2. 中国传媒大学信息工程学院, 北京 100024
2. School of Information Engineering, Communication University of China, Beijing 100024, China
武器系统隐身化是当今战场电磁对抗的主流方向之一,良好的低可探测性能成为先进隐身装备的标志性特征[1, 2].自20世纪80年代以来,F-117A、B-2A参加实战,F-22A已装备军队,F-35、X-47B即将完成研制形成作战能力.隐身目标的核心是低RCS、低可探测性,目标RCS减缩10 dB,雷达威力下降约44%;目标RCS减缩20 dB,雷达威力下降约68%;目标RCS减缩30 dB,雷达威力下降约82%.飞行器隐身性能对雷达和整个武器系统作战效能产生致命影响:隐身技术结合诱饵技术是提高弹道导弹突防能力的有效手段:减小反导系统(BMD)探测器的作用距离,推迟BMD反应时间;增加BMD从诱饵中识别弹头难度,降低拦截成功概率;降低对有源诱饵及干扰装置的功率需求(例如弹头RCS减小10 dB,要求的干扰功率也减小10倍),提高了突防干扰的有效性.随着隐身技术的发展,“雷达-目标”之间的探测与反探测对抗,发展成为了新的隐身与反隐身技术的对抗.
雷达隐身技术途径主要有:低RCS外形技术[3]、吸波材料涂覆技术[4]、雷达吸波结构技术[5, 6]、无源与有源阻抗加载技术、等离子隐身技术等[7, 8].
研究飞行器雷达隐身特性的方法主要包括理论建模分析和试验测试[9, 10].当今的雷达系统面对的目标外形更加复杂,尤其是越来越多的经过隐身性能设计的飞行器散射量级低,并且包含大量的非金属结构,这就加大了理论计算的研究难度,也使得测试的方法成为获取目标电磁散射辐射特征数据的主要手段.
武器装备全面隐身化,隐身性能指标成为装备最重要的战技指标之一[11, 12].隐身测试评估是实现装备隐身性能不可缺少的重要环节,涉及隐身装备从方案设计验证、研制方案筛选、部件和整机隐身效果评估、使用维护检定等全生命周期.隐身性能评估测试已发展成为一项专业技术,在隐身装备研制中发挥重要作用.美、俄、欧等军事强国为促进装备隐身技术发展,建立了强大的隐身技术研究与试验体系,全面支撑了隐身装备研制发展[13, 14];高度重视隐身试验测试评估技术,建立了国立雷达目标散射特性测试场,用以飞行器隐身性能测试评估[15].本文介绍了飞行器雷达隐身测试评估技术,综述了飞行器雷达隐身性能试验测试体系和测试评估方法,介绍了国内外典型的测试场及测量技术进展,研究了低散射诊断试验测试技术,分析展望了电磁特性测试技术未来发展趋势.
1 测试评估体系目标电磁特性试验测试研究中采用的各类手段和要求构成了目标特性测试的试验体系,其中的要素包含测试场地和平台、测试目标和对象、测试方式和参量以及测试技术规范.在进行某种目标的具体测试时需要从上述要素的角度,考虑目标的本体、目标姿态、背景环境和目标特征信息空间的需要,根据实际情况选择测试平台和具体实施技术.
1.1 测试场地测试场地是目标电磁散射试验测试的基础条件,场地的类型决定了其适合进行的目标试验测试类型.测试场的分类方法很多,按场地建设方式可以分为室内测试场和室外测试场,按照目标状态和设备搭载平台类型可以分为静态测试场和动态测试场,按照测试电磁波属性可以分为近场测试场和远场测试场.所有这些测试场绝大部分都是为了获得目标区域的平面波照射,以便测得正确的RCS值.
室内测试场通常是以微波暗室的形式实现,诸如室内锥形暗室、球面波微波暗室、近场非消波测试场、室内紧凑场、近场扫描测试场等.室内测试场受自然环境影响小,测试精度高,保密条件较好.但受到场地尺寸和配套设备技术水平的影响,室内测试场对被测目标在各方面的限制相对较多[16].
