西电电磁散射大作业

电磁散射与隐身技术导论课程大作业报告学院：电子工程学院专业：电子信息工程班级：学号：姓名：电子邮件：日期：2013年06月成绩：指导教师：电磁散射与隐身技术在军事领域的应用引言：隐身技术在外科手术、军事航空等多个领域中获得广泛的应用。已经应用的隐身技术主要集中在外形隐身、材料隐身等方面。比如在无人机上的隐身技术的应用、飞机隐身技术和舰艇雷达隐身技术的隐身技术。分析了产生隐身的机理，并阐述具体如何应用电磁散射达到隐身目的。主要从飞机隐身技术，包括在无人机上的应用及水面舰艇雷达隐身技术阐述了隐身技术在军事领域的应用的进展情况。一、飞机隐身技术及雷达对抗1.隐身飞机的发展[1]国外隐身技术的研究始于第二次世界大战期间，起源于德国，发展于美国，并扩展到英国、法国、俄罗斯及日本等发达国家。迄今为止，美国已研制出10余种准隐身飞机、8种隐身飞机、12种无人驾驶隐身飞机、7种准隐身垂直、短距离起落飞机，其中F-117A隐身战斗机、B-2A隐身轰炸机和F-22先进战术隐身战斗机是隐身飞机家族中的杰出代表，它们均采用了不尽相同的隐身技术，代表了飞机隐身技术的不同发展阶段。目前美国的隐身飞机技术处于国际领先地位，俄、德、法、英、瑞典、加拿大和日本等国家对隐身飞机的研究也在迅速发展中。现役隐身飞机中，只有F-117A和B-2A经过战争的检验，它们被证明是技术性能卓越、作战功能强大、具有超级突防能力的作战飞机。F-117A的雷达反射截面积小，只有同等大小作战飞机的1%，其机载设备先进、武器功能强大，可保障在复杂气象条件下，临空突击敌防空体系中的导弹和雷达阵地，以及防守严密的战略要害目标，精度高，毁伤威力大。1989年12月F-117A首次用于实战，参加了美国对巴拿马的军事行动，遂行轰炸任务。据外电报道：“尽管巴拿马对空监视雷达昼夜24小时都处于高度戒备状态，但仍然毫无察觉。”1991年45架F-117A参加了海湾战争，出动1296架次，约占总轰炸架次的2%，但却轰炸了战略清单中40%的目标，并且它所遂行的轰炸任务都是非隐身飞机难以承担的。1999年3月，24架F-117A参加了科索沃战争，战果不菲。但是，3月27日深夜，南联盟军队击落了1架F-117A，这是F-117A首次被击落。B-2A具有很强的隐身能力、超远程的作战能力和强大的突击能力。它既能进行临空打击，也能进行防区外打击。在科索沃战争的首轮空袭中，2架B-2A从美国怀特曼空军基地经空中加油用31小时飞抵南联盟上空，每架飞机投掷了16枚“联合直接攻击弹药”（JDAM），这是B-2A第一次用于实战。6架B-2A共出动49架次，投射了650枚“联合直接攻击弹药”，命中精度高，具有极高的效费比。据计算，用攻击机携带普通炸弹摧毁1个目标通常需要6架，摧毁8个目标约需48架。同时，还需要32架飞机为其压制敌地面防空兵器，40架歼击机为其护航，再加上电子干扰飞机、加油机等，约需出动140架飞机。现在，1架B-2A只需携带8枚GPS卫星制导炸弹，一次即可摧毁8个目标。无论是F-117A还是B-2A，都用其出色的实战效果向世人证明了隐身飞机是未来高科技战争中的重要力量。1996年11月，美国空军发表了名为“全球作战”的新的战略计划，其中，对未来战斗机的基本要求为：①生存能力强；②打击精度高、威力大；③具有持续作战能力。因此，美空军认为，未来的战斗机必须是隐身的，到2015年，应组成以F-22、F-35和B-2A等隐身战机为核心，空、天一体化有人驾驶和隐身无人机混合编成的战斗机群，以保持其航天和航空优势，提高全球打击能力。隐身技术与星球大战、核技术被美国列为国防的三大高科技领域。2.隐身飞机的雷达隐身机理[2]飞机隐身技术包括雷达隐身技术、红外隐身技术、电子隐身技术、可见光隐身技术、声波隐身技术、电磁隐身技术等，由于现代防空体系中最为重要、使用最广、发展最快的探测器是雷达，因此，雷达隐身技术成为最主要的隐身技术。雷达隐身技术的核心就是降低目标的雷达散射截面积（RCS）。