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無人作戰(zhàn)飛機射頻傳感器系統(tǒng)隱身技術(shù)發(fā)展與思考*

芮錫**

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

摘要：從無人作戰(zhàn)飛機的發(fā)展和國外無人作戰(zhàn)飛機的隱身技術(shù)發(fā)展出發(fā),分析了國外典型無人作戰(zhàn)飛機射頻傳感器系統(tǒng)綜合隱身特點,討論了射頻傳感器系統(tǒng)的雷達隱身、輻射隱身及有源對消技術(shù)的內(nèi)涵,總結(jié)了其關(guān)鍵技術(shù)特點,最后，給出了技術(shù)發(fā)展趨勢。相關(guān)內(nèi)容可供無人作戰(zhàn)飛機射頻傳感器頂層隱身設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：無人作戰(zhàn)飛機；射頻傳感器系統(tǒng)；雷達隱身；輻射隱身；有源對消

1引言

隨著技術(shù)的發(fā)展及軍事任務(wù)需求的拓展,無人機(Unmanned Aerial Vehicle ,UAV)廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,被賦予的功能越來越多,并且逐步開始攜帶武器,執(zhí)行作戰(zhàn)攻擊任務(wù),由此產(chǎn)生了無人作戰(zhàn)飛機(Unmanned Combat Aircraft Vehicle, UCAV)[1]。2001年6月,美軍給“捕食者”無人機加裝了“地獄火”導(dǎo)彈,使其具有偵察攻擊雙重功能,并于2001年10月17日在阿富汗首次實施了“捕食者”的直接對地打擊,開創(chuàng)了無人機直接進行作戰(zhàn)的先河。正是無人機在近幾次局部戰(zhàn)爭中的廣泛使用與優(yōu)異表現(xiàn),掀起了世界范圍內(nèi)無人作戰(zhàn)飛機的研究熱潮。

無人作戰(zhàn)飛機裝備快速發(fā)展的同時,面臨的預(yù)警、探測、干擾及攔截威脅也越來越嚴(yán)峻,生存能力和作戰(zhàn)能力受到了嚴(yán)重影響。這些威脅在空間上分布于空中、地面/海面,在預(yù)警及探測手段上有預(yù)警雷達、火控雷達、電子支援措施、光電探測器等,在干擾手段上有有源干擾、無源干擾、偽裝誘騙等,在攔截手段上有反輻射導(dǎo)彈、空空導(dǎo)彈等。為提高無人機的生存能力和作戰(zhàn)能力,無人作戰(zhàn)飛機的綜合隱身能力得到了高度重視和快速發(fā)展。目前,世界上擁有無人機的國家和地區(qū)已超過32個,但這些無人機的隱身能力參差不齊,真正具有高隱身水平的還是以美國為代表的無人機,歐洲國家也正在不斷研制[2]。

本文對國外無人作戰(zhàn)飛機隱身技術(shù)的發(fā)展進行介紹，并分析其綜合射頻隱身的特點及關(guān)鍵技術(shù)，以期為該領(lǐng)域研究人員提供參考。

2國外UCAV隱身技術(shù)的發(fā)展

無人作戰(zhàn)飛機的核心隱身能力主要有雷達隱身、輻射隱身。飛行器平臺自身的隱身能力已經(jīng)被廣泛研究和報道。隨著無人機功能的擴展,無人機的傳感器系統(tǒng)功能越來越強大,其性能成為無人機綜合性能的重要組成部分，尤其是UCAV的通信鏈路、導(dǎo)航鏈路、探測偵察等任務(wù)載荷對無人機的綜合隱身有極重要的影響。本文重點論述UCAV射頻傳感器系統(tǒng)的綜合隱身技術(shù)，主要從傳感器系統(tǒng)的雷達隱身、輻射隱身、有源對消分別展開,分析綜合隱身的技術(shù)措施內(nèi)涵、技術(shù)發(fā)展特點以及技術(shù)展望,可供UCAV綜合隱身設(shè)計時參考。

無人機的綜合隱身主要包括了雷達隱身、輻射隱身、紅外隱身，而射頻傳感器系統(tǒng)主要參與了雷達隱身及輻射隱身。為了提高UCAV的綜合隱身性能,國外投入了很多的資源,對其射頻傳感器系統(tǒng)進行隱身設(shè)計。

