隐身技术的发展及应用

隐身技术的发展及应用摘要：介绍隐身技术带来了军事装备的变革，并探讨有源和无源隐身原理，并重点介绍了无源隐身中利用理想对消特性、频率差将破坏相干性、相位差的影响、幅度差的影响，以规避雷达对目标的检测。接着分析了隐身技术的现状及其原理，分别从可见光隐身技术、声波隐身技术、雷达隐身技术、激光隐身技术及红外辐射隐身技术方面介绍了当前所采用隐身技术的原理、方法及其应用。通过采用可见光、红外及激光隐身兼容技术，更好的达到隐身的效果，即可得隐身兼容技术才是隐身技术的发展方向。隐身技术迅猛发展，新的隐身方法和技术应运而生。仿生技术、等离子体隐身技术、“微波传播指示”技术及智能隐身技术丰富和扩展了隐身技术的领域。在新的隐身方法中，重点介绍了等离子体隐身技术这一典型事例，通过介绍其原理、方法，以及在军事装备上的应用，以便我们把握这一隐身技术的发展方向。隐身材料的开发和利用一直是隐身技术发展的重要内容，是飞机等隐身兵器实现隐身的基石，接下来介绍了正在研制开发的新型隐身材料：宽频带吸波剂、高分子隐身材料、纳米隐身材料、手征材料、结构吸波材料及智能隐身材料。新的隐形材料的研制，必将推动隐身技术迈向新的台阶。隐身技术与反隐身技术的发展，是相互制约、相互促进的，无论哪一方有新的突破，都将引起另一方的重大变革。最后，我们探讨了当今反隐身技术的发展，以及探讨反隐身技术的方法：采用长波低频雷达探测技术、采用激光雷达探测技术、采用光电探测技术、采用数据融合技术、采用自动化和智能化技术。希望隐身技术和反隐身技术，这对矛和盾，能够加快我国的武器装备现代化的进程。关键词：有效散射截面积（RCS）无源及无源隐身技术等离子体技术1前言在1991年海湾战争中,美空军F-117A隐身攻击机,共出动1296架次,但未损失一架。它出动的架次只占联军出动总架次的2%，但它所击中的战略目标却占全部被联军击中的战略目标的40%。造成这一非凡战绩的原因，除伊拉克防空系统的部署及运作上的不利以外，主要应归功于F-117A的隐身能力。隐身技术的出现促使战场军事装备向隐身化方向发展。由于各种新型探测系统和精确制导武器的相继问世，隐身兵器的重要性与日俱增。以美国为首的各军事强国都在积极研究隐身技术，取得了突破性进展，相继研制出隐身轰炸机、隐身战斗机、隐身巡航导弹、隐身舰船和隐身装甲车等，有的已投入战场使用，在战争中显示出巨大威力。2隐身技术的概述现代无线电技术和雷达探测系统的迅猛发展，极大地推动了战争中的搜索、跟踪目标的能力，传统的作战武器所受到的威胁越来越严重。隐身技术作为提高武器系统生存、突防，尤其是纵深打击能力的有效手段，已经成为集陆、海、空、天、电磁六维一体的立体化现代战争中最重要、最有效的突防战术技术手段，并受到世界各国的高度重视。隐身技术(又称为目标特征信号控制技术)是通过控制武器系统的信号特征，使其难以被发现、识别和跟踪打击的技术。即以削弱己方武器系统的观测特征，使敌方的探测器不能发现目标，或使探测距离大大缩短。一般认为隐身主要包括减少目标的雷达特征、红外特征和电视特征等，其中减少雷达特征主要是减少目标的有效散射截面积（RCS）。雷达目标(飞机、导弹或军舰等)的隐身方法可分为有源和无源隐身两大类。迄今为止，西方军事强国，经过几十年研究与实践，对飞机、军舰的无源隐身技术已达成熟阶段；无论采用外形控制隐身，还是涂层吸波隐身，已从微波频段、热频段到光频段，无所不在。著名产品有F-117A。近年年来，随着微型高速计算机技术的发展，有源隐身技术也有了实质性的突破。2.1无源隐身原理无源隐身是利用外形特征和(或)涂吸波材料等来减小目标的有效雷达截面积，使探测雷达处理不了接收到的微弱回波信号，从而达到隐身的目的。