雷达的最大探测距离与RCS的关系可用下式表示:飞机隐身技术及其雷达对抗措施装备研究Rmax=[1/4Pt·Gt2·λ2·σ（4π）3·Pr]式中Pt为雷达发射功率；Pr为雷达接收功率；Gt为雷达天线增益；λ为雷达工作波长；σ为目标雷达散射截面积。（1）外形隐身技术外形隐身技术就是在一定的约束条件下设计军用目标各部件和整机的外形，使它的RCS最小，主要理论依据来自目标各部件的电磁散射机理，目前采用的主要措施有：①采用翼身融合体，全埋式座舱和半埋式发动机，使机翼与机身、座舱与机身平滑过渡，融为一体；②机翼采用飞翼、带圆钝前缘的V型大三角翼、低置三角翼、平底翼融合体以及活动翼结构等；③努力减少飞机表面能造成散射的突起物、取消一切外挂武器和吊舱，将外挂设备全部置于机内；④借助机身遮挡强的散射源，将发动机进气口设在机身背部，进气道采用锯齿形；⑤座舱盖镀上金属镀膜，使雷达波不能透射入座舱内部；⑥采用倾斜双垂尾或V型尾翼；⑦采用尖形鼻锥；⑧改进天线罩，采用可收放天线等等。（2）材料隐身技术材料隐身技术就是采用能吸收或透过雷达波的涂料或复合材料，使雷达波有来无回、多来少回。目前主要使用的是雷达吸波材料，此类材料可将雷达波能量转化为其他形式运动的能量，并通过该运动的耗散作用转化为热能。美国的B-2A、F-117A和F-22等隐身飞机均在金属蒙皮、机翼前后缘、垂尾和进气道等强回波部位大量使用吸波材料来减小RCS。（3）对消技术对消技术是通过目标产生与雷达反射波同频率、同振幅但相位相反的电磁波，与反射波发生相消干涉，从而消除散射信号。对消技术分为无源对消技术和有源对消技术。无源对消技术是采用特殊外形或材料等无源隐身技术手段产生干涉波的对消技术；有源对消技术是利用在目标上装备有源对消电子设备，以产生适合对消的电磁波，通过相消干涉减弱或消除反射波。（4）等离子体隐身技术等离子体隐身技术的原理是当对方雷达发射的电磁波遇到等离子体的带电粒子后，便相互发生作用，电磁波的部分能量传递给带电粒子，其自身能量逐渐衰减，其余电磁波受一系列物理作用的影响，绕过等离子体或产生折射，使电磁波探测失去功效。例如，俄罗斯共研制出三代等离子体隐身系统，美国休斯实验室也进行了这方面的实验。3.隐身飞机的作战特点由于隐身飞机对预警探测系统具有隐身功能，使敌方战斗准备和反应时间减少到来不及应对的程度，使战役、战斗进攻的主动性和突然性得到充分地发挥，在空袭时机、空袭目标、空袭手段和方式等方面都有较大的选择余地。结合海湾战争、科索沃战争和2003年伊拉克战争中隐身飞机的使用特点和相关现代高科技作战理论，对隐身飞机的作战特点进行总结。4、对抗隐身飞机的困难和可能性对抗隐身飞机的困难主要体现在：探测距离近。由于隐身飞机的RCS大幅度减小，使得雷达的探测距离大大降低，从表2中可见隐身飞机的RCS约是非隐身同类飞机的1/200～1/1000，探测距离理论上下降73%～82%；发现难。其一，由于隐身飞机的进攻路线都经过精心的策划，如利用雷达的盲区、各雷达的衔接处或对其探测概率最低的雷达防区通过，雷达探测困难；其二，在隐身飞机运用战术上一般采用“声东击西”的战术，干扰对方决策层关注重点而忽略其它地域的预警探测，给隐身飞机造成可趁之机；其三，因为隐身飞机生存能力强，通常采用小编队空袭的形式，雷达操纵员容易麻痹大意，很难发现微弱的小目标；其四，电子战飞机的护航，对雷达进行干扰使其难以发现目标；跟踪难。随着隐身飞机距离和雷达对其照射角度的不同，隐身飞机的RCS会发生剧烈变化，将造成目标信号的起伏增大，稳定跟踪困难。但是，隐身飞机并不是不可探测的。1999年3月27日晚，美军的一架F-117A在科索沃战争中被老式的“萨姆”导弹击落，战争实践证明了对抗隐身飞机的可能性。其实，隐身飞机只是在一定条件下的低可探测性，而不是一切条件下均无法探测。