美國諾·格公司正在研究的“X-47”無人機是一款高水平的隱身作戰(zhàn)無人機,目前正在研發(fā)的主要有“X-47A”及“X-47B”兩款UCAV,其配備的航空電子設(shè)備均屬高度保密,據(jù)報道X-47B上下各采用了8副天線實現(xiàn)全空域覆蓋。從外觀上看,X-47系列的飛機機體表面光滑,沒有任何凸起,與傳統(tǒng)的無人機相比,其天線實現(xiàn)了共形隱身設(shè)計。并且美軍已經(jīng)對其傳感器輻射特性做了相應(yīng)的鏈路隱身設(shè)計,降低了平臺自身被探測和截獲的概率。

美軍除了研制新型的隱身UCAV之外,對現(xiàn)有的UCAV也做了隱身的升級,最具代表性的就是“捕食者”C型無人機?！安妒痴摺毕盗械腢CAV是美軍裝備最多的UCAV之一,從A型到B型,并沒有強調(diào)隱身性能,但是從C型開始,從平臺自身的外形及其天線的共形設(shè)計、傳感器輻射隱身的專門設(shè)計,都表明該UCAV具備了相當(dāng)高的綜合隱身水平。

歐洲幾個國家也聯(lián)合開發(fā)了“神經(jīng)元”UCAV技術(shù)驗證機,從該機型的外形看,和X-47無人機很類似,機身表面沒有任何凸起物,天線都進行了共形隱身設(shè)計,其傳感器系統(tǒng)輻射的隱身設(shè)計未見報道,但是可以肯定的是該無人機具備很高的隱身性能。

目前國外很多先進的隱身無人機其傳感器天線具體隱身技術(shù)尚未公開,但從現(xiàn)役的F-22、F-35等機載天線來看[3-4],國外無人機天線的隱身技術(shù)的技術(shù)成熟度至少達8級以上,主要的隱身技術(shù)措施有天線孔徑綜合設(shè)計技術(shù)、共形天線技術(shù)[5-7]、頻率選擇表面(Frequency Selective Surface,FSS)技術(shù)和低截獲概率(Low Probability of Interception,LPI)技術(shù)[8-9]。

總之,國外無人作戰(zhàn)飛機傳感器系統(tǒng)隱身技術(shù)從理論研究、仿真分析、試驗驗證到工程應(yīng)用等方面均處于領(lǐng)先地位,目前已經(jīng)大量應(yīng)用于各型無人作戰(zhàn)飛機上[10-12]，其技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)隱身技術(shù)全面平衡發(fā)展,沒有隱身短板存在；

(2)隱身技術(shù)成熟度高,隱身材料等種類多,應(yīng)用廣泛,設(shè)計能力出眾；

(3)具有較好的測試評估體系及測試評估條件。

3UCAV傳感器系統(tǒng)綜合隱身技術(shù)

未來多維的信息化戰(zhàn)場上,空間軍事衛(wèi)星、空中預(yù)警機、地面預(yù)警系統(tǒng)不斷完善,雷達探測威脅和無源探測威脅愈加嚴(yán)重,戰(zhàn)場環(huán)境愈加透明，不具備隱身能力的UCAV將無法生存和完成作戰(zhàn)任務(wù)。威脅類型的多樣性導(dǎo)致了隱身需要多元發(fā)展,目前的隱身技術(shù)主要以射頻隱身技術(shù)為主,包括雷達隱身技術(shù)、輻射隱身技術(shù)、有源對消技術(shù)。在雷達隱身方面,無人機的雷達散射截面(Radar Cross Selection,RCS)主要由平臺自身的RCS和機載天線RCS兩部分組成。為實現(xiàn)飛機高水平的雷達隱身,對無人機的雷達隱身和各種天線的雷達隱身都提出了嚴(yán)格隱身要求；同時在輻射隱身方面,無人機的主動輻射信號也成為了敵方無源探測系統(tǒng)的偵察對象,利用無人機輻射的信號可以對無人機進行發(fā)現(xiàn)、跟蹤和攻擊等,因此需要采用低截獲的輻射隱身技術(shù),提高輻射信號的隱身能力。

3.1雷達隱身技術(shù)

威脅方雷達主動發(fā)射電磁波,照射到UCAV后的散射控制技術(shù),也就是通常所說的雷達隱身技術(shù)?？s減UCAV威脅角域的RCS是雷達隱身的重要目標(biāo),單站雷達(接收天線和發(fā)射天線為一體)是目前最重要也是最主要的探測UCAV的傳感器,也是目前UCAV面臨的最主要的威脅[13-14]。

