張寅，李忠，戴德山

(華中光電技術(shù)研究所?武漢光電國家研究中心，湖北 武漢 430223)

0 引言

隨著隱身探測技術(shù)的發(fā)展，雷達探測技術(shù)作為遠距離先敵探測的主要技術(shù)手段，其應用日益廣泛，對飛機、艦船、潛艇、坦克等武器裝備的作戰(zhàn)生存產(chǎn)生了嚴重威脅。為此，世界主要軍事國家都對反雷達探測技術(shù)即雷達波隱身技術(shù)展開了研究，并廣泛應用于武器裝備中[1]。

潛用光電設備安裝在潛艇舷外，作為潛艇在水下航行時少數(shù)暴露在水平面上的設備，其隱身性能的好壞直接影響潛艇的隱身性能。因此有必要對潛用光電設備開展隱身設計研究，提高其雷達波隱身性能，進而提高潛艇安全與作戰(zhàn)生存性能[2]。

雷達波隱身技術(shù)主要包括外形隱身技術(shù)、材料隱身技術(shù)、無源和有源對消技術(shù)等[3]。無源對消技術(shù)由于適用頻段太窄，有源對消技術(shù)由于使用太復雜而難以在潛用光電設備上實施。本文結(jié)合雷達波散射機理，首先從結(jié)構(gòu)外形影響因素、隱身材料方面對雷達波隱身性能的影響進行分析，然后從外形隱身技術(shù)和材料隱身技術(shù)2 個方面對潛用光電設備進行雷達波隱身設計研究，探索潛用光電設備雷達波隱身設計發(fā)展的方向。

1 雷達波隱身技術(shù)分析

1.1 雷達波散射機理

雷達散射截面（Radar cross section,RCS）定義為在單位立體角內(nèi)目標朝接收方向散射功率與從給定方向投射到目標的平面波功率密度之比的4π 倍[4]，即是一種假想面積。

將散射功率歸一化處理使得由于散射波以球面擴散引起的衰減不致成為計算雷達散射截面的一個因子，則雷達散射截面可以表示為[5]：

式中：上標i，s分別表示入射場、散射場；E，H分別表示場功率、場功率密度、電場強度、磁場強度。

按照基于雷達測量觀點，收發(fā)天線位于同一地點，可得到目標雷達散射截面σ的表達式為[6]：

式中：A為天線的接收有效面積，m2；Pi為發(fā)射功率；Ps為散射功率；G為天線增益；R為雷達的作用距離。

從上式可以看出，目標的雷達截面積與雷達的作用距離的4 次方成正比，如果隱身目標是降低雷達探測距離50%，則需雷達截面積減小到原來的1/16。

根據(jù)電磁波理論中雷達散射截面與波長關系，在高頻區(qū)（光學區(qū)），目標散射體各個部分之間累計的相互影響很小，一個散射體可作為各獨立的散射中心的集合來處理[7]。幾何形狀比較簡單的物體，如球體、圓柱、錐體等，可以直接計算出它們的雷達截面積。對于復雜目標，如飛機、艦艇、地物等，其雷達散射截面是視角和工作波長的復雜函數(shù)。尺寸大的復雜反射體常近似分解成許多獨立的散射體，每一個獨立散射體的尺寸仍處于光學區(qū)，各部分沒有相互作用?？偟睦走_截面積是各部分截面積的矢量和[8]，即

式中：σk為第k個散射體的截面積；dk為第k個散射體與接收機之間的距離。

在X 波段頻率，潛用光電設備外形尺寸遠大于波長，因此可以視其為電大尺寸物體，其各個組成部分（如潛用光電設備本體、流線型升降裝置等）可以認為獨立起作用。對于潛用光電設備，其本體與流線型升降裝置部分由于受到約束條件限制，對其能夠采取的隱身措施不同，因此需要對其分別進行隱身設計研究。

雷達隱身技術(shù)主要途徑包括外形隱身技術(shù)和材料隱身技術(shù)[9]，其中外形隱身占隱身貢獻的2/3，材料隱身占隱身貢獻的1/3。

1.2 外形隱身技術(shù)

外形隱身技術(shù)是實現(xiàn)目標體隱身技術(shù)最直接有效的手段。根據(jù)雷達散射截面計算公式，目標體RCS 值與其外形尺寸大小緊密相關，所以為降低目標體RCS值，其核心原則是實現(xiàn)小型化設計。在小型化設計的基礎上，在保證總體技術(shù)要求的前提下，將目標強散射中心轉(zhuǎn)化為次散射中心，或是將強散射中心移出受雷達威脅的主要方位區(qū)域。