根据雷达方程可计算得出采用雷达隐身技术后的最大探测距离与目标有效雷达截面积的关系为:1/422311/42231/41/41R=P/(4)PP/(4)P*trtrGGK式中,Pt为发射功率；Pr为接收功率；G为天线增益；为雷达工作波长；为有效雷达截面积；1R为雷达最大探测距离；1/42231P/(4)PtrKG即目标采用隐身技术后与雷达参数有关的系数。由式（1）看出，1R与成4次方根关系，若降低目标有效雷达截面积，则雷达的探测距离1R就将减少。如雷达散射截面减小到1/4096，那么雷达的探测距离便缩短到1/8。可见，采用了隐身技术后，对敌方雷达的探测影响很明显。2.2有源隐身原理有源隐身技术是雷达目标利用装载的有源设备发射倒相回波，在雷达接收机天线处与目标真实回波相抵消，从而减弱雷达接收到的目标真实回波，达到雷达隐身的效果。即利用了相参信号的干涉效应，改变目标的散射分布，以减小雷达方向散射功率密度的一种隐身技术，如图1所示。雷达入射至日标的场强是iE（幅度相为（00,,iE）），目标反射场强为（00,,rE），目标有效反射面积为0；目标有源设备发出的无延迟场强为s11(,,)sEE，其相应的等效反射面积为1。目标反射面积的一般定义为2202E4RriE在目标回波中加人有源设备发出场强sE后，目标的综合反射面积变为:2221101001000E4R12cosrsciEtt（+E）式中，0t为有源设备发出对消回波的时延,1为有源设备发出对消回波的相角，1为有源设备发出对消回波的角频率，而2s12E4RiE2.2.1理想对消特性在有源设备发出对消回波与反射回波全相参、无延时的情况下100,(t0))（，这时相位差10将决定目标综合反射面积c的大小。最佳对消特性应由有源设备控制输出功率就可控制1(通过控制幅度Es)，同时控制输出相位1寻优，以达最佳控制。当达最佳对消系数时，有10101()k（2k+1）为常数(5)按式(3)算得c0，即在雷达方向有效地实现了目标的完全隐身。这是理想的目标回波的对消特性。影响有源对消效果的诸因素中，频差10()影响最大，其次是初相差(10)，幅度差和对消回波延迟。2.2.2频率差将破坏相干性目标回波是若干脉冲周斯rnT积累相加的，对全相参信号而言，当角频差10较小时，积累相加会出现一些新特性，若载波初相差10K（+1）,回波列以取样函数rn（t-nT）表示，则积累相加合成场为010E2sinsin()2,nttrEnaaT(6)或220nE4Esin()sin()mmana（7）仅在a为整数时，以上两式才同时为零，即达最佳有源对消；a为其他数值时，有源对消效果与脉冲积累数有关，m很大时(如100个)，回波积累对消效果基本消失。2.2.3相位差的影响当010,cc随变化的归一化曲线为:20lg20lgsin/2cdB(8)在0180时，对消效果最好，0；而当090时，则0/245，0sin450.707,3dB。说明相位差偏离的奇数倍越远，有源对消效果越差。3.4幅度差的影响当K+1（2）,且取10m，则c的归一化曲线可表示为:20lg1m（dB）(9)在(0,2)m时，均产生有源对消、目标反射面积缩减的效果。该曲线在m=1附近变化剧烈。如在1m0.3210;1m0.0330dBdB时，而时，。3隐身技术的现状及原理通常所说的隐身技术，即目标特征信号减缩技术或被称为“低可探测技术”。表示目标特征信号的物理量主要有，光学可见度、噪声强度、雷达散射截面（RCS）、红外辐射强度。以此，目前利用的隐身技术主要可分为可见光隐身技术、声波隐身技术、雷达隐身技术、红外隐身技术及激光隐身技术。3.1可见光隐身技术可见光隐身，就是降低军事装备本身的目标特征，使敌方的可见光相机、电视摄像机等光学探测、跟踪、瞄准系统不易发现目标的可见光信号。采用可见光隐身技术的目的，是通过减少目标与背景之间的亮度、色度和运动的对比特征，达到对目标视觉信号的控制，以降低可见光探测系统发现目标的概率。