3.2輻射隱身技術(shù)

威脅方的無源雷達探測器接收UCAV平臺的發(fā)射或者輻射的射頻特征信號的控制技術(shù),即通常所說的輻射隱身技術(shù)?？刂芔CAV平臺上的機載電子設(shè)備(雷達、數(shù)據(jù)鏈、通信、導(dǎo)航等)輻射信號被無源探測系統(tǒng)截獲(探測、跟蹤、識別)是輻射隱身的重要目標(biāo)。更確切地說，就是在保證UCAV電子設(shè)備完成相應(yīng)功能的前提下最大限度地降低輻射信號被截獲的概率[15]。

3.3有源對消技術(shù)

有源對消技術(shù)是指機載有源射頻發(fā)射裝置，根據(jù)照射到UCAV上的電磁波頻率、極化、入射方向、飛行姿態(tài)及UCAV產(chǎn)生的散射回波特性,主動地發(fā)射與散射回波幅度幾乎一致但是相位相反的電磁波,從而與散射回波對消,實現(xiàn)理論上的“零散射”[16],從而大大降低UCAV的等效RCS技術(shù)。要實現(xiàn)UCAV的主動有源對消,UCAV必須裝載完備的目標(biāo)散射回波特性數(shù)據(jù)庫,同時偵收系統(tǒng)必須實時獲取威脅雷達的發(fā)射雷達波的頻譜、極化、入射方向等特性參量。根據(jù)分析可知,整個對消系統(tǒng)所涉及到的關(guān)鍵參數(shù)必須具備高度的精確性、實時性,才能達到隱身的目的,否則達不到目的,甚至還會惡化目標(biāo)的隱身性能。

4射頻傳感器系統(tǒng)綜合隱身關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1雷達隱身技術(shù)

UCAV由于其自身的作戰(zhàn)使命,需要具備隱身突防、隱蔽接敵的能力。隨著雷達的技術(shù)發(fā)展,其探測能力及抗干擾能力都在不斷的發(fā)展,主要體現(xiàn)在：

(1)雷達陣面規(guī)模及探測功率越來越大,使得對相同的目標(biāo)，其探測距離變遠(yuǎn),對于固定的探測距離,其探測目標(biāo)的RCS也越來越??；

(2)雷達的抗干擾能力加強,使得傳統(tǒng)的電子壓制效能降低,對UCAV的威脅加大；

(3)雷達的工作頻段多樣,尤其是在傳統(tǒng)的C頻段以上的雷達基礎(chǔ)上,大量的低頻段先進雷達不斷涌現(xiàn),使得UCAV的低頻隱身短板暴露,成為UCAV雷達隱身的軟肋；

(4)雷達工作模式的變化,目前的雷達很少是單機工作,基本都處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài),這就大大增強了雷達網(wǎng)絡(luò)對隱身目標(biāo)的探測能力。

因此,要發(fā)展UCAV,其雷達隱身依然是亟待解決的一個難點之一。UCAV的天線作為射頻傳感器系統(tǒng)的重要部分,其安裝破壞了無人機光滑的機身表面,增強了飛機的散射回波。UCAV上有很多強散射源,射頻傳感器系統(tǒng)的天線作為一類散射源,其隱身水平不能完全決定UCAV的雷達隱身性能,但是不對天線進行隱身設(shè)計,會惡化UCAV的隱身性能。

通過對X-47B無人機建模,仿真其在某頻點上的全向RCS可知,UCAV在各個方向的RCS不一樣,并不是在所有的角域都具備隱身性能。低RCS區(qū)域主要集中在低俯仰角區(qū)域,并且前向與后向的RCS比側(cè)向要好一些，而這些低RCS特性和UCAV的典型應(yīng)用場景下的隱身需求是一致的。雷達隱身的重點考察區(qū)域如圖1所示,方位面全向,俯仰面大約為±10°。

圖1　UCAV方位面與俯仰面的雷達隱身需求

與有人機相比,為了保證無人機能同有人機相比擬,無人機平臺上需要安裝更多的獲取信息態(tài)勢的設(shè)備,UCAV可供安裝載荷的空間相對狹窄,導(dǎo)致了UCAV機載天線的隱身面臨的挑戰(zhàn)比有人機更大。同時，UCAV天線數(shù)量多,隱身要求高,因此合理地分配指標(biāo),降低天線數(shù)量尤為重要。綜上所述,無人機的天線隱身需要重點解決以下問題：