外形設計中主要采用多棱面外形和融合外形技術(shù)[9]。前者是將外形設計成多棱面體，使得目標體沿周向只呈現(xiàn)出幾個有限的窄散射峰值，而在其他寬方位角內(nèi)的RCS 則很小。融合外形技術(shù)包括平面和空間的三維融合，通過對截面形狀進行合理設計，使其鏡面散射變?yōu)榕芜吘壚@射，從而可以大大降低側(cè)向RCS 值。

1.3 材料隱身技術(shù)

材料隱身技術(shù)是指對入射的雷達波進行吸收使其在所有方向上回波信號顯著衰減從而減小雷達散射截面的技術(shù)[10]。其主要工作機理是通過物理作用機制如電感應、磁感應、電磁散射等將電磁能量轉(zhuǎn)化為熱能并耗散掉。相比外形隱身設計，材料隱身技術(shù)不用改變目標體的結(jié)構(gòu)外形，在所有方向上對雷達波都有衰減,并且在外形難以優(yōu)化設計的區(qū)域也可以使用。

隱身材料按成型工藝和承載能力主要分為涂敷型隱身材料和結(jié)構(gòu)型隱身材料[11]。涂覆型隱身材料是將吸收劑與粘接劑混合后涂覆在目標物體表面形成涂層[12]，具有涂覆方便靈活，易調(diào)節(jié)的特點，受到各主要軍事國家的重視，幾乎所有武器裝備表面都涂覆有雷達吸波涂層。其缺點是可靠性差，容易脫落，吸收頻段窄，不耐高溫；結(jié)構(gòu)型隱身材料通過將吸收劑融合在復合材料中形成兼具承載與雷達波吸收性能的材料[12]，相比涂覆型吸波涂料，其更加穩(wěn)定可靠，吸收頻段寬，不額外增加重量，可以成型各種復雜的形狀，是未來隱身材料發(fā)展的趨勢。

2 隱身設計

為開展?jié)撚霉怆娫O備雷達波隱身設計研究，制作試驗模型來驗證采取隱身設計措施前后的影響。該試驗模型主要由潛用光電設備本體，下部包裹支撐本體部分的流線型升降裝置兩部分組成，如圖 1 所示。

圖1 潛用光電設備模型組成圖Fig.1 Outline drawing of the out-water part of underwater optronic device modal

2.1 潛用光電設備本體隱身設計

根據(jù)前文對雷達波散射機理的分析，對于潛用光電設備本體，其外形隱身設計的核心原則是在保證總體技術(shù)要求的前提下，實現(xiàn)本體小型化設計；將設備本體大的平面、圓柱面設計成多棱面體，便得整個潛用光電設備本體沿360°周向只呈現(xiàn)出幾個有限的窄散射峰值，而在其他寬方位角內(nèi)的RCS 值很小。采用外形融合技術(shù)重點解決潛用光電設備本體不同外形要素之間的過渡問題。根據(jù)雷達散射截面計算公式，雷達波反射最強的形狀是直三面角、直二面角、平面、凸狀彎曲面，而錐形、多棱面體和二次曲面則對雷達波反射較小，所以在潛用光電設備本體外形設計時應避免直三面角、直二面角和大的平板，以避免出現(xiàn)鏡面反射和角反射器效應。

隨著對隱身技術(shù)要求的提高，需要對潛用光電設備本體結(jié)合光學系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。對外形采取融合技術(shù)進行設計，根據(jù)其外形特征，在窗口處較大平面易產(chǎn)生鏡面反射，固定窗口的壓蓋與頭罩之間連接處會出現(xiàn)直二面角，此處為潛用光電設備本體強散射點，出現(xiàn)局部峰值。受限于潛用光電設備功能，難以對此處進行外形優(yōu)化設計，為此采用材料隱身方法，對潛用光電設備本體模型除窗口部分外其余金屬外表面涂覆雷達吸波涂層的方法抑制整體RCS 值，如圖 2所示。經(jīng)過模型測試，潛用光電設備本體相比未采取隱身措施前，周向RCS 均值降低為原來的8.5%，峰值減小為原來的1/4，對潛用光電設備本體的隱身設計有效控制了其雷達散射截面值。