室外测试场是在室外建设的测试场地,常见的有地平测试场、倒V形测试场、高架测试场、近场扫描测试场、动态测试场等.相对于室内测试场而言,室外测试场能适应更多尺寸类型目标的测试,某些测试过程中还引入了目标真实使用环境的背景条件,真实度较高.但室外测试场受自然条件影响较大,保密条件相对不好.
1.2 测试设备不论是哪种测试场,除场地之外,最重要的是有完整配套的测试设备.为了获取目标的电磁散射特性,测试设备至少应该包含以下5个部分:
1) 电磁波收发系统,用于发射和接收所需的电磁波信号.
2) 目标姿态控制系统,用于在测试过程中调整目标的姿态.如室内测试场中常用到的转台、低散射支架等设施.在室外动态测试场中这部分功能由目标与测试仪器间的相对运动实现.
3) 目标,包括内测目标和系统标校目标.常见的系统标校目标有金属球、金属平板、低散射载体、有源标校器、标校卫星和自然天体等.
4) 满足噪声要求的测试环境,使得噪声、杂波对所需测试信号的干扰最小的环境.
5) 控制和数据处理系统,能够多渠道的采集和分析目标特征信息.
1.3 试验测试的研究对象目标电磁散射特性试验测试技术的研究对象既包括具体装备、部件和形体这类狭义的目标,也包括雷达作战背景环境和气象环境的电磁散射特征,内容涉及“海、陆、空、天、电”5个维度中的各类目标与环境.主要归结为以下几大类:
第1类,测试研究己方军事目标特性,目的在于提升己方装备的生存能力并支持其进一步发展.
第2类,测试研究国外的军事目标特性,目的在于对潜在作战对象特性信息的理解掌握.
第3类,测试研究复杂战场环境的特性,用于解决作战环境掌握和装备环境相匹配方面的技术问题.
第4类,测试研究用于装备研制试验过程中所需要的靶机、靶标的电磁散射特性.
目标电磁散射特性试验测试还作为武器装备隐身突防性能测评的手段,在装备研制过程中占据着重要地位.
1.4 试验测试标准目标电磁散射特性试验测试技术具有很明显的专业性特征,需要有一套专门的标准体系来规范测试技术的应用与发展.电磁散射特性测试标准则具体说明了采用各类先进测试平台、测试技术获取目标特性各类数据所需要遵循的测试规范.其中最常用的包括:《室内缩比目标雷达散射截面测试方法》、《室外场雷达目标散射特性测试方法》、《空中目标雷达散射截面动态测试方法》等标准规范.
在目标特性测试技术规范化方面,其他国家也已进行了大量相关工作.特别是美国,由美军方、国家标准与技术研究所、IEEE等通力合作制定了相关的标准与通则,形成了《IEEE RCS测试程序推荐实施通则》、《美国国防部RCS测试场认证标准》、《RCS测试质量保证手册》等,这些文件建立了RCS测试场的质量认证体系.
1.5 隐身测试评估应用体系飞行器隐身性能的测试评估,主要利用室内微波暗室(紧缩场)、室外静态测试场、室外动态试验设施3种试验平台,分别完成隐身飞行器从概念设计到装备部队全寿命周期的隐身性能测评工作,不同阶段需要不同的测量手段和设备来支撑,从而形成了一个完整的研制生命周期如图 1所示.
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| 图 1 隐身性能试验评估应用体系Fig. 1 Stealth performance test evaluation and application system |
装备研制过程中,为了能更好地对装备目标特性进行设计和评估,在研制的不同阶段需要借助不同的测试手段对目标的散射性能加以测评.在装备的概念研究、设计验证和装备研制阶段,常需要验证一些设计样件、模型和零部件,室内静态测试实验室由于环境可控制度好,测量精确,比较适合此阶段的使用.当研制进入设计试生产阶段,对于全尺寸结构和模型的测试在精度相对较高的室外全尺寸静态测试场进行就会比较有效.当装备进入了生产应用阶段,室外动态试验设施将发挥对装备在真实应用环境中的评估与测试作用.如此根据各阶段的特点,测试评估体系可以全程准确支撑装备的研发.
