水面艦船隱身技術研究

張 晗，閆大海，錢治強

(中國艦船研究院，北京100101)

0 引言

水面艦船隱身技術主要研究如何降低艦船特征信號，縮短雷達、聲吶、磁探儀等探測系統的發現距離，減少以特征信號為引信的制導武器的命中概率，提高艦船的生命力和作戰效能。隨著探測、定位、制導手段逐步多樣，水平不斷提高，探測制導反隱身能力顯著增強，水面艦船隱身技術面臨挑戰。需要深入研究各種探測制導技術，有的放矢，確保我水面艦船在現代戰爭中處于有利地位。

1 主要探測制導手段

目前探測水面艦船的手段主要包括電磁波、聲波、尾流等，探測方式包括主動探測和被動探測，探測載體包括衛星、飛機、岸基、艦艇等，探測方位涵蓋陸海空天潛。對艦攻擊武器主要包括導彈和魚水雷，制導手段主要是慣導、雷達、紅外、聲、磁、尾流等。

1.1 電磁波

電磁波是能量的一種，凡是高于絕對零度的物體，都會釋放電磁波。一般按頻率大小，把電磁波分為無線電波、微波、紅外線、可見光等。無線電波主要用于通信，按頻率大小又可分為長波、中波、短波等。大多數雷達工作在1～15 GHz的微波頻率范圍。紅外線可用于熱成像儀、紅外制導導彈等。主要電磁波分類見表1。

表1 主要電磁波波譜Tab.1 Main electromagnetic wave spectrum

1.1.1 雷達

雷達是最重要的探測水面艦船的手段。雷達發射電磁波對目標進行照射并接收其回波，獲取目標的距離、速度、方位等信息，具有全天候、基本不受霧、云、雨等氣候條件影響的特點，具有一定的穿透能力。

探測水面艦船的雷達主要包括：反艦導彈末制導雷達、艦載搜索雷達、固定翼預警機預警雷達和直升機載海上監視雷達等。目前各國在不斷發展反隱身雷達。

1）反艦導彈末制導雷達

反艦導彈末制導一般采用主動或被動雷達制導，或者主被動雷達復合制導模式。主動雷達導引頭主要工作在X，Ku或Ka波段。被動雷達制導一般覆蓋L，S，C，X，Ku等波段，作用距離可達100 km以上[1]。

2）對海搜索警戒雷達

按裝備載體空間位置可分為天基、空基、艦載、岸（地）基等。

天基偵察探測是世界各國爭奪激烈的包括對海探測在內的探測“制高點”。星載合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，簡稱SAR）成像可以全天候、全天時進行對海偵察探測，并且具有一定的穿透能力。目前很多國家都裝備了星載合成孔徑雷達，一般在L、C、X波段工作[2]。圖1為根據相關文獻概括出的偵察衛星支援對海打擊的典型作戰示意圖。

圖1 偵察衛星支援對海打擊的典型作戰示意圖Fig.1 Typical operational sketch map of reconnaissance satellite supporting sea attack

艦載和機載雷達的主要工作頻段為P，L，S，C，X，Ku，Ka，工作體制包括相控陣、單脈沖、全相參、照射、線掃收發、連續波、圓錐掃描等[3]。

目前主流艦載雷達為三坐標雷達，可以測量目標的仰角/高度、方位、距離參數。有源相控陣體制是國外艦用三坐標雷達的主要發展方向，大中型水面艦船的相控陣雷達一般使用S頻段，中小型艦船一般使用X頻段[4]。

預警機、直升機、無人機等雷達機載平臺具有快速、機動、突破海平面視距限制等特點，在海上作戰體系中地位重要。機載雷達發展經歷了脈沖雷達、脈沖多普勒雷達、相控陣雷達3個階段，目前很多國家海軍和空軍裝備有源相控陣機載雷達，探測距離遠，可靠性高，抗隱身性好，支持多目標跟蹤[5]。

岸基對海監視雷達是對海防御的重要組成部分，擔負海面目標搜索跟蹤等任務，一般部署在海岸高山、海島等處，需要具備對抗各種雜波干擾的性能。岸基雷達一般采用S波段以上的微波頻段，依靠直射波進行探測；或30 MHz以下的短波頻段，依靠繞射波進行探測[6]，比如天波超視距雷達（3～30 MHz）和地波超視距雷達（3～15 MHz）。

1.1.2 電子偵察

電子偵察主要是截獲對方通信信號、雷達信號、導彈遙測數據等，通過測量電磁輻射源方向，識別目標參數和型號等，獲取戰術情報，了解作戰態勢，作出威脅預警。電子偵察在信息化戰爭中地位重要，可為戰術決策提供基礎信息。

