潜用光电设备及其升降装置雷达波隐身设计研究

张寅，李忠，戴德山

(华中光电技术研究所−武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430223)

0 引言

随着隐身探测技术的发展，雷达探测技术作为远距离先敌探测的主要技术手段，其应用日益广泛，对飞机、舰船、潜艇、坦克等武器装备的作战生存产生了严重威胁。为此，世界主要军事国家都对反雷达探测技术即雷达波隐身技术展开了研究，并广泛应用于武器装备中[1]。

潜用光电设备安装在潜艇舷外，作为潜艇在水下航行时少数暴露在水平面上的设备，其隐身性能的好坏直接影响潜艇的隐身性能。因此有必要对潜用光电设备开展隐身设计研究，提高其雷达波隐身性能，进而提高潜艇安全与作战生存性能[2]。

雷达波隐身技术主要包括外形隐身技术、材料隐身技术、无源和有源对消技术等[3]。无源对消技术由于适用频段太窄，有源对消技术由于使用太复杂而难以在潜用光电设备上实施。本文结合雷达波散射机理，首先从结构外形影响因素、隐身材料方面对雷达波隐身性能的影响进行分析，然后从外形隐身技术和材料隐身技术2 个方面对潜用光电设备进行雷达波隐身设计研究，探索潜用光电设备雷达波隐身设计发展的方向。

1 雷达波隐身技术分析

1.1 雷达波散射机理

雷达散射截面（Radar cross section,RCS）定义为在单位立体角内目标朝接收方向散射功率与从给定方向投射到目标的平面波功率密度之比的4π 倍[4]，即是一种假想面积。

将散射功率归一化处理使得由于散射波以球面扩散引起的衰减不致成为计算雷达散射截面的一个因子，则雷达散射截面可以表示为[5]：

式中：上标i，s分别表示入射场、散射场；E，H分别表示场功率、场功率密度、电场强度、磁场强度。

按照基于雷达测量观点，收发天线位于同一地点，可得到目标雷达散射截面σ的表达式为[6]：

式中：A为天线的接收有效面积，m2；Pi为发射功率；Ps为散射功率；G为天线增益；R为雷达的作用距离。

从上式可以看出，目标的雷达截面积与雷达的作用距离的4 次方成正比，如果隐身目标是降低雷达探测距离50%，则需雷达截面积减小到原来的1/16。

根据电磁波理论中雷达散射截面与波长关系，在高频区（光学区），目标散射体各个部分之间累计的相互影响很小，一个散射体可作为各独立的散射中心的集合来处理[7]。几何形状比较简单的物体，如球体、圆柱、锥体等，可以直接计算出它们的雷达截面积。对于复杂目标，如飞机、舰艇、地物等，其雷达散射截面是视角和工作波长的复杂函数。尺寸大的复杂反射体常近似分解成许多独立的散射体，每一个独立散射体的尺寸仍处于光学区，各部分没有相互作用。总的雷达截面积是各部分截面积的矢量和[8]，即

式中：σk为第k个散射体的截面积；dk为第k个散射体与接收机之间的距离。

在X 波段频率，潜用光电设备外形尺寸远大于波长，因此可以视其为电大尺寸物体，其各个组成部分（如潜用光电设备本体、流线型升降装置等）可以认为独立起作用。对于潜用光电设备，其本体与流线型升降装置部分由于受到约束条件限制，对其能够采取的隐身措施不同，因此需要对其分别进行隐身设计研究。

雷达隐身技术主要途径包括外形隐身技术和材料隐身技术[9]，其中外形隐身占隐身贡献的2/3，材料隐身占隐身贡献的1/3。

1.2 外形隐身技术

外形隐身技术是实现目标体隐身技术最直接有效的手段。根据雷达散射截面计算公式，目标体RCS 值与其外形尺寸大小紧密相关，所以为降低目标体RCS值，其核心原则是实现小型化设计。在小型化设计的基础上，在保证总体技术要求的前提下，将目标强散射中心转化为次散射中心，或是将强散射中心移出受雷达威胁的主要方位区域。

