顧乃威，王麗偉，何 悅，孫穎力，劉 青

0 引 言

面臨全天候、全天時(shí)的實(shí)時(shí)偵察與全球精確打擊，導(dǎo)彈地面車(chē)輛的射前生存能力受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。偽裝隱身是隱蔽己方的軍事部署、行動(dòng)和企圖，欺騙、干擾敵方偵察監(jiān)視的有效手段，是有效提升導(dǎo)彈地面車(chē)輛戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的有效途徑之一。雷達(dá)目標(biāo)特性研究是地面車(chē)輛雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)與隱身性能評(píng)估的基礎(chǔ)和前提，受到隱身技術(shù)研究人員的高度重視。本文在雷達(dá)偵察威脅和目標(biāo)特性分析基礎(chǔ)上，探討了導(dǎo)彈地面車(chē)輛的雷達(dá)目標(biāo)特性控制方法，為導(dǎo)彈地面車(chē)輛雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)人員提供參考。

1 面臨的雷達(dá)偵察威脅

1.1 星載雷達(dá)偵察威脅

星載偵察是實(shí)施戰(zhàn)略偵察的主要手段，不受領(lǐng)空的限制，在和平時(shí)期和戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期都可使用，尤其是星載合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）不受云、霧、煙和光照條件影響，可全天時(shí)、全天候?qū)Φ貍刹?，是?dǎo)彈地面車(chē)輛最重要的偵察威脅源。星載雷達(dá)偵察威脅的主要技術(shù)參數(shù)[1]：

a）偵察波段：雷達(dá)波段覆蓋L、S、C、X；

b）分辨率：雷達(dá)偵察設(shè)備寬帶掃描模式下分辨率為3 m，標(biāo)準(zhǔn)和聚束條件下達(dá)到0.3～1 m；雷達(dá)波段均可有效識(shí)別導(dǎo)彈地面車(chē)輛。

c）測(cè)繪帶：雷達(dá)偵察衛(wèi)星聚束模式偵察測(cè)繪帶一般在10 km以下。

1.2 機(jī)載雷達(dá)偵察威脅

地面車(chē)輛面臨的機(jī)載偵察威脅主要是高空無(wú)人機(jī)和隱身戰(zhàn)機(jī)，其具有良好的隱身性能，攜帶精確打擊武器，具備偵察、打擊一體化能力，且有較強(qiáng)的突防能力，結(jié)合電子干擾，可能突破防空體系進(jìn)行偵察與攻擊活動(dòng)。機(jī)載雷達(dá)偵察有如下特點(diǎn)：

a）偵察波段全：雷達(dá)波段覆蓋L、S、C、X、Ku。b）分辨率高：雷達(dá)偵察設(shè)備在寬帶模式下的分辨率為1～3 m，在標(biāo)準(zhǔn)和窄帶模式下分辨率為0.3～1 m，聚束狀態(tài)下分辨率達(dá)0.1～0.3 m；機(jī)載雷達(dá)偵察波段可有效識(shí)別地面車(chē)輛。

c）偵察距離和高度：以全球鷹無(wú)人機(jī)的機(jī)載高分辨率監(jiān)視/偵察雷達(dá)系統(tǒng)（HiSAR）為例，條帶成像和聚束成像模式下偵察距離為20～110 km[2]；偵察高度為20 km。