(1)孔徑綜合化設(shè)計,降低孔徑數(shù)目；

(2)采用先進修形及材料技術(shù),降低天線RCS[6-7]；

(3)采用頻率選擇表面等技術(shù),降低天線RCS[17-18]；

(4)天線合理布局,使UCAV天線系統(tǒng)整體的輻射與散射特性達到最優(yōu)化設(shè)計；

(5)天線系統(tǒng)中的各個天線隱身指標(biāo)合理分配,避免過高的隱身要求,過度提高天線設(shè)計難度和設(shè)計成本；

(6)對UCAV機載傳感器高性能要求導(dǎo)致了天線的輻射與散射平衡設(shè)計矛盾變得更加突出,需要重點解決,既要保證傳感器功能,又要保證UCAV隱身性能。

4.2輻射隱身技術(shù)

UCAV平臺的輻射隱身性能基本由傳感器系統(tǒng)的輻射性能決定,輻射性能的好壞直接決定UCAV輻射隱身的好壞。此外,就隱身特征來說,不僅要求平臺具有良好的雷達隱身,還要求其具備良好的輻射隱身能力,即要求UCAV的機載射頻傳感器能在保證其自身任務(wù)性能的前提下盡量輻射低的射頻能量和隨機化的輻射特征,提高其輻射隱身能力,從而提高生存能力和作戰(zhàn)能力。這就要求對射頻傳感器進行充分的輻射隱身設(shè)計,并通過有效的資源調(diào)度管理、模式控制,實現(xiàn)優(yōu)良的輻射隱身能力。輻射隱身技術(shù)措施包括對空域、時域、頻域和能量域的處理,提高輻射隱身性能[13,15,19],分別簡述如下：

(1)空域上,通過減少接收的空域范圍獲得隱身性能,如通過波束賦形處理、低主瓣寬帶、抑制旁瓣等措施；

(2)時域上,通過增加發(fā)射的隨機性或減少發(fā)射時間來獲得隱身性能,如采用跳時抖動、壓縮猝發(fā)等措施；

(3)頻域上,通過載波頻率的隨機、不規(guī)則變化來獲得隱身性能,如高速跳頻使載波頻率快速變化,變速跳頻使跳頻駐留時間隨機變化；

(4)能量域上,通過降低發(fā)射信號的功率譜密度來獲得低被截獲性能,如采用功率控制,降低發(fā)送總功率；采用直接序列擴頻來展寬發(fā)射頻譜,降低頻譜密度;

(5)傳感器系統(tǒng)輻射隱身,UCAV單平臺有很多射頻傳感器,平臺內(nèi)部、平臺之間射頻傳感器可以通過統(tǒng)一的協(xié)調(diào)管理,使得對外輻射信號特征被截獲概率最小,因此研究UCAV系統(tǒng)級的輻射隱身十分有意義,也十分重要。

4.3有源對消技術(shù)

飛行器的隱身遇到的一個共同問題是：目標(biāo)在低頻段雷達隱身需求越來越強烈,單飛行器的低頻段雷達隱身設(shè)計難度大。主要原因是飛行器在低頻段處于諧振頻段范圍,適合高頻的隱身外形設(shè)計方法在低頻失效,吸波材料在低頻段范圍內(nèi)幾乎沒有吸波效果。目前具備很高可行性的是采用有源對消技術(shù),通過降低威脅方雷達接收的回波能量降低目標(biāo)RCS。

如圖 2和圖3所示,對于某典型UCAV,可以看到其UCAV的低頻與高頻RCS曲線具備以下特征：

(1)方位面RCS只在局部角域比較低,在部分角域RCS在10 dBsm以上；

(2)RCS峰值角域?qū)挾认鄬Ρ容^寬,在10°左右,與高頻時RCS不同(如圖3所示),峰值區(qū)RCS在雷達隱身中不可忽視；

(3)RCS幅度變化較高頻RCS緩慢很多。

圖2典型UCAV雷達隱身特性曲線(VHF頻段)

Fig.2 The radar stealth character of typical UCAV (VHF band)

圖3　典型UCAV雷達隱身特性曲線(X頻段)

