【doc】雷达有源隐身技术研究

雷达有源隐身技术研究电子对抗技术?1997?第期技术.在有源隐身技术中,球了干扰方式外,有源对消是一种灵巧的信号消隐方式.主要讨论采样相干手履使目标散射场和人为引入的辐射场在雷达方向相干对消,让雷达接收机始踌处于合成方向图的零点,从而抑制雷达对目标反射回吱的接收这样一种有潭对消隐身技术,计算1相干对消的-直擗特性,功率指标及对消波的幅相取值条件.关键词低可观测性杰婆堡耋直噩苴盥塑苎屯捌挝0引言低可观测性的概念起源于自然界的某些动植物为了生存在进化中形成的一种保护色彩或为躲避天敌进攻而采取的某种伪装姿态.随着雷达的发明及其军事应用的日益加剧,一种以抑制雷达探测为目标的雷达隐身技术便应运而生.低可观测性对抗是一个广泛的概念,是电子战领域诸多对抗技术的总称.低可观测性对抗(LOCM)覆盖了从音频,微波到红外和可见光的大部分电磁频谱.从内容上看,低可观测性对抗商广义和狭义之分.广义的低可观测性对抗是指;凡是抵消,抑制敌方探测我方状态信息或迷惑敌人的方式方法均可认为是这一技术的内容.包括武器摧毁和电子对抗措施用多种主动,被动方式方法减小被探测的概率以及战术上的隐蔽,欺骗措施等.狭义低可观测性对抗是指反电子探测技术,即是我们通常泛指的隐身技术.由于在电子对抗领域主要有声,光,电,热等四种探测器,因此,狭义低可观测性对抗主要分为声对抗,可见光对抗,红外对抗和雷达对抗.雷达对抗只是隐身的内容之一,常称为雷达隐身.从雷达隐身的发展历程看,通过平台的外形结构设计和涂覆雷达吸波材料的无源隐身借施占据了主导地位.由于最终目的是改变敌方雷达所感知到的信号的大小,有理由相信除了无源手段外有源措旅同样可以达到这一目的.在电子战中,有源技术几乎和无源技术长期并肩发展.因为在许多情况下无源技术可能价格昂贵或效果不佳,而具有较大主动灵活性的有源技术在此情况下则可大显身手.相对于雷达无源干扰,各种有源干扰机便是明显的例子.广义地看,凡是能够减小目标信号特征使某一雷达探测发现能力降低的技术均属于本文1997年1月1日收到12邓插建张杰蕾臂选有源藩身技术研究1997年第4期雷达隐身技术范畴.例如采用无源金属箔条或有源杂波干扰使雷达接收机阻塞,从而抑制目标检测;或利用距离,速度拖引,角度欺骗,窄带瞄频干扰,仿自然干扰,高逼真假信号等等手段,使雷达系统不能判断,定位或跟踪目标的所有技术,都属于雷达隐身技术.有源隐身是特指利用有源手段达到这一目的的技术总称.在有源隐身技术中,除了通常所说的干扰方式外,有源对消是一种灵巧的信号消隐方式.它是一种通过相干欺骗的手段来减小雷达接收到的目标回波强度的方法.虽然有源对消不局限于某种固定的对消模式,但本文主要讨论的是那种采用相干手段.使目标散射场和人为引入的辐射场在雷达方向相干对消,让雷达接收机始终位于合成方向图的零点.从而抑制雷达对目标反射回波的接收这样一种有源对消隐身技术.1有源隐身的电磁学基础1933年,箍国物理学家PaulLeug提出用有源办法进行噪声控制的思想.它基于这样一个思想:两列声波叠加会产生相加和相漪性干涉,从而使声能得到增强或减弱.事实上,波的干涉原理在电磁学中早就为人们所熟悉.但是与有源消声相比,有源电磁波对消的难点在于:待消声源的特性为已知,而有源隐身目标的反射特性为未知,不但复杂,且难以测试;声音的传播速度比雷达信号慢得多,后者为光速,因此消声系统的自适应闭环工作方式难以在有源隐身中应用;消声主要应用于一维方式或很小的空间区域(如飞机座舱局部等),而有源隐身则包含了空间环境的很大的立体角范围.有源隐身属于三维空间有源电磁波对消,是一种自适应的实时有源电磁波控制系统.雷达对目标的探测是基于目标的电磁散射特性.雷达反射截面就是对目标在一定方向上反射的功率与入射的功率密度进行归一化处理后得出的度量,这就决定了雷达反射截面的大小与雷达到目标的距离无关.雷达散射截面的数学表达式为=4liner(JPJ0/JE.10)一4linerfJ曰1/I1)(1)式中及茸分别为回到接收点的电场矢量与磁场矢量,蕾与膏则为射电场和磁场矢量,R是目标离雷达的距离.