2 国外测试场技术与发展 2.1 室外全尺寸散射特性测量室外静态场主要用于全尺寸目标包括实际武器装备的隐身性能的检测,它通过在室外搭建测量转台和轨道,形成大距离范围的测量系统,以此来满足散射特性测试所需的远场条件.
为了进行飞行器隐身性能评估和电磁散射特性测量,美国在全国建立了几十个骨干实验室、研究中心和测试基地[17],技术已经十分先进.最具代表性的是建立于1963年的美国国立雷达目标散射特性测试场(RATSCAT),目前有主测试场地和先进测试系统(RAMS)两个外场、静态雷达特性测试场地(见图 2).其他军工企业测试场还包括:洛克希德-马丁公司海伦达尔室外测试场、波音公司波德曼室外测试场(见图 3).
室外静态测试场历史长、直观、技术较成熟,是衡量武器系统低可探测设计效果的尺码,由于非金属结构材料大量用于军用飞行器等武器系统的设计制造.图 4所示为外军典型隐身飞行器外场测试图例.
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| 图 2 美国国立测试场(主测试场和先进测试系统)Fig. 2 USA National RCS test field (main test area and advanced measurement system) |
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| 图 3 洛克希德-马丁公司与波音公司室外测试场Fig. 3 Lockheed-Martin and Boeing outdoor test range |
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| 图 4 外军典型隐身飞行器外场测试图例Fig. 4 Schematic of typical foreign military stealth aircraft field testing |
紧缩场通过在微波暗室内采用精密的反射面,将点源产生的球面波在近距离内变换为平面波,从而实现散射特性测量要求的单一平面波照射和单一平面波接收的条件(见图 5).典型的室内紧缩场测量系统如林肯实验室的紧缩场(见图 6),该紧缩场可以测量尺寸为3.6 m的目标,波段为0.4~100 GHz.
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| 图 5 室内紧缩场测量示意图Fig. 5 Schematic of indoor compact range measurement |
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| 图 6 林肯实验室紧缩场及其反射面Fig. 6 Lincoln laboratory compact range and its reflector |
紧缩场占地小、效率高,不仅可以高精度地检测目标的RCS,提取其点频信号、频响特性、多维高分辨率成像,而且可以完成材料反射率及其电参数的测量,所有这些都是完成目标低可探特性研究必不可少的,随着紧缩场设计和制造趋于成熟,需求更加迫切,超大型紧缩场将得到发展,国外的波音公司已研制出静区达12 m的超大紧缩场.
2.3 近场扫描散射特性测量近年来发展的室内近场测量技术,采用近场变换测量与远场测试相比较的方法进行产品隐身性能的出场验收及使用维护后的检定测试.该技术效率高、成本低,逐渐成为散射测量领域关心的热点问题,各国都在不断加强与关注其理论与技术的发展.
近年来,近场散射特性测量在目标特性领域受到越来越多的重视.其中,美国、俄罗斯、欧洲各国、印度、南非等都加快了近场散射特性测量研究,并已开发出相应的近场测量设备,使近场测量真正走向了实用化.典型的近场测量系统是美国洛克希德-马丁公司的ATF(Acceptance Test Facility),该装置通过在有限的距离内测得的近场数据外推出其远场散射特性,在F-22战机和F-35战机的研制与出厂验收(见图 7)中,隐身效果的验证均是利用该测量系统来完成的.该测量系统效率高,与相关的硬件相配合,现在已经实现在一天内完成F-35隐身性能的初步验证.
