基于雷達成像的地面停留隱身飛機探測?

蔣忠進,趙書敏,耿江東,李希同

(1.東南大學毫米波國家重點實驗室,江蘇南京210096;2.東南大學無線通信技術協同創新中心,江蘇南京210096;3.中國空空導彈研究院,河南洛陽471009;4.清華大學精密儀器系,北京100084)

0 引言

如今美國已經有F-22隱身戰斗機和B-2隱身戰略轟炸機正在服役,F-35隱身戰斗機、X-47B隱身無人機和一些其他型號的隱身飛機正在研制和試飛,而著名的隱身轟炸機F-117則已經退役。除美國以外,其他國家也在大力研制隱身飛機,以適應現代戰爭的需要。這些國家的隱身飛機對我國的軍事安全形成潛在的威脅,如何進行反隱身是一個迫切需要解決的問題。

國內眾多科研機構對反隱身的基礎理論和應用技術進行了大量研究,包括隱身飛機的電磁散射特性、低頻雷達、雷達組網和多基地雷達等[1-9]。在電磁散射特性方面,國內的研究主要集中在雷達散射截面(RCS)的分析,包括RCS的方向特性、頻率特性和極化特性。各研究結果均表明,目前的隱身飛機在俯仰角為90°±30°、方位角為0°±30°范圍內,后向單站RCS可低達約-30 dB,很難被我方雷達探測到。此處,俯仰角90°表示水平方向,方位角0°表示飛機的鼻錐方向。

目前的隱身技術已經達到一定的高度,但還是存在不足,如不能全角度和全頻段隱身、機動性會受到影響、外掛設備內置會導致彈載量降低等[4]。由于不能全角度隱身,使得隱身飛機在某些角度能被探測到,比如當它們停留在地面機場時,就可以被機載SAR成像雷達發現,因為此時機載雷達已經避開了隱身飛機的最佳隱身范圍。

本文的研究側重于探討當隱身飛機停留在地面上時的可探測性,即采用SAR成像的方式,看能否發現停留在機場上的隱身飛機。該研究涉及到敵方與隱身飛機相關的軍事部署,在情報獲取方面具有重要的應用價值。本文以F-22為例,對隱身飛機進行SAR成像仿真,發現在俯仰角為45°左右時,能夠得到隱身飛機的清晰SAR成像。

1 隱身飛機的散射結構設計

目前在役的隱身飛機主要采用兩方面的成熟技術進行隱身,即散射結構設計和吸波材料涂覆,能夠將飛機的RCS降低20～30 dB,其中散射結構設計的貢獻估計占2/3左右[10]。隱身性能的頻率特性、極化特性與飛機的散射結構和吸波材料均有關,但隱身性能的方向特性主要與飛機的散射結構有關。本文的研究與隱身性能的方向特性密切相關,所以將專注于散射結構設計方面。

散射結構設計的思想主要體現在如何確定飛機的表面結構,使照射它的雷達電磁波不能形成有效的后向散射,以避免被敵方雷達發現。研究結果表明,如果一個平面與雷達波束成90°角,它就會產生很大的單站RCS,但當它傾斜使其法向偏離雷達波束時,其RCS就會迅速減小。以F-117飛機為例,由于雷達探測區域通常在飛機水平面上下30°范圍內,所以飛機的大部分表面與垂向的夾角都大于30°[10],其CAD模型如圖1所示。除此之外,盡量使邊緣不與電磁波入射方向垂直,可以降低邊緣后向散射。

圖1 F-117飛機CAD模型

在F-22飛機的結構設計上,采用了S形進氣道抑制后向散射,同時采用外傾式雙垂尾設計,降低尾翼的RCS貢獻[1]。B-2隱形轟炸機采用翼身融合結構,機身表面圓滑過度,可以化鏡面反射為邊緣繞射,變邊緣繞射為爬行波。機體表面不能存在突出結構,同時將各種外掛設備采用內置式安裝,因為這些結構和設備容易形成后向強散射。

綜觀隱身飛機的散射結構設計,首先要照顧到迎頭方向的隱身,在電磁波迎頭照射時,把散射場分布到一些不重要的方向去,盡量不要形成后向散射。但這也意味著隱身飛機的隱身性能并不是全角度的,在非迎頭方向,隱身飛機的單站RCS完全可能大幅增加。

2 隱身飛機的RCS特性分析

本文以F-22飛機為例,對其RCS方向特性進行仿真,包括水平方向性和俯仰方向性,F-22飛機的CAD模型如圖2所示。仿真代碼為SBR高頻算法,仿真頻率為10 GHz,包括H H和VV兩種極化方式。

