西電電磁散射大作業(yè)

1、電磁散射與隱身技術(shù)導(dǎo)論課程大作業(yè)報告學(xué) 院： 電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 學(xué) 號： 姓 名： 電子郵件： 日 期： 2013 年 06 月 成 績： 指導(dǎo)教師： 電磁散射與隱身技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用引言： 隱身技術(shù)在外科手術(shù)、軍事航空等多個領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用。已經(jīng)應(yīng)用的隱身技術(shù)主要集中在外形隱身、材料隱身等方面。比如在無人機上的隱身技術(shù)的應(yīng)用、飛機隱身技術(shù)和艦艇雷達隱身技術(shù)的隱身技術(shù)。分析了產(chǎn)生隱身的機理，并闡述具體如何應(yīng)用電磁散射達到隱身目的。主要從飛機隱身技術(shù)，包括在無人機上的應(yīng)用及水面艦艇雷達隱身技術(shù)闡述了隱身技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用的進展情況。一、飛機隱身技術(shù)及雷達對抗

2、1.隱身飛機的發(fā)展1國外隱身技術(shù)的研究始于第二次世界大戰(zhàn)期間，起源于德國，發(fā)展于美國，并擴展到英國、法國、俄羅斯及日本等發(fā)達國家。迄今為止，美國已研制出10余種準隱身飛機、8種隱身飛機、12種無人駕駛隱身飛機、7種準隱身垂直、短距離起落飛機，其中F- 117A隱身戰(zhàn)斗機、B- 2A隱身轟炸機和F- 22先進戰(zhàn)術(shù)隱身戰(zhàn)斗機是隱身飛機家族中的杰出代表，它們均采用了不盡相同的隱身技術(shù)，代表了飛機隱身技術(shù)的不同發(fā)展階段。目前美國的隱身飛機技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位，俄、德、法、英、瑞典、加拿大和日本等國家對隱身飛機的研究也在迅速發(fā)展中。現(xiàn)役隱身飛機中，只有F- 117A和B- 2A經(jīng)過戰(zhàn)爭的檢驗，它們被證明

3、是技術(shù)性能卓越、作戰(zhàn)功能強大、具有超級突防能力的作戰(zhàn)飛機。F- 117A的雷達反射截面積小，只有同等大小作戰(zhàn)飛機的1%，其機載設(shè)備先進、武器功能強大，可保障在復(fù)雜氣象條件下，臨空突擊敵防空體系中的導(dǎo)彈和雷達陣地，以及防守嚴密的戰(zhàn)略要害目標，精度高，毀傷威力大。1989年12月F- 117A首次用于實戰(zhàn)，參加了美國對巴拿馬的軍事行動，遂行轟炸任務(wù)。據(jù)外電報道：“盡管巴拿馬對空監(jiān)視雷達晝夜24小時都處于高度戒備狀態(tài)，但仍然毫無察覺?！?991年45架F- 117A參加了海灣戰(zhàn)爭，出動1296架次，約占總轟炸架次的2%，但卻轟炸了戰(zhàn)略清單中40%的目標，并且它所遂行的轟炸任務(wù)都是非隱身飛機難以承擔(dān)的

4、。1999年3月，24架F- 117A參加了科索沃戰(zhàn)爭，戰(zhàn)果不菲。但是，3月27日深夜，南聯(lián)盟軍隊擊落了1架F- 117A，這是F- 117A首次被擊落。B- 2A具有很強的隱身能力、超遠程的作戰(zhàn)能力和強大的突擊能力。它既能進行臨空打擊，也能進行防區(qū)外打擊。在科索沃戰(zhàn)爭的首輪空襲中，2架B- 2A從美國懷特曼空軍基地經(jīng)空中加油用31小時飛抵南聯(lián)盟上空，每架飛機投擲了16枚“聯(lián)合直接攻擊彈藥”（JDAM），這是B- 2A第一次用于實戰(zhàn)。6架B- 2A共出動49架次，投射了650枚“聯(lián)合直接攻擊彈藥”，命中精度高，具有極高的效費比。據(jù)計算，用攻擊機攜帶普通炸彈摧毀1個目標通常需要6架，摧毀8個目標

