湯廣富甘榮兵李 華趙耀東

①（電子信息控制重點實驗室 成都 610036）

②（中國人民解放軍77108部隊 成都 611233）

③（電子科技大學 成都 610054）

一種主動雷達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（電子信息控制重點實驗室 成都 610036）

②（中國人民解放軍77108部隊 成都 611233）

③（電子科技大學 成都 610054）

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

主動雷達隱身；智能蒙皮；空間位置關系；定量分析

1 引言

雷達隱身技術又稱雷達低可探測技術或目標雷達特征控制技術，是改變武器裝備、平臺等目標的雷達可探測信號特征，使敵方雷達探測系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn)或發(fā)現(xiàn)距離縮短的綜合技術［1］。雷達隱身技術可以分為無源隱身技術和有源隱身技術（主動隱身）。無源隱身技術包括整形法、吸波材料法和無源對消（阻抗加載）法等，有源隱身技術包含有源欺騙、有源對消、智能材料和等離子體煙霧等。

無源隱身技術雖然取得了巨大的成功，但仍然存在明顯的缺陷［2］：一是通過犧牲平臺的氣動性能獲得小的雷達散射截面；二是涂覆吸波材料造價高、維護難；三是對艦船等尺寸巨大、結(jié)構(gòu)復雜的目標效果不佳。有源隱身技術能適應被保護目標的多樣性，不要求被保護目標改變外形或敷罩吸波材料，原則上能適應任何形狀的目標。有源隱身技術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，需要建立目標平臺完整的電磁散射數(shù)據(jù)庫，根據(jù)測量入射電磁波的極化、頻率、角度等參數(shù)，在數(shù)據(jù)庫中查找目標平臺的回波，再通過集總式設備發(fā)射與目標平臺回波等幅反相的對消波，達到降低目標平臺雷達特征的目的。集總式有源隱身技術國內(nèi)外研究的比較多，比較具有代表性的見文獻［3-14］，該技術具有原理清晰、隱身效果好、適用平臺范圍廣等優(yōu)點，但也存在測量精度不易滿足、實時性不易達到要求和目標散射數(shù)據(jù)庫不易建立等難題。分布式有源隱身技術是將電磁芯片排列成智能蒙皮（smart skin），粘附在目標的關鍵部位上，對雷達的入射波進行接收、處理并發(fā)射一定幅度和相位的隱身波，起到縮減目標關鍵部位雷達特征的目的。一般情況下，智能蒙皮技術不需要建立目標散射數(shù)據(jù)庫，也不需要對入射電磁波的參數(shù)進行精確測量，所以智能蒙皮技術的應用更加廣泛也更加靈活，但是其只能縮減目標關鍵部位的雷達特征，對目標平臺的整體隱身性能不及集總式有源隱身。

美國處于隱身技術的領先地位，并遙遙領先世界各國，從U-2， SR-71偵察機到F-117A和B-2轟炸機，再到F-22， F-35戰(zhàn)斗機，美國人走過了50年［15］。我國的隱身技術近些年取得了長足的進步，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］針對一種主動雷達隱身裝置（是一種智能蒙皮）申請了專利，專利中只簡單介紹了該裝置的基本組成和工作原理，并未給出詳細的定量分析。深入研究該裝置的工作原理、詳細分析各參數(shù)之間的定量關系，對進一步認識智能蒙皮式主動雷達隱身技術具有非常重要的理論研究和工程實踐意義。

本文首先介紹了該裝置的基本組成和工作原理，在此基礎上給出了電磁場約束方程組，推導了移相器轉(zhuǎn)移相位與入射波長、入射角以及該裝置組成的空間位置關系等因素的定量關系，并通過數(shù)值仿真分別討論了入射波長、入射角、空間位置關系等因素對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［16］可知，該裝置由粘附在平臺上的蒙皮、內(nèi)置在蒙皮里的許多個收發(fā)單元組成。蒙皮由復合材料或者其它對電磁波透明的材料制成，通過環(huán)氧基樹脂（epoxy）粘附在平臺的表面上，也可以通過熔封（heat-sealed）的方式粘附，不管采用什么粘附方式，要求蒙皮與平臺表面的黏結(jié)要均勻一致且對雷達散射影響最小。另外該裝置對平臺外表的形狀和輪廓沒有特殊要求，即該裝置原則上可實現(xiàn)對任意外形平臺的雷達隱身，這也是該裝置的優(yōu)點之一。內(nèi)置在蒙皮里的許多個收發(fā)單元之間彼此獨立工作，每一個收發(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iE照射在平臺表面形成反射電磁場rE，發(fā)射器發(fā)射對消電磁場sE，由有源對消原理知，當sE與rE等幅反相時，完全對消。接收器難以只接收純凈的反射電磁場，實際中，接收器接收到的是入射、發(fā)射和對消電磁場的組合場，移相放大器對接收到的組合場進行相位變換并幅度放大，再經(jīng)發(fā)射器發(fā)射形成對消電磁場。