可见,只要通过有源或无源的手段,降低投照到目标或从目标散射回雷达的信号强度,都可以达到雷达散射截面缩减(RcSR)的目的.目标对电磁波的反射基于目标表面感应电流的二次辐射,电磁场理论已经证明,在无源空间中,包围目标的任意闭合球面上的电磁场由目标上的电流分布唯一决定.如果能给出目标表面感应电瘴的数学表达式(初级源),则可以比较容易地进行有源电磁波对消的研究,并找到人为引入实现电磁对消所需的电流源(次级源)的分布和强度.但在实际情况下,初级源分布的解析表达式是很难知道的.根据电磁逆散射理论,若已知一个源的辐射场分布,反过来又可以得到散射体的特性和场源分布.从目标对雷达的隐身看,往往只需雷达所在的一个小的立体角范围内实现电磁波对消,此时也只需给出这一特定区域的远区电磁场数值郎可.那么,能否在给定初级源的远区辐射场值条件下,设计一个(或一组)强度和分布适当的次级源,使后者同初级源在某一方向上的远场特性一样但反相,从而实现干涉相消呢?目标表面感应电流的近区辐射场由目标的RCS来表征.从理论上讲,目标在不同方向的RCS数值可以精确地测到,而瞬态的雷达入射场也可以通过平台上的传感器精确渊电于对抗技术?997?第4期到.这样.报据RCS的定义(1),目际在雷达方向上的散射场就确定了.从理论上讲,在雷达方向与散射场相干但相位相反的场总是可以产生出来的,因此,有源电磁波对消在理论上是成立的.实际有源隐身效果将主要取决于雷达信号参数测量精度和对消辐射源参数的控制精度.有源隐身的工作过程如图1所示;平台上的侦收天线及信号处理系统快速,准确地测量出入射雷达波的频率,相位,幅度,波形,极化形式和雷达的空间位置等,在中央处理机的协调控制下从目标特性数据库中提取出在该雷达波照射下平台的反射特性,从而实时地自动产生具有合适强度,频率,相位,极化和波形的附加电磁辐射,利用相干波的干涉效应,在雷达接收天线处抵消目标原有的回波.有源隐身是自适应的电磁波对消系统,是一种特殊的相干干扰手段.围1有源隐身原理框图2有薄隐身的相干辐射特性复杂目标受雷达波照射后,向各个方向的散射能量是不同的,难以用一个方向性函数来完整描述.但是,当目标静止,入射雷达波的频率,极化,方向固定后,目标在某一方向上的散射特性也就确定了.此时使得对这一特定方向的辐射函数的描述成为可能,并可由此引入人为的辐射源,在这一方向上实现辐射图的相干抵消.目标运动或入射雷达波的参数变化之后,引入的辐射源的特性要随之而变,而这些变化都可以事先存储在目标特性数据库中,供对消源实时产生所需的辐射图调用.对有源隐身数据库而言,希望存储目标受雷达照射后在雷达方向的散射特性,以将合成后的辐射方向图的零点对准雷达.为便于分析目标等效的反射源和人为引入的对清源的相干辐射特性,假设有两个间距为L,等幅反相激励的各向同性单元,如图2所示,它们在任意方向的辐射特性与目标在雷达方向的反射特性相同.当它们对空间作各向同性的辐射时,空间合成场的归一化振幅为E(口)=sln(华si埘)(2)这里是从法线方向算起的角度.按角的变化而绘出的波瓣特性也同时给出,图中假设L/一4.波瓣随着1I的增加而加宽,在一0地方出现波瓣的零点,所有波瓣具有相同的幅度,出现的位置由slnO=4-给出,式中/72是整数.对于一90.<口<+90给定的半空间,有2m个波瓣.从图2可知,反射波和对消波的合成场是两个矢量的空间叠加的结果,是一个多瓣的方向图.在最小方向两个矢量反相相加,所有最小点为零.波瓣的多少与Lta的倍数有关,Lta越大,瓣数越多.有源隐身的目的是让反射波和入射波合成后的方向图零点对准雷达,并不是实现全空间的目标散射场抵消,在某些方向上散射波的强度可能得到了加强.实际上,有源隐身的对消源尽量保证有宽主瓣,低剐瓣的辐射图,并让主瓣对准雷达方向.当对消源和雷达方向等效的反射中心重合,即工=0时,对消的结果是在雷达方向实现了零电磁波图,而不改变目标原来的散射场分布.对消源和反射中心的间距增加将导致波瓣数增多,雷达方向辐射图零点所对应的立体角减小,不利于在大的空间范围实现有源隐身.