5、約需48架。同時，還需要32架飛機為其壓制敵地面防空兵器，40架殲擊機為其護航，再加上電子干擾飛機、加油機等，約需出動140架飛機?，F(xiàn)在，1架B- 2A只需攜帶8枚GPS衛(wèi)星制導(dǎo)炸彈，一次即可摧毀8個目標。無論是F- 117A還是B- 2A，都用其出色的實戰(zhàn)效果向世人證明了隱身飛機是未來高科技戰(zhàn)爭中的重要力量。1996年11月，美國空軍發(fā)表了名為“全球作戰(zhàn)”的新的戰(zhàn)略計劃，其中，對未來戰(zhàn)斗機的基本要求為：生存能力強；打擊精度高、威力大；具有持續(xù)作戰(zhàn)能力。因此，美空軍認為，未來的戰(zhàn)斗機必須是隱身的，到2015年，應(yīng)組成以F- 22、F- 35和B- 2A等隱身戰(zhàn)機為核心，空、天一體化有人駕駛和隱

6、身無人機混合編成的戰(zhàn)斗機群，以保持其航天和航空優(yōu)勢，提高全球打擊能力。隱身技術(shù)與星球大戰(zhàn)、核技術(shù)被美國列為國防的三大高科技領(lǐng)域。2.隱身飛機的雷達隱身機理2飛機隱身技術(shù)包括雷達隱身技術(shù)、紅外隱身技術(shù)、電子隱身技術(shù)、可見光隱身技術(shù)、聲波隱身技術(shù)、電磁隱身技術(shù)等，由于現(xiàn)代防空體系中最為重要、使用最廣、發(fā)展最快的探測器是雷達，因此，雷達隱身技術(shù)成為最主要的隱身技術(shù)。雷達隱身技術(shù)的核心就是降低目標的雷達散射截面積（RCS）。雷達的最大探測距離與RCS的關(guān)系可用下式表示:飛機隱身技術(shù)及其雷達對抗措施裝備研究Rmax=1/4Pt·Gt2·2·（4）3·Pr 式中Pt

7、為雷達發(fā)射功率；Pr為雷達接收功率；Gt為雷達天線增益；為雷達工作波長；為目標雷達散射截面積。（1）外形隱身技術(shù)外形隱身技術(shù)就是在一定的約束條件下設(shè)計軍用目標各部件和整機的外形，使它的RCS最小，主要理論依據(jù)來自目標各部件的電磁散射機理，目前采用的主要措施有：采用翼身融合體，全埋式座艙和半埋式發(fā)動機，使機翼與機身、座艙與機身平滑過渡，融為一體；機翼采用飛翼、帶圓鈍前緣的V型大三角翼、低置三角翼、平底翼融合體以及活動翼結(jié)構(gòu)等；努力減少飛機表面能造成散射的突起物、取消一切外掛武器和吊艙，將外掛設(shè)備全部置于機內(nèi)；借助機身遮擋強的散射源，將發(fā)動機進氣口設(shè)在機身背部，進氣道采用鋸齒形；座艙蓋鍍上金屬鍍膜

8、，使雷達波不能透射入座艙內(nèi)部；采用傾斜雙垂尾或V型尾翼；采用尖形鼻錐；改進天線罩，采用可收放天線等等。（2）材料隱身技術(shù)材料隱身技術(shù)就是采用能吸收或透過雷達波的涂料或復(fù)合材料，使雷達波有來無回、多來少回。目前主要使用的是雷達吸波材料，此類材料可將雷達波能量轉(zhuǎn)化為其他形式運動的能量，并通過該運動的耗散作用轉(zhuǎn)化為熱能。美國的B- 2A、F- 117A和F- 22等隱身飛機均在金屬蒙皮、機翼前后緣、垂尾和進氣道等強回波部位大量使用吸波材料來減小RCS。（3）對消技術(shù)對消技術(shù)是通過目標產(chǎn)生與雷達反射波同頻率、同振幅但相位相反的電磁波，與反射波發(fā)生相消干涉，從而消除散射信號。對消技術(shù)分為無源對消技術(shù)和有