1.3 地面車(chē)輛雷達(dá)偵察角域分析

雷達(dá)偵察威脅角域是雷達(dá)賦形隱身設(shè)計(jì)的依據(jù)，需要首先確定。

a）擦地角。

雷達(dá)與目標(biāo)相對(duì)角度定義如圖1所示。

圖1 雷達(dá)與目標(biāo)相對(duì)角度示意Fig.1 Relative Angle of Radar and Target

星載SAR的觀測(cè)區(qū)域大小受軌道信號(hào)模糊函數(shù)主瓣間角距和距離不模糊區(qū)域的限制。此外，當(dāng)≥θ60°后，雷達(dá)圖像中很大一部分表面被陰影所覆蓋，不利于目標(biāo)探測(cè)。所以，θ最大值只能在 55～60°之間取值。天線(xiàn)波束的最小入射角取決于允許的最差距離分辨率，當(dāng)＜θ15°時(shí)，距離分辨率急劇下降，且背景雜波急劇增大，具有一個(gè)偏離天底20～30°的天底孔，該孔的信雜比對(duì)于可靠探測(cè)而言過(guò)大了[3]。另外參考文獻(xiàn)[4]描述，星載 SAR一般入射角取 15～60°，視不同應(yīng)用而定。對(duì)于Lacrosse雷達(dá)衛(wèi)星偵察，其入射角θ在15～60°是合理的，按Lacrosse雷達(dá)衛(wèi)星軌道高度680 km計(jì)算，目標(biāo)擦地角范圍為17～73°。若入射角取20～55°，則目標(biāo)擦地角范圍為25～70°。由國(guó)外典型星載SAR雷達(dá)典型參數(shù)可得：擦地角下限一般在25°以上，個(gè)別有Radar SAT-1擦地角下限為16°，擦地角上限一般在70°以下，個(gè)別有74°（SRTM）、73°（Envisat）；因此可得出結(jié)論：針對(duì)星載偵察地面車(chē)輛雷達(dá)威脅擦地角范圍為16～74°，主要雷達(dá)威脅擦地角20～70°。

對(duì)于機(jī)載SAR來(lái)說(shuō)，飛機(jī)平臺(tái)越接近目標(biāo)越易被對(duì)方探測(cè)和攻擊，機(jī)載SAR對(duì)目標(biāo)的擦地角的上限不能太大；山脈與其它障礙物的遮掩不能被雷達(dá)波束照射的區(qū)域稱(chēng)為雷達(dá)盲區(qū)，為縮小雷達(dá)盲區(qū)，擦地角也不能太小。以全球鷹無(wú)人機(jī)載的HiSAR為例，其威脅擦地角范圍為10～45°。

b）方位角。

地面車(chē)輛在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，星載偵察是各方向威脅均存在，且威脅程度沒(méi)有明顯的大小之分，因此星載威脅方位角域?yàn)?180～180°（車(chē)頭方向?yàn)?°）。機(jī)載偵察時(shí)，由于防空體系的存在，敵方偵察距離不能很近，因此地面車(chē)輛面向敵占區(qū)方向威脅較大，其主要威脅方位角域在-45～45°。

2 地面車(chē)輛雷達(dá)暴露特征分析

導(dǎo)彈地面車(chē)輛為完成導(dǎo)彈發(fā)射所需專(zhuān)用車(chē)輛，包括導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)、導(dǎo)彈運(yùn)輸車(chē)等。下面以俄羅斯飛毛腿導(dǎo)彈地面車(chē)輛（見(jiàn)圖2）為例分析地面車(chē)輛的雷達(dá)目標(biāo)特性。地面車(chē)輛是一個(gè)典型的復(fù)雜形狀電大尺寸目標(biāo)，包含平面、柱面、凹腔、角形結(jié)構(gòu)、表面不連續(xù)以及棱邊等結(jié)構(gòu)外形，形成了若干個(gè)散射源?；夭ㄝ^強(qiáng)的散射源主要有凹形區(qū)域散射、鏡面反射、邊緣繞射、行波回波等。表1為飛毛腿導(dǎo)彈地面車(chē)輛雷達(dá)強(qiáng)散射源分析。

分析授課專(zhuān)業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)處理的需求，抽取低年級(jí)學(xué)生易于理解的、需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的典型專(zhuān)業(yè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)成專(zhuān)題項(xiàng)目，如：共享單車(chē)混線(xiàn)設(shè)計(jì)管理、礦石儲(chǔ)量數(shù)據(jù)管理、高速公路車(chē)輛管理、長(zhǎng)江水質(zhì)分析與預(yù)測(cè)管理等。同時(shí)收集與專(zhuān)業(yè)問(wèn)題關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集，創(chuàng)建項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)。整合這些項(xiàng)目信息，構(gòu)建專(zhuān)題項(xiàng)目資源庫(kù)。該資源庫(kù)的結(jié)構(gòu)由專(zhuān)題項(xiàng)目的原始數(shù)據(jù)集、項(xiàng)目資料、教學(xué)用專(zhuān)題項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序等數(shù)據(jù)項(xiàng)組成。

