雷达隐身与反隐身
一、引言
谈起隐身你可能会联想到《哈利波特》中霍格华兹魔法学院的隐身斗篷，但我们在这所讲的隐身主要是雷达波的隐身以及反隐身。隐身和反隐身技术在现代战争中具有重要作用和战略意义, 上个世纪的局部战争已充分证实了这一点，如美国的F-117飞机在1989年入侵巴拿马和1991年轰炸伊拉克的战争中大显神威, 这就是隐身技术应用的成功实例。作为矛与盾的对抗，反隐身技术也在随着隐身技术的发展而不断地更新着。
隐身与反隐身技术越来越受到人们的重视。目前应用于武器系统中的探测手段有雷达、红外、激光和声波等,而雷达在各种探测器中占有相当重要的地位,因此研究雷达的隐身和反隐身技术势在必行。
二、雷达基本原理
雷达发射机输出的功率馈送到天线，由天线将能量以电磁波的形式辐射到空间，电磁波脉冲在空间传输过程中遇到目标会产生反射，雷达就是利用目标对电磁波的反射、应答等来发现目标
的。但雷达的探测距离有一定范围,雷达探测的基本原理和系统特征可以用雷达方程来描述:
                     
式中：为雷达发射功率，为雷达最小可检测信号，为发射天线的增益，为接收天线的增益，为雷达工作波长，为目标的雷达散射截面积（RCS）。
雷达截面积是目标对入射雷达波呈现的有效散射面积。从公式中可以看出雷达最大作用距离与目标的雷达截面积的次方成正比。因此,要减小雷达的最大作用距离可以通过减小目标的RCS 来实现。目前用来减小目标RCS的主要途径有两种：一是改变飞机的外形和结构，称之为外形隐身；二是采用吸收雷达波的涂敷材料和结构材料，称之为材料隐身。
三、雷达隐身技术
隐身技术，又称隐形技术，准确的术语应该是“低可探测技术”。隐身技术是一种研究如何减小目标的可探测性，使目标不易被探测器发现的技术。雷达对目标的探测是靠接收目标在雷达波照射下产生的回波来实现的，如果目标的表面能使雷达波被散射或吸收，就可以大大减
小被对方雷达发现的概率，从而达到隐身的目的。
1.外形隐身
理论计算和实际测试都证明，尺寸相近的两架飞机，如果外形不同，它们的RCS值可能有很大差别。例如，常规战略轰炸机B-52与采用了外形隐身技术等措施的隐身轰炸机B-2相比，虽然轮廓尺寸相仿，但RCS值却相差达1000倍。可见, 合理的外形设计能大幅度降低飞机的雷达回波强度。从原理上说, 外形隐身技术只是改变飞机雷达回波的传播方向, 使强回波转向受探测威胁较小的方向, 而不是减弱回波的总能量。因此在设计外形时, 在满足空气动力学的前提下，应尽量减弱目标的主要方向上的强度。不同用途的飞行器有不同的结构和外形, 所以 具体的外形隐身技术措施也是多种多样的, 但是它们存在一些遵循的共同原则：在机身和翼面交接处采用弧面连接，在机体表面尽量避免凸起、凹陷、缝隙和台阶，使飞机表面尽量光滑和“干净”；采用大后掠角机翼；座舱与机身融合；改变发动机的常规直管进气道为异形进气道，如S形进气道，发动机采用半埋入式或完全埋入机内、翼内的安装方式及背部进气等，利用机身、机翼遮挡进、排气口；减少飞行器表面的突出物，尽可能取消武器、吊舱和副油箱等外挂物。原则上把威胁最大区域的RCS移出受雷达威胁的主要方位区域。
2.材料隐身
吸波材料吸收雷达电磁波的基本原理是将雷达电磁波吸收或衰减，将电磁能量转换成为其它形式的能量(如热能) 而消耗掉。雷达吸波材料按其功能可分为涂覆型和结构型。涂覆型吸波复合材料施工方便，成本低，适用于复杂外形；结构型吸波复合材料通常是将吸收剂分散在特种纤维(如玻璃纤维、石英纤维等) 增强的结构材料中所形成的结构复合材料，其典型特点是既能承载又可减小目标的RCS。目前，世界军事大国正在使用或开发的隐身材料主要有以下几种：
(1)手性材料。手性是指一种物体与其镜像不存在几何对称性且不能通过任何操作使物体与镜像相重合的现象。研究表明，具有手性特性的材料，能够减少入射电磁波的反射并能吸收电磁波。雷达吸波型手性材料，是在基体材料中掺杂手性结构物质形成的手性复合材料，它是很有发展前途的一种吸波材料。
(2)纳米隐身材料。近几年来，对纳米材料的研究不断深入，证明纳米材料具有极好的吸波特性，它具有频带宽、兼容性好、质量轻、厚度薄等特点,可以满足对吸波材料“轻、薄、宽、强”的要求。
(3)导电高聚物材料。这种材料是近几年才发展起来的，由于其结构多样化和独特的物理、化学特性，因而引起科学界的广泛重视。将导电高聚物与无机磁损耗物质或超微粒子复合，可望发展成为一种新型的轻质宽频带微波吸收材料。
  (4)多晶铁纤维吸收剂。欧洲伽玛(GAMMA)公司研制出一种新型的雷达吸波涂层，系采用多晶铁纤维作为吸收剂。这是一种轻质的磁性雷达波吸收剂，可在很宽的频带内实现高吸收效果，且重量减轻40％～60％，克服了大多数磁性吸收剂所存在的过重的缺点。