当雷达不位于等效反射中心和对消源连线的中垂线上时,为补偿波程差,对消波同反射波的相位差就不会是180,而是其它某个适当的数值.3有源隐身的幅相条件尽管真实的雷达目标是由大量的单个反射体组成,但在某一给定的频率上,雷达接收天线口面处的回波总是这些反射体回波的矢量和,因此,雷达目标的散射截面也有个等效质?f,-,本节讨论辐射源与等效辐射中心重合时对消信号应满足的幅度,相位条件.在有源隐身中,设目标向雷达方向等效的反射信号幅度为A,人为通过有源方式引入.一个等效的反射信号幅度为B,二者的频率相同且相应的初相位为甲和铀,则合成场的幅度c为,C=l/百e+/百e地l.(4)即.c=A11+鲁+2鲁cos(弛一酬(5)控制有源隐身系统的发射功率可控6jB的大小,同时控制相位弛,就可进行寻优,以达到最佳控制.当取最佳参数f旦一1A0为整数)(6)【弛.饥=(2+1)F时,c=o,即在雷达方向有效地实现了雷达目标反射回波的对消.计算表明.与两信号的幅度比值相比,叠加结果或隐身的等效目标反射截面对相位差更为敏感.当两信号相位差小于或接近于120时,隐身效果很差,甚至使合成信号加强?目标成为信标.如图3所示,当矢量葫和蕊等幅反相时,可以完全对消当两个矢量幅度相同,但刁茵相对于石齑在180的相位差基础上有60的变化时,如矢量弓孝所示,此时三角形OCD为等边三角形,合成矢量刁西的幅度与西j相同.若相位差与180的差超过60.,则合成后矢量的幅度将大于原矢量幅度,对消信号起目标回波增强的作用.然而有源对消对相位要求的宽容度远优于两点源反相相干技术对相位的要求,因为两点源相干干扰除了要求大的功率外,还对等幅和180相位差的条件要求比较苛刻,以导致最大的波前畸变.在有源隐身中,只要目标回波和对清波的幅度和相位满足一定的条件,则可保证合成信号的幅度低于目标本身的回波信号强度,起到一定的有源隐身作用.幅度和相位的变化范围如图4所示.图4的横轴是两个信号的幅度比,纵轴是两个信号可以容许的相位差.可见,在等幅情况下,相位的变化范围最大.为2r/3至4r/3;随着幅度比的增大,相位的变化范围越来越小-当幅度比为2时,对消作用为零.有源隐身的幅相取值条件为一弹头状.4有源隐身的功率源有源隐身是一种相干干扰措施,它既不同于相干假目标干扰又不同于两点源相干干扰.我们知道,常规的两点源相干干扰需要很大的干扰功率,因为相干干扰要在两信号相16邛掏建张杰儒r雷选有源隐者技术研究1997年第4期位相反,幅度接近相等时才有大的干扰效果,也就是相位畸变区正是两信号互相对消后其合成信号最小的方向,这时干扰信号还要大于目标回波一定的倍数,因此干扰机必须具有很大的功率.其次,为了产生好的干扰效果,需要把两个干扰源的间距增大,这样又受到目标尺寸大小的限制.有源隐身则不然,由于目标反射方向圈在雷达方向的电平一般不高,实现隐身相干干扰所需要的功率也就很小.目标的反射有一个等效质心,若在相距该质心L处配置对消辐射源,这样,有源对消设备实际上也是一部反相干扰机,只不过有源对消设备所需的干扰功率很小,且随着雷达照射角的不同而变化.现假设RCS为口一10000m的某大型目标被雷达照射,雷达距离为R=150kin,峰值功率为只一10W,收发用同一副天线,增益为G=21.5dB,目标上的有源隐身干扰机的功率和增益分别为PJ和G,实现有源隐身,只需干信比J/S为1即可.根据干扰方程,S一PG4可以计算出干扰机的等效辐射功率P,一5w.对这样低等效辐射功率的干扰机,无论是技术实现还是各种场合应用,都是及其方便的.有源隐身措施除了降低雷达接收的信号电平外,同时也满足两点源相干干扰的条件,即婕雷达还能接收信号,也会对其产生角度欺骗的效果.在空间中,两个信号以180左右的相移到达的所有点上辐射的波前要发生畸变.两个信号的幅度越是相当,畸变越明显.雷达对准的近似为一个弱辐射圈的零点.即使幅度和相位难以精确保证,也可以给雷达造成一种角度上的闪烁和欺骗.况且,这样一个低的电平也不容易让反辐射导弹跟踪.5结语对有源隐身技术的研究,国内副在理论上开始探讨,工程技术方面的研究处于空白.