡(jiǎn)要梳理，如圖4所示。

圖4 基于復(fù)合信號(hào)的射頻隱身波形設(shè)計(jì)脈絡(luò)圖Fig.4 Context diagram of RF stealth waveform design based on composite signal

基于復(fù)合信號(hào)的射頻隱身波形設(shè)計(jì)方法主要是以脈沖調(diào)制為基礎(chǔ)，對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)、非線性調(diào)頻信號(hào)、頻率編碼信號(hào)、相位編碼信號(hào)、巴克碼信號(hào)這些基礎(chǔ)典型信號(hào)進(jìn)行組合，使組合后的信號(hào)參數(shù)能夠在脈內(nèi)或脈間變化起來(lái)，從而使電子偵察系統(tǒng)不能截獲射頻信號(hào)或是不能夠準(zhǔn)確測(cè)出信號(hào)參數(shù)。但設(shè)計(jì)方法缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撝?，主要依賴于科研人員對(duì)基礎(chǔ)信號(hào)優(yōu)缺點(diǎn)的掌握情況，然后再根據(jù)信號(hào)的優(yōu)缺點(diǎn)取長(zhǎng)補(bǔ)短進(jìn)行組合。雖然可以通過(guò)仿真證明設(shè)計(jì)的信號(hào)射頻隱身效果較好，卻無(wú)法證明所設(shè)計(jì)的組合信號(hào)在哪一種條件下隱身效果是最好的，適用于哪一種環(huán)境。

3.2 基于信號(hào)參數(shù)廣泛隨機(jī)變化的射頻隱身波形設(shè)計(jì)技術(shù)

基于信號(hào)參數(shù)廣泛隨機(jī)變化的射頻隱身波形設(shè)計(jì)方法本質(zhì)上就是將序列生成理論與信號(hào)設(shè)計(jì)相結(jié)合，把生成的隨機(jī)序列作為信號(hào)的某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)，進(jìn)而增加了信號(hào)的偽隨機(jī)性，信號(hào)的抗截獲性能顯著提升。

楊宇曉等[35]提出了一種基于混沌序列的射頻隱身跳頻周期設(shè)計(jì)方法。該方法將混沌序列映射到信號(hào)的跳頻周期，采用經(jīng)典的Logistic映射生成混沌序列，并將其在跳頻周期空間進(jìn)行映射，以控制跳頻信號(hào)的跳頻周期。調(diào)頻周期的不確定性遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)固定周期方法，具有更好的射頻隱身性能。王志濤[36]設(shè)計(jì)了混沌二相碼調(diào)制線性調(diào)頻正交頻分復(fù)用技術(shù)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)信號(hào)，每個(gè)碼元均采用相同調(diào)頻斜率的頻率調(diào)制，增大了信號(hào)頻譜使用率，再由混沌序列對(duì)相位進(jìn)行編碼成為混沌二相碼信號(hào)。所設(shè)計(jì)的信號(hào)具有良好的低截獲性能。楊宇曉等[37]提出了一種基于四維超混沌系統(tǒng)跳頻頻率和跳頻周期聯(lián)合跳變的射頻隱身通信信號(hào)設(shè)計(jì)方法，有效提高了信號(hào)的抗分選和抗截獲能力。以上3種波形設(shè)計(jì)方法運(yùn)用混沌序列代替噪聲序列，希望設(shè)計(jì)的信號(hào)具有類似噪聲的隨機(jī)性和混沌的確定性。但隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)混沌系統(tǒng)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)之后，混沌系統(tǒng)仍存在被識(shí)別和預(yù)測(cè)的可能性，所以，唐駿[38]提出了一種將混沌信號(hào)噪聲化的算法。首先將混沌信號(hào)在計(jì)算機(jī)中用浮點(diǎn)數(shù)表示，然后對(duì)信號(hào)的尾數(shù)進(jìn)行異或和交織運(yùn)算，得到了噪聲化的混沌信號(hào)。新的混沌信號(hào)分布更加均勻，低截獲性能更好。通過(guò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖對(duì)以上內(nèi)容做簡(jiǎn)要梳理，如圖5所示。

圖5 基于信號(hào)參數(shù)廣泛隨機(jī)變化的射頻隱身波形設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Structure diagram of RF stealth waveform design based on wide random variation of signal parameters