可见光隐身技术手段主要采用迷彩、伪装技术，在武器系统表面涂上与背景颜色相近的迷彩，或者在武器表面罩上网。试验表明，涂敷迷彩具有相当好的隐身效果，如用微光夜视仪观测1000m处坦克的发现概率,无迷彩时为77%，有迷彩时只有33%。现代迷彩兼有吸波作用，不仅可降低坦克的可见光探测概率，还可减弱坦克的红外辐射。伪装网是一种通用性的伪装器材，主要用来伪装常温状态的目标，使目标表面形成一定的辐射率分布，以模拟背景的光谱特性，使之融于背景之中%同时在伪装网上采用防可见光的迷彩，可更有效对抗可见光侦察、探测和识别。此外，各国正在研究各种新的可见光隐身方法，如美国正研究一种电致变色涂敷材料，用不同的电压控制时，材料将显示出不同的特性，使武器颜色随背景变化。3.2声波隐身技术声波隐身技术，也称为听觉隐身技术。隐身武器应具有低声特征信号的隐身特点，以用来对抗性能和种类日趋完善的防御探测系统。飞行器作为主要武器系统之一，它的噪声主要由螺旋桨／旋翼的旋转和涡流噪声，发动机进气、排气、燃烧的噪声，机体空气动力尾流噪声以及涡流噪声等声源组成。尤其是直升机，因为其飞行高度在50m左右，为了避免被侦测到，同时也避免声触发地雷和导弹的打击，降低噪声是极为重要的。另外对低空无人机和潜艇来说也存在同样的问题。针对噪声源，可应用以下降低噪声的措施：（1）减震结构：通过采用具有减震作用的蜂窝夹层结构或镶入减震材料，降低噪声源引起的噪声。（2）整流结构：设计由许多流线型叶片构成的隔栅，纠正气流的不均匀流动，降低高频谐振。（3）吸声结构：以吸声材料制成的密集角锥，可以有效地吸收产生的噪声。降低噪声的措施有时与降低RCS的措施及抑制红外辐射措施是结合的。3.3雷达隐身技术雷达隐身技术是以电磁波散射理论为基础,为了不被雷达发现,最有效的办法是减少飞行器的雷达截面积RCS。即采取各种措施使目标在雷达探测波束照射范围内具有极小的雷达截面积，大幅度减少可被敌方雷达接收机截获的电磁波能量，使雷达对目标的探测距离缩短，从而达到隐身的目的。被实践证明行之有效并投入实用的隐身技术有：外形隐身技术和材料隐身技术。雷达外形隐身技术的主要理论依据来自目标各个部件的电磁散射机理，利用计算机辅助设计等现代设计手段，对飞机以及其他装备进行设计，在保持一定性能的前提下，使其被探测的雷达截面积最小。3.3.1外形隐身技术在气动力允许的条件下，改变飞行器外形，使其在特定的照射角度范围内显著降低特定照射角度范围内的RCS的技术成为外形隐身技术。其采用的方法通常如下：（1）飞机的机翼、机尾和机身之间的结合都是能产生角反射器效应的部位，可采取翼身融合体结构，V型尾翼或倾斜式双立尾结构等方法。（2）变后向散射为非后向散射，采用后掠翼和三角翼结构对付正前方入射光。（3）用边缘衍射代替镜面反射，尽量使机上造成镜面反射的部分平滑，使之形成边缘衍射而无强反射。（4）用平板外型代替曲面外形，减少散射源数量。可将飞机的机身、短舱等处向扁平方向压缩或做成近似三角形机身。如图2，用倾斜的平板组成的多面体机身代替常规的二次曲面机身，可将入射到机身的雷达波的大部分能量偏转到在一定的角度范围内，雷达接收不到的方向上，雷达接收到的只是很弱的回波e，因此可显著降低机身的RCS。3.3.2材料隐身技术利用材料对电磁波的通透性能、吸收性能及反射性能实现降低RCS的目的，属于材料隐身技术。1吸波材料的应用吸波材料技术通过吸波材料吸收照射在飞机上的激光，其吸波能力取决于材料的导磁率和介电常数。吸波材料从工作机制上可分为两类，即谐振（干涉)型与非谐振型。谐振型材料中有吸收激光的物质，且其厚度为吸收波长的1/4，使表层反射波干涉相消。非谐振型材料是一种介电常数、导磁率随厚度变化的介质，最外层介质的导磁率近于空气，最内层介质的导磁率接近于金属，由此使材料