圖2 飛毛腿導(dǎo)彈地面車(chē)輛Fig.2 Photo of Scud Missile Ground Vehicle

表1 飛毛腿導(dǎo)彈地面車(chē)輛主要雷達(dá)強(qiáng)散射源分析Tab.1 Scud Missile Ground Vehicle

續(xù)表1

3 地面車(chē)輛雷達(dá)目標(biāo)特性控制技術(shù)途徑

地面車(chē)輛雷達(dá)目標(biāo)特性控制技術(shù)途徑包括雷達(dá)隱身賦形、雷達(dá)隱身與結(jié)構(gòu)一體化、變形遮障、民用化雷達(dá)偽裝、新型雷達(dá)隱身技術(shù)等。

3.1 雷達(dá)隱身賦形

雷達(dá)隱身賦形通過(guò)設(shè)計(jì)或修整車(chē)輛的形狀輪廓、邊緣與表面，使其在雷達(dá)主要威脅方向上的回波減縮。雷達(dá)隱身賦形技術(shù)是提高地面車(chē)輛自身公路機(jī)動(dòng)、待發(fā)發(fā)射準(zhǔn)備雷達(dá)隱身性能的重要途徑之一，它不但可以降低地面車(chē)輛雷達(dá)散射強(qiáng)度，還可以改變地面車(chē)輛外觀特征和雷達(dá)散射特征分布，降低地面車(chē)輛被SAR識(shí)別的概率。

實(shí)際的地面車(chē)輛設(shè)計(jì)中，需要兼顧總體性能、艙室容積、總體布置要求、工藝上的可行性、經(jīng)濟(jì)性等諸多方面因素，必要時(shí)與吸波材料結(jié)合進(jìn)行隱身，使地面車(chē)輛的綜合性能兼優(yōu)。導(dǎo)彈地面車(chē)輛隱身賦形設(shè)計(jì)的要求[5]包括：a）整個(gè)外形設(shè)計(jì)趨于封閉型，采用斜置外形和占位方式，將威脅角內(nèi)的強(qiáng)散射消除、削弱，降低地面車(chē)輛威脅角內(nèi)雷達(dá)散射效應(yīng)。b）對(duì)于威脅角內(nèi)的三面角、二面角、腔體等凹型結(jié)構(gòu)應(yīng)采用外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加以避免。c）對(duì)地面車(chē)輛表面突出結(jié)構(gòu)和凸出物，需要采用內(nèi)嵌、背式、遮擋、加蓋防護(hù)罩等方式處理，以減少散射源和散射體數(shù)量，降低散射總強(qiáng)度，減弱強(qiáng)散射點(diǎn)分布特性。d）采用屏蔽玻璃代替普通玻璃，防止雷達(dá)波通過(guò)玻璃進(jìn)入駕駛室內(nèi)產(chǎn)生腔體強(qiáng)散射效應(yīng)。

3.2 表面采用吸波材料

綜合利用結(jié)構(gòu)吸波材料、涂敷吸波材料、透波材料、屏蔽材料、金屬鍍膜等材料與地面車(chē)輛結(jié)構(gòu)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)吸波材料對(duì)雷達(dá)波的吸收、材料與結(jié)構(gòu)匹配對(duì)雷達(dá)波的多次吸收、散射和對(duì)消等方式降低地面車(chē)輛威脅方向上的雷達(dá)散射截面積（Radar Corss-Section，RCS）及雷達(dá)圖像識(shí)別特性。對(duì)吸波材料性能要求一般采用垂直發(fā)射率來(lái)表征。為了與賦形技術(shù)緊密結(jié)合，克服賦形設(shè)計(jì)受到總體性能、艙室容積、總體布置的限制，進(jìn)一步提高地面車(chē)輛的雷達(dá)隱身效能，對(duì)結(jié)構(gòu)吸波材料的性能要求除了重量輕、頻帶寬、厚度薄、堅(jiān)固耐用，價(jià)格便宜等傳統(tǒng)要求外，還需提出吸波材料的發(fā)射率的角域特性要求，即要求吸波材料寬角域內(nèi)吸波效果好或反射率波谷值隨角度可控制等。