電子偵察裝備包括電子偵察衛星、電子偵察飛機、地面電子偵察站、電子偵察船、潛艇及其它水下電子偵察設備等。電子偵察技術的發展方向是，提高抗干擾能力和信號處理能力，在復雜的電磁環境中能實時準確地截獲、跟蹤、分析電磁信號。

1.1.3 光電偵察

光電偵察包括可見光偵察、紅外偵察、激光偵察等。大部分光電偵察屬于被動偵察，被動接收目標發出或反射的光線，具有目標圖像清晰、隱蔽性好、抗干擾性好等特點。

1）紅外

自然界中絕對零度以上的物體都在不停地向外輻射紅外線。紅外幅射頻譜可分為4個波段，分別是近紅外區（波長0.75～3μm）、中紅外區MIR（Mid-infrared region，3～6μm）、遠紅外區FIR（Far infrared region，6～15μm），以及超遠紅外區（15～1000 μm）[7]。FIR和MIR受海洋環境影響小，穿透能力強，容易被探測到。紅外探測采用被動工作方式，具有隱蔽、抗干擾能力強等特點，而且設備體積小、重量輕、功耗低。

紅外探測技術在軍事上的應用包括：紅外成像設備、紅外相機、紅外掃描裝置等，裝備在衛星、偵察機、直升機、無人機、艦艇、岸基等載體上，對軍事設施等固定裝置和飛機、導彈、艦船等移動目標進行偵察、監視、定位、識別和跟蹤等；導彈通過紅外成像制導來捕獲和打擊目標等。紅外預警探測系統的發展方向是探測距離更遠，定位精度更高，虛警率更低。

2）可見光

望遠鏡等光學儀器是在軍事上最早應用的偵察手段。目前的微光夜視儀等光學儀器采用先進的微弱光信號增強探測技術，靈敏度高，壽命長，顯著提高了偵察的準確性和實效性。

3）激光

激光已成為偵察的重要手段，廣泛應用于測距、測速、目標識別、跟蹤和瞄準、武器精確制導等。激光偵察具有遠、準、快、抗干擾、無盲區、分辨率高、隱蔽性好等優點，激光制導具有精度高、抗干擾能力強等優點。

1.2 聲波

如果說大氣層內外電磁波是探測的主要手段，水下探測則主要依靠聲波。電磁波等信號在水下衰減很快，傳遞距離很短，而聲波可以傳播數十至上千海里，是水下探測中應用最多、技術最為成熟的手段。

目前探測水面艦船水線以上部分的手段主要是電磁波，而水線以下部分，水面艦船面臨的威脅主要來自網絡化水聲探測、各種聲吶、水聲制導魚雷和聲引信水雷等。

1.2.1 網絡化水聲探測

網絡化水聲探測可以使用低頻大功率大尺寸基陣，布放范圍廣，作用距離遠；可根據不同海區的聲傳播條件，將探測系統部署在有利的聲道，以增加作用距離和隱蔽性。

1.2.2 聲吶

主要包括首陣、舷側陣、拖曳陣、吊放聲吶及浮標等。

首陣一般安裝在潛艇首部或水面艦艇球鼻首部的聲吶陣列，多為球形或圓柱形，采用主被動工作方式，工作頻段主要是中頻和低頻，視野開闊、受主機和螺旋槳影響小。

舷側陣將水聽器布放于艦艇兩舷側的被動陣，充分利用了艇體的長度，可在低頻段（1 kHz以下）工作。

拖曳陣裝備在艦艇、反潛直升機和監視船上，一般長1～2 km，采用主被動工作方式，一般采用低頻和甚低頻，最遠作用距離200 km左右。

吊放聲吶主要裝備于反潛直升機和某些水面艦船，聲吶浮標主要用于飛機空投，均可進行主動探測或被動監聽。

1.2.3 聲制導和聲引信

聲自導是最為成熟的魚雷制導系統，目前大多數魚雷均使用主/被動聯合聲自導系統。魚雷、水雷、深彈等戰斗部均可采用聲引信，采用主動或被動工作方式，屬于非觸發引信。

1.3 尾流

船舶航行時，船體和螺旋槳對海水擾動，在船尾海水中形成一條含有大量氣泡的氣幕帶，即船舶尾流。由于大量氣泡的存在，與周圍海水比較，尾流的聲、熱和磁特性等均出現異常，為探測艦船提供了條件。目前的研究主要針對船舶尾流的聲、光、熱和電磁特征的探測。利用艦船尾流來實現魚雷制導可分為聲、熱和磁尾流制導等，以聲尾流制導的應用最為普遍。