鑒于上述特點以及傳統(tǒng)雷達隱身技術(shù)在低頻段失效,可以采用有源對消技術(shù),減弱低頻段UCAV的RCS。

有源對消技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)主要涉及雷達來波信號參數(shù)的實時/精確測定：主要包括雷達波的頻率、相位、幅度、波形、極化、雷達方位這些參數(shù);UCAV的回波特性數(shù)據(jù)庫:就是飛行器的RCS數(shù)據(jù)庫,針對不同來波頻率、極化、主要威脅角域、精確的飛行器的RCS數(shù)據(jù)庫;高性能實時處理:由于雷達波是光速傳播,因此要求整個有源對消系統(tǒng)需要具備高速處理能力,具備高實時性;對消場的精確控制:有源對消系統(tǒng)需要精確控制欺騙回波,例如當(dāng)欺騙回波信號相對幅度較弱或者幅度相位變化比較快的時候,精度影響對隱身性能影響更顯著。

5UCAV射頻傳感器隱身技術(shù)發(fā)展趨勢

5.1UCAV傳感器系統(tǒng)綜合隱身需平衡發(fā)展

由于威脅種類多,敵方的反隱身只需要突破某一種,就可以阻擊UCAV。因此，UCAV的隱身需要綜合平衡發(fā)展,防止出現(xiàn)隱身技術(shù)不全面,出現(xiàn)所謂的“短板效應(yīng)”。綜合平衡發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個方面：一是UCAV目前重點考慮雷達隱身和輻射隱身,兩種隱身性能大致相當(dāng),偏向某一種隱身會造成UCAV綜合隱身性能降低；二是為了保證UCAV的雷達隱身性能和輻射隱身性能,需要折衷考慮、平衡發(fā)展,例如天線的輻射與散射平衡設(shè)計等。

5.2UCAV傳感器系統(tǒng)綜合隱身未來發(fā)展趨勢

UCAV綜合射頻傳感器系統(tǒng)作為射頻信號的發(fā)送和接收者,其雷達隱身和輻射水平對UCAV平臺的綜合隱身能力影響巨大,亟待開展相關(guān)研究,提高其綜合隱身性能,進而提升UCAV的隱身性能。目前，無論是在役的UCAV還是未來的UCAV,其傳感器系統(tǒng)的綜合隱身一直是發(fā)展的熱點和重點。未來UCAV的發(fā)展,隱身依然是最重要的考慮要素，具體體現(xiàn)在：

(1)隱身類型要求更多(聲隱身、可見光隱身、雙站、多站隱身等)；

(2)隱身水平要求更高(隱身范圍、量值、頻段等)；

(3)隱身的綜合平衡性要求更高(多種隱身技術(shù)綜合平衡發(fā)展)；

(4)隱身性能與其他性能(傳感器功能性能、氣動性能、體積、重量、功耗、成本、可靠性等)矛盾更加突出,需要綜合考慮,平衡發(fā)展。

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芮錫(1983—),男,江蘇溧陽人,博士,高級工程師,主要研究方向為航空電子、輻射與散射、天線系統(tǒng)。

RUI Xi was born in Liyang,Jiangsu Province,in 1983.He is now a senior engineer with the Ph.D. degree.His research concerns avionics,radiation and scattering,antenna system.

Email:654944155@qq.com

引用格式：芮錫.無人作戰(zhàn)飛機射頻傳感器系統(tǒng)隱身技術(shù)發(fā)展與思考[J].電訊技術(shù),2015,55(5):580-584.[RUI Xi.Stealth Technology for RF Sensor System of UCAV: Development and Thought[J].Telecommunication Engineering,2015,55(5):580-584.]

Stealth Technology for RF Sensor System of UCAV:

Development and Thought

RUI Xi

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Abstract：Starting with the development of Unmanned Combat Aerial Vehicle(UCAV) and the stealth technology of foreign UCAVs,this paper analyzes the stealth characters of Radio Frequency(RF) sensor system of foreign UCAVs,discusses the concepts of different stealth technologies,summarizes the key points and gives the development trends.The research in this paper can provide a reference for the top level design of RF sensor stealth problem of UCAV.

Key words：unmanned combat aerial vehicle；RF sensor system;radar stealth；radiation stealth；active cancellation

作者簡介：

中圖分類號：TN011

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-893X(2015)05-0580-05

通訊作者：**654944155@qq.comCorresponding author：654944155@qq.com

收稿日期：*2014-09-28；修回日期：2015-04-24Received date:2014-09-28；Revised date：2015-04-24

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2015.05.020