3.3 變形遮障

變形遮障是地面車(chē)輛傳統(tǒng)偽裝方式之一，能夠有效改變車(chē)輛外形及其陰影，提升了車(chē)輛的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。據(jù)悉美軍21世紀(jì)初裝備的超輕型偽裝網(wǎng)系統(tǒng)，可以防可見(jiàn)光、近紅外、熱紅外和雷達(dá)偵察，可衰減80%的紅外輻射，散射與吸收6～140 GHz頻段的雷達(dá)波能力，能有效對(duì)車(chē)輛、飛機(jī)、艦船等重點(diǎn)武器裝備實(shí)施隱真?zhèn)窝b[6]。同時(shí)也應(yīng)看到，變形遮障存在操作不便、機(jī)動(dòng)狀態(tài)偽裝效果不足等弱點(diǎn)。

3.4 民用化偽裝

民用化偽裝通過(guò)多種技術(shù)手段將地面軍用車(chē)輛的雷達(dá)特征按民用車(chē)輛設(shè)計(jì)，使得軍用車(chē)輛沒(méi)有明顯的軍事特征，使得敵方難以識(shí)別軍事車(chē)輛，隱蔽了武器系統(tǒng)平時(shí)的暴露特性，提升了其戰(zhàn)時(shí)的生存能力。

3.5 超材料雷達(dá)隱身技術(shù)

2005年，美國(guó)杜克大學(xué)Smith等提出折射率呈梯度變化的媒質(zhì)能夠使電磁波發(fā)生彎折，這一重要觀點(diǎn)開(kāi)辟了利用超材料實(shí)現(xiàn)電磁波隱身的新領(lǐng)域。2006年，英國(guó)物理學(xué)家Pendry等將上述觀點(diǎn)應(yīng)用于超材料，將材料的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率按空間進(jìn)行變化來(lái)控制電磁場(chǎng)的方向，Schuring等在微波頻段設(shè)計(jì)和驗(yàn)證了由超材料制成的電磁隱身斗篷。電磁隱身斗篷的問(wèn)世很快引起了全球范圍的科學(xué)工作者對(duì)超材料構(gòu)型設(shè)計(jì)和功能應(yīng)用的廣泛研究，除了隱身斗篷，電磁透明體、電磁聚焦器、電磁外斗篷、可調(diào)諧超材料吸收器等眾多新穎的電磁裝置均取得了相應(yīng)的技術(shù)突破[7]。

超材料吸波器利用諧振吸收的原理，諧振位置與單元的幾何形狀、尺寸等密切相關(guān)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行調(diào)控。與傳統(tǒng)吸波材料相比，超材料吸波器具有豐富的可設(shè)計(jì)性，為3.2節(jié)需求的雷達(dá)隱身材料角域發(fā)射率設(shè)計(jì)提供一種可行的解決途徑。超材料吸波器與車(chē)輛設(shè)備艙、駕駛室等結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，可有效提升車(chē)輛的雷達(dá)隱身能力。

3.6 雷達(dá)主動(dòng)變換

在隱身蒙皮方面，美國(guó)研究了一種主動(dòng)雷達(dá)隱身裝置，是在塑料涂層中集成微波探測(cè)器、相變換放大器和微波發(fā)射器。探測(cè)器探測(cè)到入射波、反射波和相消電磁波的合成波，然后相變換放大器轉(zhuǎn)換探測(cè)器探測(cè)到的合成波，再通過(guò)發(fā)射器發(fā)射出去，這樣理論上該武器平臺(tái)的RCS近似為0，圖3為該主動(dòng)雷達(dá)隱身裝置[8]。

圖3 主動(dòng)雷達(dá)隱身裝置截面Fig.3 A Cross Sectional View of the Active Radar Stealth Device

在雷達(dá)主動(dòng)變換方面，挪威研制的 EKKOⅡ干擾系統(tǒng)用于產(chǎn)生高逼真度的假艦船、假車(chē)輛等虛假目標(biāo)圖像，其對(duì)偵察參數(shù)測(cè)量精度依賴(lài)度高，實(shí)際應(yīng)用條件苛刻。俄羅斯于2010年前后開(kāi)始發(fā)展靈巧、分布式新型SAR干擾系統(tǒng)，但尚未形成裝備，具體技術(shù)細(xì)節(jié)和參數(shù)未知。