1.4 其他物理特性

包括電磁場、壓力場等。

艦船磁場主要由建造時形成的船體和設備的固定磁場，以及艦船航行時產生的感應磁場組成。艦船磁特性可以被磁敏感設備探測，或者受到磁引信魚雷或水雷的攻擊。

船舶靜止或航行時，其周圍海水中都存在電場，按形成原因可分為靜電場、軸頻電場、諧波電場和感應電場等。其中，靜電場和軸頻電場信號頻率低，在海水中傳播距離較遠。利用電場信號對船舶進行探測跟蹤具有較高的可行性。目前美國、俄羅斯等國有電場引信水雷[8]。

船舶航行時會引起水中壓力場發生變化，一般規律是船艏及船艉壓力增大，船舯壓力減小[9]。水壓水雷引信就是利用航行船舶的這一物理特性研制開發的，并且難于掃除。

2 水面艦船主要隱身技術

越來越先進復雜的探測制導手段，使得水面艦船在海戰中被發現、攻擊和消滅的概率大大提高，如何有效提高艦船的隱蔽性成為各軍事強國的研究重點。

2.1 電磁波隱身

主要包括雷達波隱身、電磁輻射隱身、光電隱身等。

2.1.1 雷達波隱身

包括外形隱身技術、融合集成設計技術、隱身材料技術等。

外形隱身以降低目標雷達散射截面積（RCS）為目標，主要通過融合外形和多棱外形等技術實現，將艦體各個部位設計成不規則的傾斜多面體，相交面做成圓弧狀，降低雷達的信號特征。

融合集成設計技術包括：將艦面電氣設備、武器裝備、舾裝設備等進行融合設計；采用射頻孔徑集成技術，盡量減少外部天線數量；一體化集成上層建筑技術，將上層建筑、收發天線、照明燈具、進排氣管等散射源進行綜合集成，有效控制RCS[10]。圖2為美國最先進的采用綜合隱身設計，集雷達、聲學、紅外隱身為一體，應用綜合射頻集成和集成上層建筑技術的DDG-1000導彈驅逐艦。

隱身材料技術主要是利用雷達吸波材料降低目標回波強度，達到減小目標RCS的效果。一般分為涂敷型和結構型吸波材料2種。

圖2 美國DDG-1000導彈驅逐艦Fig.2 DDG-1000 missile destroyer

2.1.2 電磁輻射隱身

在使用艦載雷達、導航和通信設備時必然會涉及電磁輻射和泄漏的問題，有效控制和管理這些設備的電磁輻射，研制低截獲概率的警戒、導航和通信裝備，是對抗電子偵察的有效手段。

2.1.3 光電隱身

紅外隱身。通過采用空氣對流散熱系統、在船體表面涂覆吸波和絕熱材料、熱廢氣冷卻系統等措施，降低艦船紅外輻射強度，減少艦船與周圍環境的熱對比度；采用模擬背景的紅外輻射特征技術，以及紅外輻射變形技術等，改變目標的紅外圖像特征；采用光譜轉換技術，使艦船的紅外輻射波段落在紅外探測系統的工作波段以外等[11]。

可見光隱身。艦船表面設計成多面體，使光多向散射；艦船亮度色度與周圍環境盡量匹配；控制艦船的燈光和煙跡信號等。

激光隱身。通過采用外形技術消除可產生角反射器效應的外形組合，選取適當材吸收照射在目標上的激光，或使入射激光穿透或反射后變成為另一波長的激光等措施，降低艦船的激光反射截面[11]。

2.2 聲隱身

艦船主要輻射噪聲源是機械噪聲、螺旋漿噪聲、水動力噪聲等，降噪的主要途徑包括采用電力推進、噴水推進、磁流體推進、多葉大側斜槳、流線型船體外形、低噪聲設備等，降低噪聲源的強度；采用雙層隔振、浮筏隔振、減振器減振、阻尼減振、懸浮艙室等隔振和吸阻振技術控制噪聲的傳遞。

2.3 尾流隱身

尾流持續時間長，不易消除和偽裝，并且很難對尾流檢測進行人工干擾。可以通過優化船體型線和螺旋槳設計技術，控制巡航速度，應用活性覆蓋層等邊界層控制技術，通過渦流消除器等渦流控制技術等手段減小尾流[12]。