(5)智能型隐身材料。智能型隐身材料技术是80年代逐渐发展起来的一项高新技术，智能材料具有感知功能、信息处理功能、自我指令并对信号作出最佳响应功能。目前,这种材料已广泛应用于军事和航空领域。
四、雷达反隐身技术
反隐身技术是研究如何使隐身措施的效果降低甚至失效的技术。雷达隐身是主要发展和使用的隐身技术，因此反雷达隐身也是当前重点发展的反隐身技术。
1.发挥单基地雷达的潜力
为弥补目标RCS下降所造成的探测距离缩短，应提高雷达发射机功率和天线孔径乘积，采用频率、极化分集，优化信号设计和改善信号处理等措施。例如采用相控阵雷达，则较容易实现上述要求。普通雷达天线采用机械扫描，这种方法简单易行，但是存在着明显的缺陷：机械惯性太大、扫描速度太慢。相控阵雷达则可轻易解决上述问题，它是一种多功能高性能的新型雷达，其天线阵由许多天线单元排成的阵列组成。通常，天线阵元少的有几百，多则为几千甚至数十万。由于此类雷达利用波束控制计算机按一定的程序来控制天线阵的移相器，从而改变阵面上的相位分布，促使波束在空间按一定规则扫描，因此相控阵雷达具有多功能、多目标、远距离、高数据率、高可靠性和高自适应能力等优点。
2.天波超视距雷达
这是一种工作在3—30MHz短波频段，利用电离层返回散射传播机理，实现对地平线以下超远程运动目标进行探测的新体制陆基雷达（原理图见下页）。
OTH-B雷达由于工作在高频波段，其波长为10—60m，大部分飞行器的尺寸及其主要结构的特征尺寸均与其波长接近或小于其波长。因此如果目标的散射处于谐振区或瑞利区，其RCS会大于光学区的RCS。处于瑞利区时，其RCS与目标形状的细节无关而只同其体积或照射面
积有关，亦即外形设计隐身这时是无效的。在此工作频段吸波材料的作用也是无效的，而且OTH-B的电波被电离层反射后自上而下照射目标，这正是外形隐身设计最薄弱的视角。由此可见，超视距雷达OTH-B是探测隐身目标最有希望的手段。
b21隐形轰炸机
高频天波（OTH-B）雷达原理图
3.无源雷达
无源雷达自身不辐射电磁波，而是借助外部辐射源来进行目标的探测和定位。其利用的外部辐射源包括目标携带辐射波和待探测地区已有的非协同式辐射波，前者包含目标的雷达、通信、敌我识别应答机、有源干扰机等，后者包括地面广播电台、电视台、通信站、直播电视卫星、导航定位卫星、各种平台上的有源雷达等。同时此种雷达去除了对传统雷达发射机部分的需要,自身不发射功率,难以遭到反辐射导弹的侦测和攻击,提高了战场生存能力。因此无源雷达对目标甚至隐身目标的探测具有广阔的前景。目前国内由南京理工大学与中电十四研究所合作研制的无源雷达在测试中取得了良好的效果。
4.双/多基地雷达
一般的雷达是单基地的,即发射机和接收机安装在一起,且通常共用一个天线。而双基地或多基地雷达的收发系统分置两地或多地，且分置的距离可以与探测的距离相比。由于隐身飞机的隐身效果不是全方位的，它主要是减小从正前方（鼻锥）附近，水平、垂直范围照射时的后向散射截面，而目标其他方向散射RCS明显增大。双基地或多基地接收站收到的是目标在其他方向上的散射，以此来发现隐身目标。由于接收机静默，故这种体制的雷达在抗后向有源干扰和抗反辐射导弹方面有明显优势。因此，双/多基地雷达体制是探测隐身飞行器很有潜力的一种体制。
5.机载/星载雷达
这种雷达安置在飞机、飞艇、气球、卫星和宇宙飞船等空中载体上, 从隐身飞行器的上方、侧向和尾部等隐身能力薄弱的方向照射,提高了探测目标的概率。
6.雷达组网技术
由不同频段的单基地雷达、各种双/多基地雷达或分布式雷达进行联网，整个雷达网由一个控制和数据处理中心管理。雷达网增强了对隐身飞行器的探测与跟踪能力，它用不同频率的雷达波从不同视角照射目标，可以获得隐身飞行器完整而连续的航迹。
隐身目标大多采用了多种隐身技术，而任何一种单一的反隐身技术都存在相应的局限性。要想较好地探测到隐身目标就必须综合利用多种反隐身技术措施，合理运用各种反隐身手段。
五、结束语
隐身技术为当今国防高科技，但正所谓“有矛必有盾”，反隐身技术也在飞速发展着，任何一方的技术突破带来的失衡必然导致另一方技术的奋起直追。技术上的领先和创意将是竞争中出奇制胜的法宝。
参考文献
《雷达原理》第三版            丁鹭飞  耿富录          西安电子科技大学出版社
《雷达隐身和反隐身技术》      凌晓曙                《船舶电子对抗》30卷3期
《隐身与反隐身技术》          李为虎  杨富利        《现代物理知识》15卷2期
《隐身技术—黑魔力的艺术》  [美]琼斯                航空工业出版社

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