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| 图 7 F22、F35近场测量示意图Fig. 7 Schematic of F22, F35 near field measurement |
随着隐身技术的发展与日趋成熟,隐身化已逐步成为飞行器发展的重要需求与特征,各种飞行器都提出了隐身化设计需求,它通常要求飞行器具有很低的电磁散射特征信号以此来降低被雷达发现的概率.对于飞行器这类大型复杂复合材料目标,利用现有的手段计算其散射特性非常困难.因此面向隐身装备的低散射测试技术,特别是低散射高分辨成像测试技术是分析诊断强散射源、指导隐身飞行器研制、评估飞行器隐身性能等的最有效、快捷、准确的手段[18].
3.1 低散射测试技术随着装备越来越注重隐身性能的设计,电磁散射测试所面对的目标散射截面积越来越小,各种闪烁噪声体现的也越发明显,这就对测试场和测试系统都提出了更高的要求.在RCS测试中,需要保证测试场背景回波水平比目标散射水平低20 dB，才能使测试结果不确定度达到1 dB,所以低散射测试技术主要解决的就是场地背景回波的问题.为了达到这个目的，测试中通常要使用专门设计的低散射支架来支撑目标,采用硬件脉冲距离选通、软件波门距离选通和矢量背景对消等方法.通过上述方法可以实现室内测试场有效目标RCS测试值达到10-4m2量级,室外测试场达到10-3m2量级.随着技术的发展,目标支撑结构的进步也为降低测试场地背景提供了更多的方法[19].除了采用更好的低散射外形设计和更高水平的表面吸波处理,带有目标平动功能的新型支撑系统配合后期信号处理,可以将支撑结构本身对场地背景和测试结果的影响进一步消除.
3.2 宽带幅相精密测试技术宽带幅相精密测试技术是指采用高稳定度全相参测试系统,配合精密目标姿态控制设备对目标进行宽带电磁散射特性测试的技术[20].测试过程中,要使用精密定标体对测试系统和环境进行精确的幅相标定.经过标定后,系统对目标散射场相位信息的测量精度可以达到优于2 dB的水平,进一步可以获得目标的宽带幅相精密测量数据.这些数据可以为目标高分辨处理、高精度目标识别方法研究等工作提供丰富的目标特征信息.
3.3 高分辨成像及散射中心诊断技术高分辨成像及散射中心诊断技术是建立在目标宽带特征和目标多散射中心理论基础上的,通过对目标的大带宽频率阶跃和多孔径角合成的方法,可以得到目标的高分辨图像,对目标散射中心分布情况进行分析诊断[21, 22].
在高分辨成像时,测试结果的分辨率是由测试带宽和测试孔径张角决定的.以二维高分辨为例,成像的径向距离分辨率为
,横向距离分辨率为
,其中c为光速,B为测试带宽,λ为波长,Δθ为测试孔径角,如图 8所示,图中xOy为目标坐标系,uOv为目标坐标系旋转θ角度后的新坐标系,(r,φ)为目标在uOv坐标系下的极坐标,R0为目标旋转中心与发射接收天线连线的距离,2d为发射天线与接收天线的距离,Rt与Rr分别为发射天线、接收天线与目标上散射中心(x,y)的距离,le为散射中心(x,y)在旋转过程中的投影线.
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| 图 8 微波成像几何关系图Fig. 8 Relation schematic of microwave imaging geometry |
图 9所示为雷达目标的二维、三维高分辨成像图例.高分辨成像测试为雷达目标散射机理分析及强散射源诊断提供了十分重要的方法,是进行隐身目标检测评估的主要手段.
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| 图 9 目标高分辨成像及散射中心诊断Fig. 9 Target high resolution imaging and scattering centers diagnostic |
使用隐身材料是现代装备隐身设计中常使用的重要手段,由于隐身材料电磁参数复杂、材料成分种类繁多,对其性能进行精确理论计算分析是非常困难的,所以测试成为对隐身材料性能进行评估的最有效、最直接的手段.
隐身材料的性能评估测试主要包括材料电磁参数测试和材料反射率测试,其中反射率测试是电磁散射测试中比较重要的一部分.常用的测试方法有远场RCS测试法和弓形测试法.