2.4 其他物理場隱身

磁場隱身。對艦艇進行消磁，包括采用無磁或低磁材料建造艦船，利用消磁站或消磁船對艦船消磁，艦船設計自消磁系統，控制剩余磁場強度等技術手段。

電場隱身。主要采用安裝電保護裝置、屏蔽裝置、電場補償系統裝置等降低電場信號。

水壓場隱身。通過在船底加裝附體或向船底噴水等技術手段，可以改變船舶的正常水壓場，達到船舶水壓場隱身的目的[9]。

3 水面艦船隱身技術發展趨勢分析

探測技術和隱身技術是一對矛盾綜合體，既相互對立，又相互促進，任何一方技術進步帶來的優勢，必然會引起另一方技術的追趕。技術領先和創新將在未來戰爭中起到關鍵作用。

3.1 探測制導技術發展趨勢

主要包括提高現有探測制導技術水平、對各種探測制導技術手段進行綜合集成，探索新型探測制導技術等。

3.1.1 提高現有探測制導技術水平

通過增大發射功率、天線增益、信噪比等提高雷達的探測能力；通過研究弱信號檢測算法提高弱信號檢測技術；提高雷達功率孔徑積，實現大功率孔徑積與低截獲概率功率管理的相互兼容；增大相參處理的脈沖數及發射信號的時間帶寬積，增強雷達探測能力和徑向分辨率；通過采用數字濾波、聲表面濾波、電荷耦合器件和光學方法等技術來提高雷達接收機的信號處理能力等[13]。

通過采用有源相控陣列體制，應用先進信號處理方法、高性能計算和天線陣列等技術，可以克服傳統米波雷達測高不準、覆蓋不連續、低角盲區大等缺陷，使其成為反隱身能力強、性價比高的先進雷達[14]。

3.1.2 對各種探測制導技術手段綜合集成

發揮不同探測手段的特點，通過優化部署和信息融合，可以在陸、海、空、天、潛不同空域，將雷達、聲吶、光電、尾流等不同探測技術結合起來，形成綜合探測網絡系統。對于艦船，不可能實現全頻段和全方位的雷達隱身，可以綜合利用超寬帶雷達、米波雷達、毫米波雷達、無源雷達等頻域反隱身技術，以及天基/空基雷達系統、雙（多）基地雷達系統、雷達組網等空域反隱身技術，實現對隱身艦船的探測。

反艦導彈目前一般采用慣性/衛星復合中制導，主/被動雷達、主/被動雷達/紅外成像等復合末制導技術，以對抗電子干擾和隱身艦艇。

3.1.3 探索新型探測制導技術

從利用人體感官進行偵察探測，到利用光學望遠鏡，再到利用雷達、紅外、聲、尾流等手段，新的探測制導技術不斷涌現，并且隨著科技進步不斷發展變化。近幾十年出現的超寬帶雷達、無源雷達[15]、諧波雷達、相控陣雷達、合成孔徑雷達等新體制雷達，都顯著提高了探測隱身艦船的能力。

3.2 水面艦船隱身技術發展趨勢

加強隱身頂層和總體設計，提高艦船隱身性能評估技術水平，不斷發展隱身材料，深入開展隱身技術集成，探索隱身新機理，已成為各海軍強國艦船隱身技術的發展方向。

3.2.1 設計先行

一些國家在艦船的總體設計中，雷達隱身已從服從于總體發展到主導總體的地位[11]。艦船隱身必須從頂層設計入手，協同多個專業，進行多學科優化設計，綜合運用多種隱身技術措施，充分考慮性價比和艦船作戰使用方式，做到反雷達、反電子、反光電、反聲波等綜合性能兼優。

3.2.2 評估準確

為有效控制艦船特征信號，必須對其進行準確計算評估，提高特征信號測量精度。目前對艦船特征信號進行評估的手段包括理論計算、經驗推導、數值仿真、試驗等。通過深入研究艦船目標特征機理，深入開展技術研究和條件建設，提高艦船目標特征試驗和測試精度，建立和發展艦船目標特性試驗與測試技術體系，為有效控制艦船目標特征提供堅實基礎。

3.2.3 發展新型隱身材料

目前的隱身材料適用范圍不夠廣泛，需要研制全能型隱身材料，既具備寬頻雷達波隱身功能，也具備紅外隱身、噪聲隱身、電磁隱身、可見光隱身等一系列功能[16]。新型隱身材料包括：手性材料、納米隱身材料、導電高聚物材料、智能隱身材料等。

3.2.4 探索新機理

各海軍強國都在探索新型隱身機理，研究熱點包括：等離子隱身技術、對消技術、阻抗加載技術、仿生技術、微波傳播指示技術等。無人艦船的出現和發展將對艦船隱身技術帶來根本性影響。

4 結語

水面艦船隱身技術難度大、涉及專業廣，集成度高。應以需求為牽引，密切跟蹤探測技術發展趨勢，堅持從設計源頭貫徹隱身設計思想，同時不斷提高水面艦船對不同偵察制導和攻擊手段的軟硬殺傷能力，探索新技術、新手段，保證我水面艦船在現代海戰中處于優勢地位。