国外在隐身技术领域的研究高度保密.据报道,美国B一2隐身轰炸机上的ZSR一63防御辅助电子设备涉及有源隐身技术,预计它能主动发射电磁波从而消除照射在机体上的雷达能量反射,其工作原理类似于主动有源噪声捎除系统.据悉,美国的21世纪空中优势战斗机F一22除了首次采用整架飞机的计算机模拟进行RCS数值分析以降低可观测性外,在战斗状态下敌方雷达开机后还有进一步降低其RCS的功能,估计就是某种有源隐身措旅.但是,正如前面所述,有源隐身是一个广义的概念,不仅仅局限于目标回波的有源对消或一种集式的对消方式.由于雷达抗干扰能力的需要,某些雷达接收机只检测属于雷达的特定调制的信号,于是最近又提出了一种称之为类隐身的有源隐身技术,即是让目标表面回波附加以某种调制或寄生某种信号,使雷达接收机无法识别回波.有源隐身是一种相对经济,有很大潜力的技术,根有研究的必要.如果这项技术有所突破,再和有源干扰,无源干扰结合起来,那么由于有源隐身已把目标的反射截面大为降低,因而有源干扰在与不隐身的同样干扰效果的情况下所需的干扰功率将大大降低(与口降低同样的倍数),而在相同的干扰机和无源干扰等效反射面积时.有源隐身的干扰有效区域将扩大.因此有源隐身是一种非常有吸引力的技术.然而,有源隐身毕竟是一项新技电于对抗技术?1997?第4期17术,但就其本质而言,还是属于有源干扰范畴.有源干扰的有些技术可直接用到这一领域,如:角跟踪,精测向,信号放大,信号处理,信号跟踪技术等等有些技术虽然不能直接用于有源随身,但可以作为技术基础再加以研究,使之用于有源隐身.参考文献1卢凌.舰船的黑色工程现代舰船隐身来.电子科技导报?1996(2)?20-222陈克安.马远良.自适应有豫噪声控制原理,算法及实现.西安西北工业大学出版社,19933昊晓葆等.冒进有源隐身技术研究.电子对抗?1995(4>?38474强德文.飞机的电子隐身和反隐身.电子部第二十九所学术年会论文,19955顾耀平译.电子设备的保护系统.美国专利52372386黄志询.对电磁波隐身.电子科技导报,1996(7)?30337E.F.Knott奢冒进散射截面预估,测量和硪缩.北京-电子工业出版社,19888D.RiclIardson.现代隐身飞机.北京-科学出版社,1991,24-57日本请求E-2C升级日末政府已请求为其13架E一2c鹰眼侦察/监视飞机升妞,使其扩展机载疆警来境保持战备状态.负责E-2C生产及升妞的主承包商诺斯罗普鲁王公司的一位官员解释说,谖机队的使用期限和可支援性是其升鼓请求主要因素.如果畚同蛙续生效,日末的这些鹰眼飞机将接受现代化的第二组任务设奋改装组件,其中有AN/APS-145雷达,奋用件及维修部件,人员训练及训练设备,出版物及技术数据,泰统软件开发与安装,新丰境改进部分的测试以及美国政府和承包商的I程与后勤服务.美国国防部的一份奋忘录估计,这一升衄合同可能价值4亿美元.美国海军的E一2c机队目前正在诺斯罗普格鲁王公司的圣臭古斯丁厂接受妻似的升鼓改造.被公司已再次开始生产这种历史悠欠的飞机,它的原型机的首次飞行是在1971年,最新一抽E一2C飞机已于今年3月完成首次飞行.这些刚生产出来的飞机装有T56-A-427发动机,这种发动机可保证续航时间更长,范围更宽及高度更高等性能.徐了美国和日末,以色列,块夏,新加坡以及台湾都部署有E一2c鹰眼飞机.(肖)用F一14论证吊舱式数字侦察系统1995年8月,当时海军作战部的负责人杰里束?布达助理副部长直接命令海军陆战队需求官员,蛤海军和海军陆战队的提供实时或近实时图像中娃能力的侦察飞机,谖命令已成功执行,并且在最近用海军F一14飞机飞过美国国防部上空的方式进行了演示论证.接受这啊争争的美国海军陆战队迈克?罗勃中校说,论证期间,布达上将亲自命令他起草一份计划,蛤海军/海军陆战队提供具有先进空对地成像能力的侦察机.计划的结果已于今年春天给大抽军事官员和记者们演示过1.两架装有战术空中伯察吊舱丰境(TARPS)的Fl4飞机仅用1短短几分钟就将TARPS数字照像机拍摄的清晰的国防部