4 雷达隐身测试技术发展趋势随着装备隐身反隐身、探测反探测、识别反识别技术的对抗发展,目标电磁散射特性研究始终是一个热点,得到越来越多的关注,同时促进了目标电磁散射特性试验测试技术的发展.以美国和部分欧洲国家为代表,总结其电磁散射测试技术发展,表现出以下特点:
1) 向多波段、多极化、更宽的带宽方向发展.低频隐身特性、太赫兹散射特性需求,测试带宽覆盖0.03~2 000 GHz(从VHF到THz)的频带范围.新型冲击雷达超宽带测试,全极化、厘米级超分辨成像诊断技术.
2) 外场场地大型化,单站向双站和多站测试发展.双站/多基地反隐身需求促进了外场双站和多站测试技术发展.
3) 室内测试系统、近场扫描测试系统日益先进、完善.基于近远场传递关系的近场扫描测试极大的提高了测试的操作性,能更好地满足大型、新型装备的现场、实时评估测试需要.
4) 测试技术的规范化方向发展.统一标准的测试规范文件和测试场地的认证系统,有利于测试技术的规范化,也有利于目标特征数据的交流和应用,推动测试技术的发展.
5 结 论综上所述,国外雷达隐身测试评估技术的发展主要围绕装备隐身反隐身、探测反探测、识别反识别技术与对抗发展需求,以装备隐身研制试验及装备隐身伪装突防性能评估为背景,重点突破了大宽带/多频谱测量、动平台动态跟踪测量、极低RCS测量、双/多站测量、新型隐身材料和隐身技术的试验测试等技术,拓展和完善了室内(室外)场测试系统,建立并完善了地、海、空、天的试验评估体系,形成了满足各类装备隐身突防伪装性能试验测试评估能力,支撑装备隐身技术快速发展.
| [1] | 黄培康.雷达目标特征信号[M].北京:中国宇航出版社,1993:13-14.Huang P K.Radar target characteristic signal[M].Beijing:China Astronautic Publishing House,1993:13-14(in Chinese). |
| [2] | 黄培康,殷红成,许小剑.雷达目标特性[M].北京:电子工业出版社,2005:265-269.Huang P K,Yin H C,Xu X J.Radar target characteristic[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2005:265-269(in Chinese). |
| [3] | 桑建华.飞行器隐身技术[M].北京:航空工业出版社,2013:182-196.Sang J H.Low-observable technologies of aircraft[M].Beijing:Aviation Industry Publishing House,2013:182-196(in Chinese). |
| [4] | 陈文.隐身飞机的维修经验[J].国际航空,1990,12(3):58-60.Chen W.Stealth aircraft maintenance international aviation[J].International Aviation,1990,12(3):58-60(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (5) | |
| [5] | 许占显.隐身飞机的质量探测与维修技术研究[J].航空维修与工程,2012,12(1):68-70.Xu Z X.Quality detection and maintenance technology research for stealth aircraft[J].Aviation Maintenance & Engineering,2012,12(1):68-70(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (1) | |
| [6] | 杨亮.雷达吸波涂层损伤及修复研究进展[J].新技术新工艺,2009,12(1):97-99.Yang L.The repair technique and the damage of radar absorbing[J].New Technology & New Process,2009,12(1):97-99(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (5) | |
| [7] | 张卫东,冯小云,孟秀兰.国外隐身材料研究进展[J].宇航材料工艺,2000,30(3):1-4.Zhang W D,Feng X Y,Meng X L.Status and development of foreign study on new stealthy materials[J].Aerospace Materials and Technology,2000,30(3):1-4(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (201) | |
| [8] | 赵敬,杨雪.等离子体隐身技术浅议[J].航空科学技术,2001(4):34-35.Zhao J,Yang X.Plasma stealth technology[J].Aeronautical Science & Technology,2001(4):34-35(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (9) | |
| [9] | 张麟兮,李南京,胡楚风,等.雷达目标散射特性测试与成像诊断[M].北京:中国宇航出版社,2009:61-67.Zhang L X,Li N J,Hu C F,et al.Radar target scattering characteristics measurement and image diagnostic[M].Beijing:China Astronautic Publishing House,2009:61-67(in Chinese). |
| [10] | 何国瑜,卢才成,洪家才,等.电磁散射的计算和测量[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006:163-167.He G Y,Lu C C,Hong J C,et al.Calculation and measurement of electromagnetic scattering[M].Beijing:Beihang University Press,2006:163-167(in Chinese). |