9、源對消技術(shù)。無源對消技術(shù)是采用特殊外形或材料等無源隱身技術(shù)手段產(chǎn)生干涉波的對消技術(shù)；有源對消技術(shù)是利用在目標上裝備有源對消電子設(shè)備，以產(chǎn)生適合對消的電磁波，通過相消干涉減弱或消除反射波。（4）等離子體隱身技術(shù)等離子體隱身技術(shù)的原理是當對方雷達發(fā)射的電磁波遇到等離子體的帶電粒子后，便相互發(fā)生作用，電磁波的部分能量傳遞給帶電粒子，其自身能量逐漸衰減，其余電磁波受一系列物理作用的影響，繞過等離子體或產(chǎn)生折射，使電磁波探測失去功效。例如，俄羅斯共研制出三代等離子體隱身系統(tǒng)，美國休斯實驗室也進行了這方面的實驗。3.隱身飛機的作戰(zhàn)特點由于隱身飛機對預(yù)警探測系統(tǒng)具有隱身功能，使敵方戰(zhàn)斗準備和反應(yīng)時間減少到來

10、不及應(yīng)對的程度，使戰(zhàn)役、戰(zhàn)斗進攻的主動性和突然性得到充分地發(fā)揮，在空襲時機、空襲目標、空襲手段和方式等方面都有較大的選擇余地。結(jié)合海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭和2003年伊拉克戰(zhàn)爭中隱身飛機的使用特點和相關(guān)現(xiàn)代高科技作戰(zhàn)理論，對隱身飛機的作戰(zhàn)特點進行總結(jié)。4、對抗隱身飛機的困難和可能性對抗隱身飛機的困難主要體現(xiàn)在：探測距離近。由于隱身飛機的RCS大幅度減小，使得雷達的探測距離大大降低，從表2中可見隱身飛機的RCS約是非隱身同類飛機的1/2001/1000，探測距離理論上下降73%82%；發(fā)現(xiàn)難。其一，由于隱身飛機的進攻路線都經(jīng)過精心的策劃，如利用雷達的盲區(qū)、各雷達的銜接處或?qū)ζ涮綔y概率最低的雷達防區(qū)通

11、過，雷達探測困難；其二，在隱身飛機運用戰(zhàn)術(shù)上一般采用“聲東擊西”的戰(zhàn)術(shù)，干擾對方?jīng)Q策層關(guān)注重點而忽略其它地域的預(yù)警探測，給隱身飛機造成可趁之機；其三，因為隱身飛機生存能力強，通常采用小編隊空襲的形式，雷達操縱員容易麻痹大意，很難發(fā)現(xiàn)微弱的小目標；其四，電子戰(zhàn)飛機的護航，對雷達進行干擾使其難以發(fā)現(xiàn)目標；跟蹤難。隨著隱身飛機距離和雷達對其照射角度的不同，隱身飛機的RCS會發(fā)生劇烈變化，將造成目標信號的起伏增大，穩(wěn)定跟蹤困難。但是，隱身飛機并不是不可探測的。1999年3月27日晚，美軍的一架F- 117A在科索沃戰(zhàn)爭中被老式的“薩姆”導(dǎo)彈擊落，戰(zhàn)爭實踐證明了對抗隱身飛機的可能性。其實，隱身飛機只是在

12、一定條件下的低可探測性，而不是一切條件下均無法探測。例如：（1）隱身飛機的隱身效果不是全方位的，它主要減少從正前方（鼻錐）附近、水平±45度、垂直±30度范圍照射時的后向RCS，而目標其他方向特別是前向散射RCS明顯增大；（2）針對VV極化雷達的RCS下降多，對HH極化雷達下降少；（3）采用的吸波材料是針對一定頻率范圍的，一般在120GHZ，對其他頻段的雷達隱身效果不佳；（4）隱身材料在惡劣的天氣或環(huán)境下會減弱或喪失吸波能力，降低隱身性能；（5）隱身飛機由于采用外形隱身技術(shù)而犧牲了氣動布局，因此機動性能較差且載彈量較小，不利于空中格斗；（6）現(xiàn)代高科技戰(zhàn)場上，隱身飛機在導(dǎo)航