雖然混沌系統(tǒng)屬于確定性系統(tǒng)，由確定的迭代關(guān)系式生成混沌序列,但是混沌序列又具有極大的隨機(jī)性，并且混沌系統(tǒng)對(duì)迭代初值具有敏感性，即兩個(gè)非常相近的初始值，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)演化被不斷放大，最終形成完全不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)還具有遍歷性。將混沌序列映射到信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，混沌系統(tǒng)的隨機(jī)性增加了波形的抗截獲性能，但由于混沌系統(tǒng)本身是確定性系統(tǒng)，有完全確定的數(shù)學(xué)方程式，對(duì)于信號(hào)回波也方便處理?；煦缦到y(tǒng)的確定系統(tǒng)隨機(jī)性、初值敏感性、遍歷性，這3大特性決定了該理論在射頻隱身波形設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要地位。在以后的設(shè)計(jì)工作中該理論會(huì)被科研工作者廣泛使用。

3.3 基于優(yōu)化算法的射頻隱身波形設(shè)計(jì)技術(shù)

基于優(yōu)化算法的射頻隱身波形設(shè)計(jì)方法就是首先根據(jù)射頻隱身的目的寫出準(zhǔn)則函數(shù)，然后運(yùn)用優(yōu)化算法對(duì)波形進(jìn)行優(yōu)化以得到準(zhǔn)則函數(shù)的最優(yōu)解。所以，優(yōu)化后的波形隱身性能獲得顯著提升。優(yōu)化算法多種多樣，本節(jié)主要對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行綜述。2013年，施榮華等[39]提出一種粒子群算法與遺傳算法相結(jié)合的混合布陣方法，有效降低多輸入多輸出(MIMO)雷達(dá)稀疏天線陣列的峰值旁瓣電平，射頻隱身性能得到提升；2015年，楊宇曉等[40]將通信信號(hào)的跳頻周期和跳頻間隔作為優(yōu)化對(duì)象，提出一種以最大條件熵為優(yōu)化目標(biāo)，聯(lián)合設(shè)計(jì)跳頻周期和跳頻間隔的方法，該方法以拉格朗日乘子為優(yōu)化粒子，利用混合混沌粒子群優(yōu)化算法對(duì)最大條件熵的對(duì)偶規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。該文獻(xiàn)提出的最大熵方法具有最大的跳頻周期、跳頻間隔不確定性和最小的截獲概率。2016年，黃玲[1]提出將頻率分集陣列雷達(dá)波束方向圖的能量分布問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二階的非凸優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)二分法和凸優(yōu)化聯(lián)合優(yōu)化的方法求出最優(yōu)解，降低了雷達(dá)信號(hào)在目標(biāo)處的被檢測(cè)概率。2021年，郝志梅等[41]基于頻率編碼捷變和調(diào)頻斜率捷變的復(fù)合波形編碼技術(shù)，在波形正交約束的基礎(chǔ)上構(gòu)造了一種復(fù)合頻率編碼的非線性代價(jià)目標(biāo)函數(shù)，提出了基于頻率編碼捷變或調(diào)頻斜率捷變的復(fù)合波形簇優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。利用模式搜索算法獲得了具有良好自相關(guān)和互相關(guān)旁瓣特性的寬帶正交低截獲概率波形簇。所設(shè)計(jì)的波形能夠獲得低自相關(guān)旁瓣和低互相關(guān)旁瓣，LPI性能較好。通過(guò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖對(duì)以上內(nèi)容做簡(jiǎn)要梳理，如圖6所示。

圖6 基于優(yōu)化算法的射頻隱身波形設(shè)計(jì)脈絡(luò)圖Fig.6 Context diagram of RF stealth waveform design based on optimization algorithms