外形设计中主要采用多棱面外形和融合外形技术[9]。前者是将外形设计成多棱面体，使得目标体沿周向只呈现出几个有限的窄散射峰值，而在其他宽方位角内的RCS 则很小。融合外形技术包括平面和空间的三维融合，通过对截面形状进行合理设计，使其镜面散射变为劈形边缘绕射，从而可以大大降低侧向RCS 值。

1.3 材料隐身技术

材料隐身技术是指对入射的雷达波进行吸收使其在所有方向上回波信号显著衰减从而减小雷达散射截面的技术[10]。其主要工作机理是通过物理作用机制如电感应、磁感应、电磁散射等将电磁能量转化为热能并耗散掉。相比外形隐身设计，材料隐身技术不用改变目标体的结构外形，在所有方向上对雷达波都有衰减,并且在外形难以优化设计的区域也可以使用。

隐身材料按成型工艺和承载能力主要分为涂敷型隐身材料和结构型隐身材料[11]。涂覆型隐身材料是将吸收剂与粘接剂混合后涂覆在目标物体表面形成涂层[12]，具有涂覆方便灵活，易调节的特点，受到各主要军事国家的重视，几乎所有武器装备表面都涂覆有雷达吸波涂层。其缺点是可靠性差，容易脱落，吸收频段窄，不耐高温；结构型隐身材料通过将吸收剂融合在复合材料中形成兼具承载与雷达波吸收性能的材料[12]，相比涂覆型吸波涂料，其更加稳定可靠，吸收频段宽，不额外增加重量，可以成型各种复杂的形状，是未来隐身材料发展的趋势。

2 隐身设计

为开展潜用光电设备雷达波隐身设计研究，制作试验模型来验证采取隐身设计措施前后的影响。该试验模型主要由潜用光电设备本体，下部包裹支撑本体部分的流线型升降装置两部分组成，如图 1 所示。

图1 潜用光电设备模型组成图Fig.1 Outline drawing of the out-water part of underwater optronic device modal

2.1 潜用光电设备本体隐身设计

根据前文对雷达波散射机理的分析，对于潜用光电设备本体，其外形隐身设计的核心原则是在保证总体技术要求的前提下，实现本体小型化设计；将设备本体大的平面、圆柱面设计成多棱面体，便得整个潜用光电设备本体沿360°周向只呈现出几个有限的窄散射峰值，而在其他宽方位角内的RCS 值很小。采用外形融合技术重点解决潜用光电设备本体不同外形要素之间的过渡问题。根据雷达散射截面计算公式，雷达波反射最强的形状是直三面角、直二面角、平面、凸状弯曲面，而锥形、多棱面体和二次曲面则对雷达波反射较小，所以在潜用光电设备本体外形设计时应避免直三面角、直二面角和大的平板，以避免出现镜面反射和角反射器效应。

随着对隐身技术要求的提高，需要对潜用光电设备本体结合光学系统进行优化设计。对外形采取融合技术进行设计，根据其外形特征，在窗口处较大平面易产生镜面反射，固定窗口的压盖与头罩之间连接处会出现直二面角，此处为潜用光电设备本体强散射点，出现局部峰值。受限于潜用光电设备功能，难以对此处进行外形优化设计，为此采用材料隐身方法，对潜用光电设备本体模型除窗口部分外其余金属外表面涂覆雷达吸波涂层的方法抑制整体RCS 值，如图 2所示。经过模型测试，潜用光电设备本体相比未采取隐身措施前，周向RCS 均值降低为原来的8.5%，峰值减小为原来的1/4，对潜用光电设备本体的隐身设计有效控制了其雷达散射截面值。