13、和突防時很難避免電磁信號外泄所造成的行蹤暴露，一旦其自身有電磁信號輻射，其隱身性能將大打折扣；（7）由于在作戰(zhàn)過程中不宜進行無線電聯(lián)系，隱身飛機的作戰(zhàn)計劃和飛行路線相對固定，容易被掌握規(guī)律，F(xiàn)- 117A在科索沃被擊落在一定程度上就是這個原因?？梢?，雖然隱身飛機給雷達的探測和生存帶來了困難，但各種隱身技術(shù)并不是無懈可擊，其存在的諸多弱點使雷達對抗隱身飛機成為可能。5.隱身技術(shù)在無人機上的應(yīng)用研究3雷達隱身技術(shù)在無人機上的應(yīng)用研究目前,各國陸、海、空軍大量裝備了遠程搜索和目標指示雷達,防空導(dǎo)彈、高炮大部分是由雷達引導(dǎo)攻擊,因此,雷達隱身技術(shù)是無人機隱身技術(shù)研究應(yīng)用的主方向。（1） 雷達隱身原理無

14、人機對雷達的隱身性能指標主要是雷達散射截面積(RCS),它是指無人機截獲雷達輻射功率后,向雷達接收機天線方向散射電磁波能力的量度。不考慮損耗情況下的雷達方程如下式:Rmax=PtGtGrK2RCS(4P)3Pmin1/4 (1)式中:Rmax為雷達最大探測距離; Pt為雷達發(fā)射功率, Gt、Gr分別為雷達的發(fā)射和接收增益,K為雷達工作波長, Pmin為雷達接收機靈敏度。由式(1)分析可知,除RCS外,其它指標都是雷達的性能參數(shù),要想降低雷達對無人機的探測距離,盡量減小RCS是無人機方面可以采取的唯一方法。通過減小無人機的RCS,可以有效降低雷達對無人機的探測距離和發(fā)現(xiàn)概率,進而縮減敵防空武器對

15、無人機的打擊時間和次數(shù),提高無人機的生存概率。（2 ）雷達隱身技術(shù)在無人機上的應(yīng)用RCS與許多因素有關(guān),其中包括目標本身的幾何尺寸、形狀、材料以及目標視角、雷達頻率和電波的極化等。通常,目標尺寸越大,其RCS可能越大,但理論分析和試驗證明,目標(散射體)的外形對其RCS的大小影響更顯著;同時,雷達散射截面積與雷達波長也有關(guān),當飛行器的長度(如翼展)為雷達波長的一半時,其雷達散射截面積很大,最易被雷達探測到。降低無人機RCS的方法主要有:外形隱身技術(shù)、材料隱身技術(shù),另外也可以采用電子對抗措施和其它技術(shù)等。1)外形隱身技術(shù)外形隱身技術(shù)是最直接有效的手段,需要與無人機的氣動外形設(shè)計相結(jié)合。外形隱身設(shè)

16、計可以在一定角域范圍內(nèi)顯著減小RCS,其遵循的主要原則包括:消除角反射器效應(yīng)的外形組合;消除或減少有害散射源;變后向散射為非后向散射;由邊緣衍射代替鏡面反射;合理使用平板外形及采用有效的遮擋和屏蔽;盡量縮小飛行器尺寸等。2)材料隱身技術(shù)雷達發(fā)射的電磁波碰到金屬材料時易感應(yīng)生成同頻電磁流并建立電磁場,向雷達二次輻射能量。材料隱身設(shè)計通過使用能夠吸收衰減電磁波的復(fù)合材料,將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉或是造成電磁波因干涉而消失。材料隱身設(shè)計的兩個關(guān)鍵問題是:一是入射波能夠最大限度地進入材料內(nèi)部而不被表面反射;二是進入材料內(nèi)部的電磁波能夠迅速地被材料吸收衰減。無人機常用的吸波結(jié)構(gòu)材料有:聚氨基甲酸酯泡沫和