運(yùn)用優(yōu)化算法對(duì)波形進(jìn)行優(yōu)化這個(gè)思路比較獨(dú)特、效果較好。但必須要解決兩個(gè)問(wèn)題:第一個(gè)是需明確使用的準(zhǔn)則函數(shù)是什么，準(zhǔn)則函數(shù)如何體現(xiàn)出信號(hào)的射頻隱身特性，即按照準(zhǔn)則函數(shù)設(shè)計(jì)的信號(hào)射頻隱身效果較好；第二個(gè)是需確定使用的優(yōu)化算法是什么，確保使用的優(yōu)化算法能夠找到全局最優(yōu)解，而不是找到局部最優(yōu)解，甚至根本找不到最優(yōu)解。只要將這兩個(gè)問(wèn)題解決好，就能解決波形設(shè)計(jì)問(wèn)題。這種方法在今后的科研工作中一定會(huì)有進(jìn)一步的發(fā)展，尤其是人工智能算法的蓬勃發(fā)展，使得尋優(yōu)算法有了巨大的進(jìn)步，期待人工智能尋優(yōu)算法更好地解決波形設(shè)計(jì)問(wèn)題。

3.4 其他射頻隱身波形設(shè)計(jì)方法

以上3種波形設(shè)計(jì)方法是射頻隱身波形設(shè)計(jì)的主要方法，除此之外也有一些其他的方法，在這里做個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。

潘瑋[32]提出了采用“偽裝欺騙信號(hào)、多通道發(fā)射”的射頻隱身雷達(dá)波形設(shè)計(jì)思路。設(shè)計(jì)出了射頻掩護(hù)信號(hào)和工作信號(hào)同時(shí)發(fā)射的信號(hào)工作方式。工作信號(hào)是由線性調(diào)頻偽碼調(diào)相和頻率捷變偽碼調(diào)相兩路信號(hào)復(fù)合而成。射頻掩護(hù)信號(hào)是由頻率捷變偽碼調(diào)相與隨機(jī)脈位調(diào)制復(fù)合而成。工作信號(hào)與射頻掩護(hù)信號(hào)同時(shí)發(fā)射后，空間中的信號(hào)波形雜亂無(wú)規(guī)律，雷達(dá)信號(hào)更具有低截獲性。雖然信號(hào)具有低截獲性，但無(wú)論是工作信號(hào)還是掩護(hù)信號(hào)調(diào)制都十分復(fù)雜，而且掩護(hù)信號(hào)會(huì)消耗較多的發(fā)射能量，雷達(dá)的能耗效率較低。肖永生等[42]結(jié)合最優(yōu)匹配照射-接收機(jī)理論與序貫假設(shè)檢驗(yàn)方法，提出了一種新的射頻隱身雷達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)發(fā)射信號(hào)的回波將雷達(dá)周圍的環(huán)境信息反饋給雷達(dá)系統(tǒng)，然后雷達(dá)根據(jù)環(huán)境信息自適應(yīng)調(diào)整、設(shè)計(jì)發(fā)射信號(hào)，形成一個(gè)雷達(dá)與環(huán)境交互的閉環(huán)系統(tǒng)。由于雷達(dá)信號(hào)會(huì)發(fā)生自適應(yīng)變化，信號(hào)之間的相關(guān)性減小，雷達(dá)照射次數(shù)減少，輻射功率降低，從而實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)系統(tǒng)的射頻隱身。

3.5 射頻隱身雷達(dá)波形設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

射頻隱身雷達(dá)波形設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要有以下3個(gè)方面。

1) 建立科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膹?fù)合信號(hào)射頻隱身波形設(shè)計(jì)理論體系?；趶?fù)合信號(hào)的射頻隱身波形設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)的理論指導(dǎo)，主要體現(xiàn)在組成復(fù)合信號(hào)的基礎(chǔ)信號(hào)如何選擇方面。當(dāng)前主要依靠信號(hào)設(shè)計(jì)人員對(duì)基礎(chǔ)信號(hào)優(yōu)劣之處的掌握，沒(méi)有嚴(yán)格的信號(hào)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

2) 使用隨機(jī)性更好的偽隨機(jī)序列對(duì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制。受到計(jì)算機(jī)有限精度的影響，偽隨機(jī)序列會(huì)出現(xiàn)短周期現(xiàn)象，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)偽隨機(jī)序列調(diào)制的波形參數(shù)仍存在明顯的周期性，波形的射頻隱身性能大幅下降。選擇合適的偽隨機(jī)序列或改善偽隨機(jī)序列的短周期現(xiàn)象成為下一步波形設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

