下一代战斗机雷达隐身技术
      发布人员:网站管理人员     发布时间:2018-07-19 16:35:05    浏览量:138

              来源于“雷达与测控”微信公众号

      雷达隐身作为“全频谱隐身”的重要内容,随着军事强国对下一代战斗机研发的开展受到越来越多的重视。文中总结了当前雷达隐身技术,在分析下一代战斗机对雷达隐身需求的基础上,展望了正在发展的可能应用于下一代战斗机的雷达隐身技术,对开展我国下一代战斗机雷达隐身技术的研究和发展具有一定的指导意义。
      引言
      雷达作为获取战场态势信息的主要装备,具有作用距离远、发射功率大、雷达反射截面积(RCS) 大等特点,因此,雷达隐身成为射频隐身的主要内容,若不能有效控制机载雷达系统的RCS 和电磁辐射特征信号,则通过外形、结构和材料隐身而实现的整机隐身会受到严重破坏。相反,良好的雷达隐身不仅可以迫使敌方启动主动辐射探测装置而非被动探测装置,从而使己方通过被动装置感知威胁,对其定位识别,获得利用反辐射武器和电子攻击的机会,还可降低敌方探测系统的可信度,迫使敌方增加探测系统、火控系统和导弹等装备的复杂度和成本。
      1、当前雷达隐身技术
      按照特征信号的类型,雷达隐身可通过主动和被动特征信号控制和缩减两种途径实现。主动特征信号缩减的方法通常被称作低截获概率( LPI) 技术,包括辐射功率控制、辐射时间控制、宽频带、LPI 波形设计等。被动特征信号的缩减通常被称为低可观测性( LO) 技术,即通称的隐身技术,如雷达罩低RCS外形设计、频率选择表面( FSS) 技术、雷达罩非工作时间全反射设计、天线阵面倾斜设计、雷达舱采用吸波材料技术等。当前雷达隐身技术主要有低旁瓣天线技术、辐射峰值功率控制技术、隐身波形设计技术和孔径综合技术等。
      1.1  低旁瓣天线技术
      战斗机雷达的功率频段多选择在较高的X 频段,具有较窄的主瓣波束宽度,照射截获接收机的概率很低,被截获接收机截获的通常是副瓣辐射能量。理论上,通过天线孔径上幅度加权函数能够实现任意想要的天线副瓣,实现缩减天线副瓣的目的。当前有源相控阵发射副瓣缩减的加权方式有发射组件线性放大、天线孔径多阶加权、辐射单元特殊排布方式等。发射组件线性放大能够随意控制辐射功率,其代价是发射功率降低。天线孔径多阶加权是均匀加权与理想加权之间的折中,具有较好的工作稳定性。辐射单元特殊排布通过天线口径在特定方向上的投影模拟出在要求方向上的理想口径来实现特定方向上的辐射低副瓣。
      1.2 辐射峰值功率控制技术
      高增益、低副瓣状态下获得LPI 的重要途径是降低天线的峰值辐射功率,为了不损失距离分辨率和探测距离,这通常通过对发射信号进行调制,发射高带宽时宽积信号来实现。对于多机协同,可采用连续波、准连续波体制的收发分置方式,一部雷达发射,其他接收。而对于单机作战,主要工作于收发共用的脉冲方式,此时采用高占空系数和多脉冲重复频率来解决低峰值功率、高平均功率、距离遮挡和测量模糊问题。
      1.3  隐身波形设计电子支援系统
      随着ESM 快速测频技术的发展和广泛应用,ESM测频速度越来越快,工作于脉冲多普勒模式的传统雷达由于必须发射相参脉冲串以进行相参积累检测,在帧间不能改变发射频率,雷达工作频率很容易被ESM系统测量。特殊的波形设计是机载雷达躲避ESM系统侦察的主要手段,通过辐射复杂调制信号,可降低截获接收机对信号的检测、分选、识别概率,并提高匹配滤波得益。当前广泛使用的隐身信号有宽带线性调频信号、离散相位编码信号等,宽带线性调频信号已在机载雷达中广泛应用,雷声公司16 位的弗兰克码也在雷达中得到应用。
      1.4  孔径综合技术
      孔径综合是将雷达、通信、导航、敌我识别、电子对抗等功能的天线集成设计,减少战斗机上众多的天线数量和RCS,实现天线的低可观测性。这种设计以第五代战斗机F /A-22 和F-35 最为典型。F /A-22 使用的APG-77 有源相控阵雷达除了具有雷达功能外,还集成了情报侦察、电子干扰和通信等功能,支持无源定位能力。