圖2 潛用光電設備本體隱身模型Fig.2 The stealth modal of the underwater optronic device

2.2 升降裝置隱身設計

傳統(tǒng)的升降裝置通常為圓柱形，根據(jù)前文對雷達波散射機理分析，圓柱形為較強散射源，而且其在潛艇航行時水動力作用下會產(chǎn)生較長尾跡與卡門渦街，并產(chǎn)生較強水動力噪聲。從提高雷達波與尾跡隱身性能，減小水動力噪聲角度出發(fā)，對升降裝置外形進行優(yōu)化設計，外形設計為具有導流功能的流線型，可減小航行時水動力作用下產(chǎn)生的卡門渦街，降噪性能好，可提高設備使用航速。采用復合材料設計流線型升降裝置，可以進一步減小其對于雷達波的強反射，減輕設備重量，降低噪聲。目前逐漸采用復合材料非穿透式升降裝置。

隨著隱身要求越來越苛刻，而考慮到迎水阻力與水動力噪聲，難以對流線型實施外形優(yōu)化設計，目前采用的隱身措施是在流線型升降裝置外表面涂覆過渡導電涂層實現(xiàn)復合材料表面金屬化，用以實現(xiàn)與雷達吸波涂層表面的阻抗匹配，在導電涂層外涂覆雷達吸波涂層的方法實現(xiàn)升降裝置的隱身設計，如圖 3 所示。經(jīng)過模型測試，流線型升降裝置相比原復合材料狀態(tài)，周向RCS 均值降低為原來的1/3，峰值縮減為原來的1/2，對流線型升降裝置采取的隱身措施能夠有效降低其雷達散射截面值。

圖3 流線型升降裝置隱身模型Fig.3 Stealth modal of the fairshaped lifting device

3 結(jié)語

根據(jù)以上分析并結(jié)合潛用光電設備特點可知：對于潛用光電設備本體，引起較強雷達波反射源主要是窗口平面部分、窗口壓蓋與頭罩結(jié)合部位形成的直二面角和角反射器、下部圓柱法蘭部分；對于流線型升降裝置，其強散射點為迎水面部分，左右舷流線型接近平面部分以及尾部圓弧的曲率半徑方向。雖然采取隱身措施后潛用光電設備RCS 值相比之前狀態(tài)大幅降低，但隨著潛用光電設備本體功能集成化程度越來越高，其小型化空間受限。目前潛用光電設備本體采用的外形設計方法，流線型升降裝置采取的材料隱身方法難以滿足今后越來越嚴苛的隱身要求。為此，后續(xù)對于潛用光電設備及其升降裝置的雷達波隱身設計研究建議如下：

1）對于潛用光電設備本體，結(jié)合光學系統(tǒng)設計，在不影響視場的情況下將窗口由垂直布置更改為傾斜布置，通過增加傾斜角避開水平入射角度大平面對于雷達波的強平面反射。對于固定窗口的壓蓋與頭罩之間連接處，應盡量采用平滑外形過渡，避免形成直二面角和角反射器強反射。

2）對于流線型升降裝置，受制于總體尺寸以及水動力流體性能要求，難以對外形實施進一步優(yōu)化設計。復合材料表面金屬化涂覆雷達吸波涂層的方法雖然能夠降低一部分RCS 值，但這是以犧牲小型化設計為代價的。復合材料表面增加過渡金屬導電涂層后，其雷達散射特性由透射性為主變?yōu)槿瓷湫?，強散射源由原來被復合材料包覆的潛用光電設備圓柱形法蘭變更為流線型升降裝置外表面，其周長顯著增大，僅靠流線型外表面涂覆的雷達吸波涂層來吸收雷達波。對于雷達散射截面控制實際上采取的是一種外形增大再通過隱身材料來抑制雷達散射截面的辦法，后續(xù)工作需要研究復合材料隱身機理，將復合材料與隱身材料融合，研制結(jié)構(gòu)型隱身材料，重點考核結(jié)構(gòu)型隱身材料力學性能與環(huán)境適應性能，實現(xiàn)流線型升降裝置隱身性能提升。

3）考慮到目標RCS 值與外形尺寸密切相關，控制了潛用光電設備的出水高度也就控制了目標高度尺寸，因此可以考慮對升降裝置出水高度控制技術(shù)進行研究，使其出水高度盡量小或者相對于不同海情均能保持相對較小值，這樣也就控制了潛用光電設備的RCS 值，使其能夠滿足日益提高的隱身要求。