圖2 F-22飛機CAD模型俯視圖

圖3為F-22飛機在俯仰角為45°和90°時的RCS水平方向性比較。由圖可見,在俯仰角為90°時,不論是H H極化還是VV極化,F-22飛機在方位角處于0°±30°范圍內的RCS都低于-20 dB,具有很好的隱身性能。由于此處只研究飛機的散射結構設計,CAD模型的材料屬性設置為金屬,故無法考慮吸波材料的貢獻,否則F-22飛機的迎頭RCS可以低至-30 dB。

圖3 俯仰角為45°和90°時的RCS水平方向性對比(10 GHz)

但在俯仰角抬升到45°時,不論是H H極化還是VV極化,F-22飛機的RCS都會大幅上升,在迎頭方向上升約10 d B,兩側上升約20 d B,尾向也有所上升。這就說明,在俯仰角抬升時,F-22飛機的隱身性能明顯降低。

為了進一步證明上述結論,本文對F-22飛機進行俯仰向RCS曲線仿真,方位角分別為0°和45°。仿真結果如圖4和圖5所示,為了便于查看,此處采用極坐標進行曲線繪制。由圖可見,在俯仰角偏離90°±30°后,不論是H H極化還是VV極化,F-22的RCS都會明顯增加。在方位角為45°的情況下,這種變化更為明顯,在俯仰角達到90°±45°時,RCS可達10dB左右。

根據以上結果可見,在俯仰角為90°±30°時,F-22飛機在迎頭方向具有很好的隱身性能,但在俯仰角抬升到45°左右時,這種隱身性能下降。俯仰角45°屬于機載SAR成像的視角范圍,所以當隱身飛機停留在地面機場上時,應該可以被機載SAR成像雷達發現。

3 隱身飛機的SAR成像仿真

本文對F-22飛機的SAR成像進行了仿真和分析。為了進行對比,將非隱身的E-2預警機與F-22飛機置于同一個場景,同時進行SAR成像,場景如圖6所示。為了在成像過程中互不遮擋,故在兩個飛機之間拉開一定距離。本文使用的SAR成像仿真代碼是基于SBR技術的時域成像算法,成像中心頻率為10 GHz,分辨率為0.3 m。

圖4 方位角為0°時的RCS俯仰方向性(10 GHz)

圖5 方位角為45°時的RCS俯仰方向性(10 GHz)

SAR成像結果如圖7和圖8所示。圖7為俯仰角85°、方位角0°時的SAR圖像,所處視角位于隱身飛機的最佳隱身范圍。由圖可見,不論是HH極化還是VV極化,E-2預警機都能被清晰探測,而F-22飛機則完全無法分辨,體現了非隱身飛機和隱身飛機的差別。其中E-2預警機的后半部分成像不清晰,這是因為入射電磁波被前半部分遮擋的緣故。

圖6 E-2飛機和F-22飛機置于同一個場景

圖7 俯仰角85°、方位角0°時的SAR成像

圖8 俯仰角45°、方位角0°時的SAR成像

在圖8中,SAR成像的俯仰角為45°,方位角為0°,所處視角在隱身飛機的最佳隱身范圍之外。由圖可見,不論是H H極化還是VV極化,E-2預警機和F-22飛機都能被清晰發現。由于俯仰角抬升,飛機的前半部分不會對后半部分形成電磁波的遮擋,所以兩個飛機的整體都能清晰成像。所以,當隱身飛機停留在機場上時,可以通過機載SAR成像進行探測。

4 結束語

本文對隱身飛機的電磁散射結構設計進行了探討,仿真和分析了F-22隱身飛機的RCS方向性和SAR成像,發現F-22飛機的隱身并不是全角度的。在俯仰角處于90°±30°范圍內時,F-22飛機具有很好的隱身性能,但當俯仰角不在該范圍內時,其隱身性能大幅降低。本文設定了F-22飛機停留在地面上的情況,以俯仰角45°進行SAR成像,發現F-22飛機可以被清晰探測。

本文的仿真和分析僅以F-22飛機為例。雖然不同的隱身飛機在電磁散射特性上有很大的不同,但在進行散射結構設計時,各種隱身飛機均以迎頭方向為重點隱身方向。當從包括俯仰角45°在內的斜上方進行探測時,各種隱身飛機的隱身性能均大幅下降,因此關于F-22飛機的結論可以作為其他隱身飛機探測的參考。

另外,本文在SAR成像時沒有考慮地面的影響,包括地面自身的SAR成像特征,以及地面與飛機之間的互耦效應對飛機SAR成像的影響,這些將在后續研究中予以實現。

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