      图 1 F-22 战斗机及其雷达系统
      2  下一代战斗机对雷达隐身的需求
      随着F-22、F-35、J-20 的服役以及Su-57 的成功试飞,军事强国纷纷开始探索下一代战机。美军为继续保持空中优势,作了大量预研工作,其下一代战斗机有可能在2034 年~ 2035 年服役; 苏霍伊公司于2016 年向国防部提交了发展下一代战斗机的初步报告,宣称要在2025 年前后首飞; 日本提出i3 战斗机构想,将于2030 年前后服役。
      2.1 下一代战斗机的概念
      美俄对战斗机的划代采用不同的方法,为避免混淆,本文将F-22、F-35、Su-57、J-20 之后的新一代战斗机定义为下一代战斗机。
      2.2  下一代战斗机的能力特点
      美军对下一代战斗机的主要使命任务定位为遂行进攻性和防御性的对空作战,作战样式包括空中遮断、近距空中支援、敌方防空压制等,要求具有更快的速度、更远的航程、更好的机动、更强的隐身、更全向的态势感知、更突出的武器打击和防御能力,同时还要求无缝实时接入基于网络系统的联合作战体系中。这些特点可归纳为5S,即超飞行能力、超隐身能力、超感知能力、超打击能力、和超协同能力。
      ( 1) 超飞行能力
      具有5 倍音速以上的高超声速飞行能力,实现快速打击; 能够实施爬升、盘旋、滚转和直线加速等各种超常规机动; 不进行空中加油作战半径达到2 000 km的远航程要求。
      ( 2) 超隐身能力
      实现对雷达、射频、声波、红外和可见光的“全频段隐身”能力。
      ( 3) 超感知能力
      具有性能先进的传感器系统,快速实时的数据链组网能力,以及先进的多传感器信息融合能力。
      ( 4) 超打击能力
      搭载定向能武器,具有超高速、超远程打击和弹道导弹拦截防御能力。
      ( 5) 超协同能力
      在体系联合作战框架下,能够通过动态重构,与各类作战力量、作战单元实现全程无缝协同作战。

      图 2 美日下一代战斗机
      2.3  下一代战斗机对雷达隐身的需求
      从下一代战斗机的能力特点来考虑,下一代战斗机对雷达隐身的最直接的需求是实现平台“全频段隐身”,提高战场生存能力从而完成作战任务的客观要
      求。这包含两个方面内容:
      第一是下一代战斗机雷达辐射信号具有较低的被敌方被动接收装置侦测的可能性;
      第二是对敌方主动辐射装置的低可观测性。
      随着ESM、雷达告警接收机(RWR) 等被动探测手段的突飞猛进,以及新型雷达探测体制、工作频段、处理技术的飞速发展,下一代战斗机被敌方预警探测系统发现的概率在成倍增加,必须把雷达隐身作为下一代战斗机隐身的整体中综合考虑。
      3  下一代战斗机雷达隐身技术
      针对下一代战斗机对雷达隐身的需求,以下从先进雷达体制、先进波形设计和一体化设计三个方面进行分析。
      3.1 先进雷达体制
      3.1.1 量子雷达
      量子雷达在发射端对量子态进行调控,在接收端对量子态进行处理,通过对量子资源的利用,提高了雷达信号的信息维度和处理效果,提升雷达的探测性能。在雷达隐身方面,量子雷达通过对光子量子态的检测,突破传统探测对电磁波幅度、相位等宏观物理量的局限,具有超高灵敏度,因此在保持目标检测能力不变的前提下,所需的发射功率更低,降低了被截获和侦收的可能; 另一方面,量子雷达对信号的量子态调制能够增强目标与杂波和干扰信号之间的区分度,从而提升在对抗环境下的抗干扰能力。
      量子雷达的研究于20 世纪60 年代起步,经过30 年的缓慢发展, 90 年代开始设计量子探测问题, 2000 年以后,量子雷达的研究逐步系统化,并围绕量子纠缠-干涉、量子照明以及量子相干态接收三方面展开。
      3.1.2 人工智能雷达
      人工智能雷达是将人工智能技术于雷达技术结合产生的新一代雷达系统。人工智能雷达采用闭环系统架构,以学习积累知识为核心,以信息熵为探测理论,能够实现高精度、自主化的目标和环境感知。在雷达隐身方面,人工智能雷达能够根据历史数据和实时感知信息以及任务需求自适应调整发射频率、波形、功率、波束形状等参数,实现雷达资源利用效率的最大化,降低被敌方接收装置探测的机会。
      3.1.3  微波光子雷达
      微波光子雷达使用微波光子技术代替传统雷达中基于电子技术的射频发射链路,能够克服传统电子器件的技术瓶颈,具有多频段、大带宽、可重构、多功能特征,对提高雷达低截获性能具有重要作用。微波光子技术使用高度集成的光器件,能够有效降低雷达的体积、质量,易于实现天线阵面与轻量化以及与战斗机表面的共形设计,可提高雷达的低可观测性能。美国、俄罗斯、意大利等国对微波光子雷达进行了研究。意大利已成功利用双波段微波光子雷达在现场试验中成功检测到多个海上目标,并精确跟踪到8 nmile( 1 nmile= 1.852 km) 外的船只,其试验系统如图3所示。俄罗斯近期也透漏成功研制出微波光子雷达收发样机。