3) 選用優(yōu)化性能更好的優(yōu)化方法。優(yōu)化速度、優(yōu)化誤差等優(yōu)化算法的性能決定了波形的射頻隱身性能和實(shí)時(shí)性，所以要將優(yōu)化方法的選擇作為波形設(shè)計(jì)的重要步驟，選用與波形生成更契合的優(yōu)化方法，將波形的射頻隱身性能提升至最大。

為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的射頻隱身、抗干擾目的，科研工作者曾運(yùn)用噪聲對(duì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，使波形參數(shù)具有隨機(jī)性[43],但這種發(fā)射信號(hào)不利于回波的接收處理。雖然可以運(yùn)用自相關(guān)法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，但這種方法無(wú)法處理非平穩(wěn)的回波信號(hào)，在以后的波形設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免使用完全隨機(jī)的序列對(duì)波形參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，以免導(dǎo)致單基地或多基地雷達(dá)系統(tǒng)回波處理較為困難。

4 總結(jié)與展望

本文從射頻隱身的概念入手，闡述了射頻隱身技術(shù)的原理和方法，梳理了射頻隱身雷達(dá)的發(fā)展，闡明了射頻隱身雷達(dá)的應(yīng)用需求，然后詳細(xì)分析了射頻隱身雷達(dá)波形的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)每一種方法做了梳理和簡(jiǎn)要評(píng)述。盡管目前射頻隱身雷達(dá)的波形設(shè)計(jì)研究比較多，但仍有以下兩點(diǎn)內(nèi)容可供參考。

1) 波形設(shè)計(jì)與回波信號(hào)處理這兩個(gè)領(lǐng)域的研究沒(méi)有緊密地聯(lián)系在一起。研究波形設(shè)計(jì)的科研工作者只鉆研波形設(shè)計(jì)與生成，卻忽略了對(duì)回波信號(hào)的處理，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出來(lái)的射頻信號(hào)波形隱身效果很好，但這樣的波形發(fā)射出去，接收機(jī)對(duì)接收到的回波不能方便地處理，而且處理速度較慢、數(shù)據(jù)量較大。應(yīng)該將波形設(shè)計(jì)與回波信號(hào)處理這兩個(gè)領(lǐng)域關(guān)聯(lián)在一起，統(tǒng)籌考慮信號(hào)的發(fā)射和接收，打通信號(hào)的全流程。

2) 設(shè)計(jì)的新波形缺乏工程實(shí)踐的驗(yàn)證。在當(dāng)前的科研工作中，評(píng)估設(shè)計(jì)的新波形隱身性能是否良好仍停留在仿真層面，并沒(méi)有運(yùn)用實(shí)際的裝備實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，尤其是針對(duì)未來(lái)電磁環(huán)境密集復(fù)雜的情況，現(xiàn)在仍無(wú)法實(shí)際驗(yàn)證。

未來(lái)將重點(diǎn)關(guān)注以下兩個(gè)方面。

1) 將射頻隱身波形設(shè)計(jì)與人工智能算法的發(fā)展、偽隨機(jī)序列生成理論緊密地結(jié)合在一起。用人工智能算法的尋優(yōu)特性尋找最優(yōu)的信號(hào)參數(shù)，以得到射頻隱身準(zhǔn)則函數(shù)的最優(yōu)解，最終提升雷達(dá)的抗截獲能力。運(yùn)用最新的偽隨機(jī)序列生成理論生成相應(yīng)的序列，然后將序列映射到信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，增強(qiáng)信號(hào)的隨機(jī)性，從而提升信號(hào)的射頻隱身性能。

2) 建立射頻隱身性能評(píng)估模型。射頻隱身技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)性能評(píng)估技術(shù)的支撐。在以往的性能評(píng)估中，普遍建立“發(fā)射機(jī)-接收機(jī)”模型，通過(guò)接收機(jī)對(duì)信號(hào)的接收或分選結(jié)果來(lái)衡量信號(hào)射頻隱身性能。但這樣的評(píng)估模型受接收機(jī)的信噪比等接收性能影響而不能客觀、真實(shí)地反映信號(hào)的射頻隱身性能。因此，需要建立一種基于發(fā)射信號(hào)參數(shù)和工作狀態(tài)的射頻隱身性能評(píng)估模型，該模型不依賴于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，可以對(duì)任何信號(hào)的射頻隱身能力進(jìn)行評(píng)估，是信號(hào)射頻隱身能力的一種本質(zhì)描述。