17、芳綸環(huán)氧樹脂蒙皮、玻璃鋼蜂窩芯和石墨復(fù)合材料蒙皮等。3)電子對抗措施有效利用雷達電子對抗措施可使無人機的生存能力提高40%以上,常用的雷達電子對抗設(shè)備包括告警裝置、干擾和欺騙裝置等。目前一些高空長航時無人機已經(jīng)裝備了電子對抗設(shè)備,小型無人機由于載荷有限,一般無法加裝電子對抗措施。4)其它技術(shù)在傳統(tǒng)隱身技術(shù)研究基礎(chǔ)上,各國正在探索一些新的隱身機理,如等離子體隱身技術(shù)、微波傳播指示技術(shù)等,但在無人機上的應(yīng)用還比較少。二、水面艦艇雷達隱身技術(shù)41、所謂隱身技術(shù),就是降低目標的探測概率,或者說是對散射波輻射強度的減縮技術(shù)。對于水面目標來說,一艘艦船的威脅雷達波來自敵方艦船或空中武器平臺,它們二者都接近

18、水面,最大可能的觀察角限制在一個小的仰角范圍內(nèi)(最多),在垂直面內(nèi)有一個有利的威脅角度范圍。因此,要將所有的垂直表面改為傾斜表面,使兩次反射射線不再回到入射波方向,這是艦船外形隱身技術(shù)的最有效途徑。20世紀80年代以來,國外隱身艦艇相繼出現(xiàn),有的已編入現(xiàn)役。隱身艦艇已從試驗研究步入實用階段,隱身艦艇在雷達隱身方面主要采取了以下一些措施。（1）整形隱身艦艇的外形設(shè)計是減少雷達截面積的重要措施,例如:盡量縮小艦艇的外形尺度;改善艦艇的總體布局,以減少電磁散射源,如應(yīng)設(shè)法減少和合并有關(guān)部件,盡量避免外露部件等;將強散射源部件修改為弱散射源部件;對強散射源進行遮擋,即在主要的探測方位上,用一些部件對強

19、散射源進行遮擋;消除角反射器效應(yīng);將艦艇雷達回波的主要能量控制在少數(shù)很窄的方位內(nèi),使2個波峰之間的回波信號非常弱等。（2）涂敷隱身涂敷吸波材料也是反雷達隱身的基本方法之一,對大型目標水面艦艇而言,它是彌補整形隱身缺陷的有效方法。目前采用的吸收材料有涂敷型和結(jié)構(gòu)型2類。涂敷型吸波材料是由吸收劑(如羰基鐵、石墨、導(dǎo)電纖維等)和粘接劑(如環(huán)氧樹脂、氯丁橡膠等)按一定比例混合構(gòu)成,通常涂敷在艦體表面強雷達波反射部位,以吸收雷達入射到目標上的電磁波,減弱其反射到雷達接收機的回波,從而減少RCS值。（3）對消技術(shù)對消技術(shù)是通過目標產(chǎn)生與雷達反射同頻率、同振幅但相位相反的電磁波,與反射波發(fā)生相消干涉,從而消

20、除散射信號。此技術(shù)尚在探索中。（4） 其他技術(shù)其他雷達隱身技術(shù)有:有源與無源電磁干擾、微波傳播指示技術(shù)等。美國正在研究的微波傳播指示技術(shù),是利用計算機測量雷達波束在不同大氣條件下的覆蓋范圍,從而指示出目標突防的較為安全的途徑。2、 水面艦艇雷達截面減縮的技術(shù)途徑（1）水面艦艇雷達截面減縮的一般原則根據(jù)雷達截面積的統(tǒng)計特性,可以得到雷達截面減縮的一般原則:1)當目標存在主要散射體時,首先應(yīng)集中力量減小目標的強散射源。2)當所有散射體具有大體相同幅度的散射時,必須同時減小各散射體的RCS,以取得良好的RCS減縮效果。由以上原則可見,具有多個等強度散射體的目標RCS減縮比存在主散射體時要困難得多。但