      图 3 意大利双波段微波光子雷达系统
      3.1.4  分布式协同探测
      根据美国、俄罗斯、日本等国对下一代战斗机需求公布的信息,美国下一代战斗机将以系统簇( FoS) 的形式出现; 俄罗斯则明确表示其下一代战斗机将是无人机; 2016 年日防卫省在其《未来无人装备研发愿景》中提出发展与其下一代战斗机编组作战的无人机。可以发现,以分布式协同探测为特征的“超协同能力”都将成为下一代战斗机的核心能力。超协同能力是指下一代战斗机在体系联合作战框架下,能够“即时入网”、“动态重构”,并随时与各类作战单元、作战力量实现全程无缝协同作战的能力。这种协同实现了陆、海、空、天、电、网一体化,实现了基于网络系统的互联互通互操作,被称为“超维度网络系统”。通过这种途径,辐射源就可以根据战场整体局势的需要开启或关闭,从而提高战机载高威胁区的生存能力。
      3.2  先进波形设计
      先进波形设计随着复杂信号产生和处理技术的发展,峰值功率低、大带宽、调制形式复杂的隐身信号将成为支撑雷达隐身的重要手段。混沌信号、随机信号、混合调制信号等将成为LPI 信号研究的热点。混沌信号是确定性非线性系统中产生的一种貌似随机的信号,具有对初值敏感、各态历经、长期不可预测等特点。混沌信号与噪声信号类似,具有宽阔连续的频谱,雷达中的混沌信号有混沌编码( PSK/FSK) 和连续波调制混沌信号两大类型。随机信号是一种类似噪声形式的雷达信号,由于信号的随机性,随机雷达信号具有非常优异的LPI 性能,同时其模糊函数是理想的“图钉”形,具有很高的无模糊距离测量和速度测量性能和分辨率。典型的随机信号有随机调频连续波、正弦加随机调频连续波、随机二相码连续波等。为了进一步增强随机信号的LPI 性能和抗干扰性能,具有多重随机性的随机信号成为研究的重要方向。
      3.3 一体化设计技术
      下一代战斗机雷达一体化设计一方面是指功能设计的一体化,另一方面是指结构设计的一体化。功能设计的一体化将在当前综合孔径的基础上,向更高的集成度、综合度和共用度上发展。结构设计的一体化指雷达天线、天线罩和天线仓设计的一体化。一是雷达天线将采用减小天线外形尺寸的内埋( 嵌入式) 设计,共形布置在机身内部。二是雷达天线罩要能够使频带内、同极化的信号高百分率透过,而对频带外信号和不同极化信号有效阻断,从而实现频率、极化的滤波。对于天线仓,需要处理各种高频散射,如镜面反射、表面不连续散射、爬行波发射、行波散射、凹形区域散射等,可通过倾斜天线阵面、非工作表面涂覆吸波材料、连接部位采用混合线过渡,确保天线罩和天线仓以及天线仓隔离板的表面阻抗没有不连续性,平台表面到自由空间满足阻抗匹配等。
      4  结束语
      随着军事强国日渐把下一代战斗机列入研制日程,我国发展下一代战斗机也迫在眉睫。雷达隐身已经成为下一代战斗机隐身性能设计的瓶颈问题。实现雷达隐身既要利用量子、微波光子、人工智能等新兴技术开展创新型雷达系统的研制,也要应用主动和被动特征信号缩减手段,从雷达信号形式、天线孔径等方面开展研究和改进。要将雷达工作效能和隐身性能之间综合考虑,均衡设计,避免顾此失彼,以飞机总体单位需求为牵引,突破关键技术,保证第六代战斗机研制工作的开展。
      来源:下一代战斗机雷达隐身技术. 现代雷达, 2018.
      作者:梁海珊,女,1977 年生,南京电子技术研究所,高级工程师。