| [11] | Obaid Y.Lessons learned from the F/A-22 and F/A-18E/F development programs[M].Santa Monica:the RAND Corporation,2005:29-40. |
| [12] | 余宏明.雷达/电子战中的现代隐身技术[J].现代雷达,2007,29(6):25-27.Yu H M.Modern stealth technique in radar/EW[J].Modern Radar,2007,29(6):25-27(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (8) | |
| [13] | Bill S.IDR technology and aerospace editor[J].JSF-Hidden Problems of Stealth,2002,1(31):111-116. |
| [14] | 王瑞凤,杨宪江,张彦朴.解析武器装备的隐身问题[J].探测与控制学报,2008,30(增刊):77-79.Wang R F,Yang X J,Zhang Y P.Analysis on stealth technology of weapon equipment[J].Journal of Detection & Control,2008,30(Supplement):77-79(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (2) | |
| [15] | Grant R.The radar game[M].Virginia:IRIS Independent Research,1998:25-27. |
| [16] | 张麟兮,郭静远,魏世京,等.内场RCS测试环境中误差的消减方法研究[J].现代电子技术,2011,34(13):13-15.Zhang L X,Guo J Y,Wei S J,et al.Investigation on reducing environment errors in indoor RCS measurement[J].Modern Electronics Technique,2011,34(13):13-15(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (2) | |
| [17] | 麻连凤,桑建华,陈颖闻.隐身目标RCS外场测试概述[C]∥2013航空试验测试技术学术交流会论文集.北京:中国航空学会,2013:51-53.Ma L F,Sang J H,Chen Y W.Overview of stealth target test in outdoor range[C]∥The Proceedings of Aviation Testing Technology in 2013.Beijing:Chinese Society of Aeronautics and Astronautics,2013:51-53(in Chinese). |
| Cited By in Cnki | |
| [18] | 刘君,马瑶,渠立永,等.微波暗室低散射目标RCS测量方法[J].解放军理工大学学报:自然科学版,2013,14(1):300-303.Liu J,Ma Y,Qu L Y,et al.Research on radar cross section measurement method of low-scattering objects in microwave anechoic chamber[J].Journal of PLA University of Science and Technology:Natural Science Edition,2013,14(1):300-303(in Chinese). |
| Cited By in Cnki | |
| [19] | 安大卫,李志平,陈五一.低散射目标支撑金属支架的外形参数优化[J].电讯技术,2015,55(3):333-335.An D W,Li Z P,Chen W Y.Shape optimization of target support low-scattering metal pylons[J].Telecommunication Engineering,2015,55(3):333-335(in Chinese). |
| Cited By in Cnki | |
| [20] | 莫锦军,袁乃昌.一套先进的自动测量计算超宽带紧缩场测试系统[J].计算机测量与控制,2002,10(9):573-574.Mo J J,Yuan N C.An advanced automatic measuring computational UWB compact range system[J].Computer Measurement & Control,2002,10(9):573-574(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (8) | |
| [21] | 肖志河.旋转目标微波成像的滤波-逆投影法[D].北京:航天科工集团207所,1989.Xiao Z H.Research on CBP imaging technique for rotating targets[D].Beijing:CASIC 207 Institute,1989(in Chinese). |
| Cited By in Cnki | |
| [22] | 王保平,张麟兮,范九伦,等.新的滤波-逆投影成像算法[J].计算机工程与应用,2009,45(32):16-18.Wang B P,Zhang L X,Fan J L,et al.New filtered back-projection algorithm[J].Computer Engineering and Applications,2009,45(32):16-18(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (2) |