图2 潜用光电设备本体隐身模型Fig.2 The stealth modal of the underwater optronic device

2.2 升降装置隐身设计

传统的升降装置通常为圆柱形，根据前文对雷达波散射机理分析，圆柱形为较强散射源，而且其在潜艇航行时水动力作用下会产生较长尾迹与卡门涡街，并产生较强水动力噪声。从提高雷达波与尾迹隐身性能，减小水动力噪声角度出发，对升降装置外形进行优化设计，外形设计为具有导流功能的流线型，可减小航行时水动力作用下产生的卡门涡街，降噪性能好，可提高设备使用航速。采用复合材料设计流线型升降装置，可以进一步减小其对于雷达波的强反射，减轻设备重量，降低噪声。目前逐渐采用复合材料非穿透式升降装置。

随着隐身要求越来越苛刻，而考虑到迎水阻力与水动力噪声，难以对流线型实施外形优化设计，目前采用的隐身措施是在流线型升降装置外表面涂覆过渡导电涂层实现复合材料表面金属化，用以实现与雷达吸波涂层表面的阻抗匹配，在导电涂层外涂覆雷达吸波涂层的方法实现升降装置的隐身设计，如图 3 所示。经过模型测试，流线型升降装置相比原复合材料状态，周向RCS 均值降低为原来的1/3，峰值缩减为原来的1/2，对流线型升降装置采取的隐身措施能够有效降低其雷达散射截面值。

图3 流线型升降装置隐身模型Fig.3 Stealth modal of the fairshaped lifting device

3 结语

根据以上分析并结合潜用光电设备特点可知：对于潜用光电设备本体，引起较强雷达波反射源主要是窗口平面部分、窗口压盖与头罩结合部位形成的直二面角和角反射器、下部圆柱法兰部分；对于流线型升降装置，其强散射点为迎水面部分，左右舷流线型接近平面部分以及尾部圆弧的曲率半径方向。虽然采取隐身措施后潜用光电设备RCS 值相比之前状态大幅降低，但随着潜用光电设备本体功能集成化程度越来越高，其小型化空间受限。目前潜用光电设备本体采用的外形设计方法，流线型升降装置采取的材料隐身方法难以满足今后越来越严苛的隐身要求。为此，后续对于潜用光电设备及其升降装置的雷达波隐身设计研究建议如下：

1）对于潜用光电设备本体，结合光学系统设计，在不影响视场的情况下将窗口由垂直布置更改为倾斜布置，通过增加倾斜角避开水平入射角度大平面对于雷达波的强平面反射。对于固定窗口的压盖与头罩之间连接处，应尽量采用平滑外形过渡，避免形成直二面角和角反射器强反射。

2）对于流线型升降装置，受制于总体尺寸以及水动力流体性能要求，难以对外形实施进一步优化设计。复合材料表面金属化涂覆雷达吸波涂层的方法虽然能够降低一部分RCS 值，但这是以牺牲小型化设计为代价的。复合材料表面增加过渡金属导电涂层后，其雷达散射特性由透射性为主变为全反射性，强散射源由原来被复合材料包覆的潜用光电设备圆柱形法兰变更为流线型升降装置外表面，其周长显著增大，仅靠流线型外表面涂覆的雷达吸波涂层来吸收雷达波。对于雷达散射截面控制实际上采取的是一种外形增大再通过隐身材料来抑制雷达散射截面的办法，后续工作需要研究复合材料隐身机理，将复合材料与隐身材料融合，研制结构型隐身材料，重点考核结构型隐身材料力学性能与环境适应性能，实现流线型升降装置隐身性能提升。

3）考虑到目标RCS 值与外形尺寸密切相关，控制了潜用光电设备的出水高度也就控制了目标高度尺寸，因此可以考虑对升降装置出水高度控制技术进行研究，使其出水高度尽量小或者相对于不同海情均能保持相对较小值，这样也就控制了潜用光电设备的RCS 值，使其能够满足日益提高的隐身要求。