移相放大器可以集成到接收器或者發(fā)射器中，為簡單起見，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早于發(fā)射器發(fā)射對消波，因此接收器距離平臺表面的距離要大于發(fā)射器距離平臺表面的距離，并且接收器和發(fā)射器之間具有嚴格的空間位置關系（即1d，2d，3d），其空間位置關系受雷達環(huán)境（入射波長、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。

圖1 智能蒙皮剖面圖

圖2 空間位置關系示意圖

圖3 多個收發(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［16］并未給出移相器轉(zhuǎn)移相位與入射波長、入射角以及空間位置關系等因素的定量關系，下面進行詳細分析。

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

由式（14）得

由式（16）可得

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

4 仿真討論

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

當裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)固定后，針對每一個入射頻率和每一個入射角度，如果希望該裝置實現(xiàn)最優(yōu)性能，移相放大器會對應一個特定的變換相位，將這種變換相位跟入射頻率和入射角的對應關系裝訂到裝置中，則該裝置可以實現(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)單元中增加頻率測量器、角度測量器、裝訂數(shù)據(jù)存儲器以及相應的控制器等，顯然這是不現(xiàn)實的。文獻［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180°的變換相位。根據(jù)有源對消原理可知［3-9］，當相位差小于60°時，仍然起到回波縮減的效果，當相位差大于60°時，非但沒有縮減，反而起到了回波增強的反作用了。據(jù)此可以認為，變換相位越接近180°時，裝置的隱身性能越好，反之越差，當變換相位小于120°時，認為裝置失效。

4.1 入射波長和入射角的影響

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

4.2 空間位置關系的影響

圖4 變換相位與入射波長和入射角的關系

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對性能的影響。各種參數(shù)設定同上，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的設定值以及具體工程實踐等因素。

i r s入射頻率為L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，因為當d3= 0時，即發(fā)射器放置在接收器的正后方時，會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踐因素來綜合考慮。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)設置同上。

圖5 d3對性能的影響

圖6 d2對性能的影響

表1 設定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入射頻率的適應性（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)有源對消原理可知，當變換相位φ大于120°時，裝置具有雷達回波縮減效果，當變換相位φ小于120°時，裝置反而對雷達回波起到了增強的作用，失效。當入射角為0°時，從仿真結(jié)果可得：當制造工藝在10-1m量級時，在L波段～Ka波段范圍內(nèi)，裝置沒有適用頻率；當制造工藝在10-2m量級時，適用頻率范圍為L波段以下；當制造工藝在10-3m量級時，適用頻率范圍為Ku波段以下；而工藝進一步提高至10-4m時，其適用頻率范圍進一步擴大，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，裝置在不同的制造工藝尺寸下對入射頻率的適應性。表2給出了3種入射角情況下，裝置的制造工藝量級與適應頻率范圍（波長）之間的對應關系，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；制造工藝越高，適應的頻率范圍越廣，反之，制造工藝越差，適應的頻率范圍越窄；另外裝置的頻率適應范圍跟入射角也有關系，入射角越小，適應頻率范圍越廣，反之，入射角越大，適應頻率范圍越窄。

圖7 制造工藝對性能的影響（入射角為0°）

表2 制造工藝量級與適應頻率范圍

5 結(jié)束語

智能蒙皮隱身技術具有與外形隱身兼容、適用波段寬、適用平臺多（對平臺外形無要求）等優(yōu)點，是一種有發(fā)展?jié)摿Φ碾[身技術。本文針對美國的一篇關于智能蒙皮隱身技術的專利，進行了深入的定量分析：在建立電磁場約束方程組的基礎上，推導了移相器轉(zhuǎn)移相位與入射波長、入射角以及該裝置組成的空間位置關系等因素的定量關系，并通過數(shù)值仿真分別討論了入射波長、入射角、空間位置關系等因素對該裝置性能的影響，得出了一些有意義的結(jié)論，對進一步認識智能蒙皮式主動雷達隱身技術具有非常重要的理論研究和工程實踐意義。

圖8 制造工藝對性能的影響

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湯廣富： 男，1980年生，博士后，工程師，研究方向為雷達信號處理和信息對抗等.

甘榮兵： 男，1975年生，博士，研究員，研究方向為信號處理和電子技術等.

李 華： 男，1969年生，碩士，高級工程師，研究方向為信息對抗等.

趙耀東： 男，1986年生，博士，工程師，研究方向為雷達信號處理等.

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