雷達(dá)主動(dòng)變換系統(tǒng)一般有告警模塊、偽裝信號(hào)處理及生成模塊和雷達(dá)特征變換執(zhí)行模塊等組成?；驹硎峭ㄟ^(guò)雷達(dá)告警模塊采集敵方雷達(dá)特性，經(jīng)過(guò)偽裝信號(hào)處理及生成模塊對(duì)采集到的雷達(dá)輻射信號(hào)分析、處理，產(chǎn)生雷達(dá)遮蔽信號(hào)，最后通過(guò)雷達(dá)特征變換執(zhí)行模塊發(fā)射雷達(dá)遮蔽信號(hào)或改變車(chē)輛表面材料的電性能，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)雷達(dá)特征主動(dòng)變換。圖4為雷達(dá)主動(dòng)變換系統(tǒng)原理框圖。

圖4 雷達(dá)主動(dòng)變換系統(tǒng)原理框圖Fig.4 Radar Characteristiscs Active Transformation System Functional Block Diagram

4 地面車(chē)輛雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)示例

通過(guò)FASTEM-SNOOKER軟件仿真驗(yàn)證車(chē)輛雷達(dá)隱身賦形方案的有效性。橡膠外胎簡(jiǎn)化為空氣，傳感器頻率為10 GHz，不考慮地面背景的影響。圖5為車(chē)輛仿真模型。

圖5 車(chē)輛雷達(dá)特征仿真模型Fig.5 Simulation Model of Vehicles’ Radar Characteristiscs

續(xù)圖5

車(chē)輛雷達(dá)隱身賦形方案如圖5b所示，針對(duì)主要威脅方向，發(fā)射筒與設(shè)備艙采用一體斜置外形，駕駛室前側(cè)及兩側(cè)采用斜置外形設(shè)計(jì)，玻璃采用屏蔽玻璃，整個(gè)外形方案避免了三面角、二面角、腔體以及鏡面強(qiáng)散射出現(xiàn)在主要威脅區(qū)域內(nèi)。

圖6為車(chē)輛RCS仿真結(jié)果。圖7為車(chē)輛iSAR仿真模型，表2為各模型威脅方向內(nèi)RCS均值計(jì)算對(duì)比。

圖6 車(chē)輛RCS仿真結(jié)果Fig.6 RCS Simulation Result of Vehicles

圖7 車(chē)輛iSAR仿真結(jié)果Fig.7 iSAR Simulation Result of Vehicle

表2 各模型威脅方向內(nèi)RCS均值計(jì)算對(duì)比（單位：dBsm）Tab.2 RCS Mean Value Contrast of Each Model in Threat Direction

由圖6、圖7、表2仿真計(jì)算結(jié)果可知：與原車(chē)相比，賦形隱身方案在威脅方向內(nèi)RCS均值降低12.5 dB（車(chē)頭）和11.2 dB（左側(cè)面）；iSAR圖像強(qiáng)散射點(diǎn)亮度明顯降低。與民用車(chē)相比，車(chē)輛賦形隱身方案RCS車(chē)頭方向明顯小于客車(chē)和貨車(chē)?？沙醪降贸鼋Y(jié)論：賦形隱身可明顯提升地面車(chē)輛的雷達(dá)隱身性能；RCS均值明顯低于客車(chē)和貨車(chē)。

5 結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)彈地面車(chē)輛的射前生存是攻防對(duì)抗條件下發(fā)揮武器作戰(zhàn)效能的重要前提條件；采用先進(jìn)的偽裝隱身技術(shù)將成為導(dǎo)彈武器裝備發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文研究了導(dǎo)彈地面車(chē)輛雷達(dá)偵察威脅角域，提出了主要威脅擦地角范圍為20～70o，為雷達(dá)賦形隱身提供了依據(jù)；分析了地面車(chē)輛雷達(dá)暴露特征，探討了地面車(chē)輛目標(biāo)特性控制方法，針對(duì)地面車(chē)輛原型、賦形隱身方案和民用車(chē)輛進(jìn)行了RCS和iSAR仿真分析，初步驗(yàn)證了賦形隱身有效性，為導(dǎo)彈地面車(chē)輛雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)人員提供參考。

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