例如：（1）隐身飞机的隐身效果不是全方位的，它主要减少从正前方（鼻锥）附近、水平±45度、垂直±30度范围照射时的后向RCS，而目标其他方向特别是前向散射RCS明显增大；（2）针对VV极化雷达的RCS下降多，对HH极化雷达下降少；（3）采用的吸波材料是针对一定频率范围的，一般在1～20GHZ，对其他频段的雷达隐身效果不佳；（4）隐身材料在恶劣的天气或环境下会减弱或丧失吸波能力，降低隐身性能；（5）隐身飞机由于采用外形隐身技术而牺牲了气动布局，因此机动性能较差且载弹量较小，不利于空中格斗；（6）现代高科技战场上，隐身飞机在导航和突防时很难避免电磁信号外泄所造成的行踪暴露，一旦其自身有电磁信号辐射，其隐身性能将大打折扣；（7）由于在作战过程中不宜进行无线电联系，隐身飞机的作战计划和飞行路线相对固定，容易被掌握规律，F-117A在科索沃被击落在一定程度上就是这个原因。可见，虽然隐身飞机给雷达的探测和生存带来了困难，但各种隐身技术并不是无懈可击，其存在的诸多弱点使雷达对抗隐身飞机成为可能。5.隐身技术在无人机上的应用研究[3]雷达隐身技术在无人机上的应用研究目前,各国陆、海、空军大量装备了远程搜索和目标指示雷达,防空导弹、高炮大部分是由雷达引导攻击,因此,雷达隐身技术是无人机隐身技术研究应用的主方向。（1）雷达隐身原理无人机对雷达的隐身性能指标主要是雷达散射截面积(RCS),它是指无人机截获雷达辐射功率后,向雷达接收机天线方向散射电磁波能力的量度。不考虑损耗情况下的雷达方程如下式:Rmax=PtGtGrK2RCS(4P)3Pmin1/4(1)式中:Rmax为雷达最大探测距离;Pt为雷达发射功率,Gt、Gr分别为雷达的发射和接收增益,K为雷达工作波长,Pmin为雷达接收机灵敏度。由式(1)分析可知,除RCS外,其它指标都是雷达的性能参数,要想降低雷达对无人机的探测距离,尽量减小RCS是无人机方面可以采取的唯一方法。通过减小无人机的RCS,可以有效降低雷达对无人机的探测距离和发现概率,进而缩减敌防空武器对无人机的打击时间和次数,提高无人机的生存概率。（2）雷达隐身技术在无人机上的应用RCS与许多因素有关,其中包括目标本身的几何尺寸、形状、材料以及目标视角、雷达频率和电波的极化等。通常,目标尺寸越大,其RCS可能越大,但理论分析和试验证明,目标(散射体)的外形对其RCS的大小影响更显著;同时,雷达散射截面积与雷达波长也有关,当飞行器的长度(如翼展)为雷达波长的一半时,其雷达散射截面积很大,最易被雷达探测到。降低无人机RCS的方法主要有:外形隐身技术、材料隐身技术,另外也可以采用电子对抗措施和其它技术等。1)外形隐身技术外形隐身技术是最直接有效的手段,需要与无人机的气动外形设计相结合。外形隐身设计可以在一定角域范围内显著减小RCS,其遵循的主要原则包括:消除角反射器效应的外形组合;消除或减少有害散射源;变后向散射为非后向散射;由边缘衍射代替镜面反射;合理使用平板外形及采用有效的遮挡和屏蔽;尽量缩小飞行器尺寸等。2)材料隐身技术雷达发射的电磁波碰到金属材料时易感应生成同频电磁流并建立电磁场,向雷达二次辐射能量。材料隐身设计通过使用能够吸收衰减电磁波的复合材料,将电磁能转化为热能耗散掉或是造成电磁波因干涉而消失。材料隐身设计的两个关键问题是:一是入射波能够最大限度地进入材料内部而不被表面反射;二是进入材料内部的电磁波能够迅速地被材料吸收衰减。无人机常用的吸波结构材料有:聚氨基甲酸酯泡沫和芳纶环氧树脂蒙皮、玻璃钢蜂窝芯和石墨复合材料蒙皮等。3)电子对抗措施有效利用雷达电子对抗措施可使无人机的生存能力提高40%以上,常用的雷达电子对抗设备包括告警装置、干扰和欺骗装置等。目前一些高空长航时无人机已经装备了电子对抗设备,小型无人机由于载荷有限,一般无法加装电子对抗措施。4)其它技术在传统隐身技术研究基础上,各国正在探索一些新的隐身机理,如等离子体隐身技术、微波传播指示技术等,但在无人机上的应用还比较少。二、水面舰艇雷达隐身技术[4]1、所谓隐身技术,就是降低目标的探测概率,或者说是对散射波辐射强度的减缩