21、當主散射體的RCS減小到與次散射體相同的RCS量級時,目標就變成了等強度散射體的組合。因此,要達到艦艇雷達截面的減縮目的,首先要分清艦艇上主次反射體的反射目標特征。（2）水面艦艇雷達反射特征水面艦艇與飛機相比十分龐大,但它都是由若干簡單的幾何體組合而成。這些簡單幾何體的反射特性強弱差別很大。根據(jù)理論分析和試驗研究結(jié)果,它們由強到弱的順序為角形反射器、二面角、平面、其它幾何體。（2.1） 角形反射器角形反射器是由3個互相垂直的平面構(gòu)成的幾何體的內(nèi)角,從幾何光學(xué)分析可知,任何方向射到這個內(nèi)角的射線都會向原方向反射回去,所以它有最大的反射截面。在艦艇隱身設(shè)計中首先應(yīng)避免角形反射器的出現(xiàn)。（2.2 ）

22、二面角二面角是由2個互相垂直的平面構(gòu)成的直角,在某些情況下,它和角形反射器具有同樣的特性。在艦艇中構(gòu)成二面角的結(jié)構(gòu)與設(shè)備是比較多的,這也是隱身設(shè)計所必須避免的。（2.3） 平面平面在垂直方向形成鏡面反射,艦艇結(jié)構(gòu)與各種設(shè)備,尤其是上層建筑外壁就是典型的平面結(jié)構(gòu),這也是必須避免的。（2.4） 其它此外還有圓柱體、球、直邊、彎邊和錐體等。當然,也有特殊情況發(fā)生。如艦艇駕駛臺前大平板的反射,其雷達截面積有時與全艦正橫方向相當。因此,對于這些幾何體及幾何組合體的隱身設(shè)計必須綜合考慮。（3） 雷達散射截面減縮的技術(shù)途徑和方法以減小雷達截面為目的的隱身技術(shù)主要有以下兩種。（3.1） 外形隱身技術(shù)外形隱身技

23、術(shù)包括船體、上層建筑、武器系統(tǒng)、舾裝設(shè)備和艙面屬具等。其中,船體和上層建筑是主反射體,是雷達散射截面控制的重點。1)船體隱身:船體隱身一般采用傾斜設(shè)計,舷部外展以避免與水面相互垂直。船體傾斜的角度設(shè)計應(yīng)考慮艦艇在風(fēng)浪中的橫搖角度的變化。對我國主戰(zhàn)驅(qū)逐艦其船體外形隱身還應(yīng)考慮其艏艉的隱身設(shè)計,主要是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加艏艉線型外漂角度。2)上層建筑隱身:對于柱形圍壁,主要是各上層建筑的艏部圍壁。根據(jù)已知柱高l,入射波長,由 (n=1,2,3,)求出R(雷達截面積)的零值入射角,從而找出柱形圍壁對水平入射波的優(yōu)選傾角,一般考慮對最長入射波要在第一零點之外,這樣對其它較短波長的入射波可以落在更高零點之外。由于要對付一定頻率范圍內(nèi)的入射波,有一個max,對應(yīng)一個,同時為了兼顧艦艇的有效容積,可取作為優(yōu)選傾角。根據(jù)雷達截面積的計算公式,只要角在第一零點之外,對單個圍壁的雷達截面積至少可減小13 dB。對于平板型圍壁,主要是舷側(cè)、上層建筑側(cè)壁和后壁是艦艇雷達反射的主要區(qū)域。同理,當時,即水平面,;當時,即垂直平面,。對于水平面,由于艦艇常常面臨來自全方位的威脅,且方向不確定,一般講,水平面長a越大,