基于目标RCS特性的有源对消隐身分析

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2020年07月30日 17:23
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第2期 
2010年4月 
雷达科学与技术 
Radar SCien ce and Techno1ogy 
Vo1.8 No.2 
April 2010 基于目标RCS特性的有源对消隐身分析 
曲长文,向迎春 
(海军航空工程学院电子信息 工程系,山东烟台264001) 
摘 要:有源对消隐身是现代隐身技术发展的一个重要方向,它能在 传统隐身的基础上进一步降低受 
保护目标被雷达发现的概率。基于目标的雷达散射截面(RCS)特性 ,介绍了有源对消隐身的基本原理,讨论 
了幅值和相位误差对隐身效果的影响,分析了对消波(场)的 辐射特性,并对实现有源对消隐身所需的关键 
技术进行了讨论。结果表明有源对消隐身技术理论上可行 ,x-程难度较大,应用前景广阔。 
关键词:雷达隐身;有源对消;对消波(场);雷达截面减缩 < br>中图分类号:TN957;TJ765.5 文献标识码:A 文章编号:l 672—2337(2Ol O)02一Ol09—04 
Active Cancellation Stealth Analy sis Based on 
RCS Characteristic of Target 
QU Chang wegl,XIAN( Ying chun 
(Department oj E lee tronic and Inforrnation Engineering,Naval Aero nautical and 
Astronauti ̄al University,Yantai 2 6400l,China) 
Abstract:Active cancellation stea lth is an important research direction in the fiel d of stealth nowadays. 
Based on traditional st ealth.the radar detection probability of the targe t to be protected could h【、reduced fur 
ther by  active cancellation stealth.Based on R(:S charact eristic of target,the basic theory of active cance lla— 
tion stealth is introduced.The influences  of amplitude and phase errors on stealth are disc ussed.Then the ra— 
diation characteristic of c ancellation wave is analyzed,and the key technolog ies of active cancellation stealth 
are also di scussed.The analysis indicates that the technology  of active cancellation stealth is feasible in the ory 
and difficult in engineering,but also has  a bright future in application. 
Key words:rada r stealth;active cancellation;cancellation wave(fi eld);radar cross section reduction(RCSR) 
手段使目标 散射场和人为引入的辐射场在敌方雷 
1 引言 
伴随着现代战争对高性能隐身武器的需求, 
在传统的隐身外形、隐身材料、隐身结构等技术研 
达探测方向相干对消,在雷达接收天线处与 目标 
真实回波相抵消,从而减弱雷达接收到的目标真 
实回波,达到隐身的效果。有源对消是 一种灵巧 
的信号消隐方式,因而实现信号消隐的难点在于 
实时准确获得待消信号的参数。同 时人为引入的 
对消场,其幅度和相位的精确控制对对消效果至 
究基础之上,美、俄、英、法 等军事强国都在不断探 
索新的隐身机理,对消隐身技术就是其中之一。 
对消技术分无源对消 和有源对消两种。无源对消 
技术又称自适应阻抗加载技术,它是在被保护目 
标表面开槽或孔 ,设置分布或集中复数阻抗以改 
变蒙皮表面的电流分布,形成辐射源并在远区产 
生一个附加 散射场。在某些方向和频率范围内, 
关重要,这又对生成对消场的电子设备提出了较 
高的要 求。随着工程上数字阵列技术的发展,高 
精度的信号幅相控制 副成为可能,为有源对消隐身 
系统从理论走向实际应用奠定了基础。 
附加散射场和目标本身散射场反向叠加,使合成 
散 射场减小[1j。这项技术只适合于产生某种频率, 
因而实用性有限 J。有源对消隐身技术则是在舰  
2有源对消隐身原理 
2.1有源对消基本原理 
同两列声波叠加会产生相加和相消 性干涉, 
艇等目标上装备有源对消电子设备,利用相参信 
号的干涉效应,产生适合对消的电 磁波,采用相干 
收稿日期:2009—10 l8;修回臼期:2O10 01-05 


11O 雷达科学与技术 第8卷第2期 
从而使声能得到增强或减弱的效果一样。电磁波 
也具有这样的特点,但是同有源消声技术相比,有 
源电磁对消技术的难点在于:待消声源的特 性已 
知,而有源隐身目标的反射特性未知,且难以测 
试;声音的传播速度比雷达信号慢得多 ,后者为光 
速,因此消声系统的自适应闭环工作方式难以在 
有源对消隐身中应用;消声主要 应用于一维方式 
或很小的空间区域(如飞机座舱局部等),而有源 
对消隐身则包含了空间环 境的很大的立体角范 
围_4]。它在三维空间通过自适应的实时有源电磁 
波控制系统产生隐 身波实现有源电磁波对消。 
目标对电磁波的反射基于目标表面感应电流 
的二次辐射。根据电 磁逆散射理论,若已知源的 
辐射场分布,反过来又可以得到散射体的特性和 
场源分布。而从 目标对雷达的隐身看,往往只需 
雷达所在的一个小的立体角范围内实现电磁波对 
消,此时也 只需给出这一特定区域的远区电磁场 
数值即可。雷达反射截面(RCS)就是对目标在一 
定 方向上反射的功率与入射的功率密度进行归一 
化处理后得出的度量。它表征目标表面感应电流 
的远区辐射场,其数学表示式为[5 
一 
警e_j打 (1) 
式中, 为目标R CS的复数平方根;e,为极化方 
向;忌为自由空间波数;E 和E 分别为回到接收点 
的 反射电场矢量和入射电场矢量;r为目标离雷达 
的距离。可见,只要通过有源或无源的手段,降低 < br>投照到目标的信号强度,则从目标散射回雷达的 
信号强度相应地更弱了,从而减小了RCS。或 者 
只降低目标散射回波也可以达到雷达散射截面缩 
减(RCSR)的目的。 
从理 论上讲,目标在不同方向的RCS数值可 
以精确地测到,而瞬态的雷达入射场也可以通过 
平 台上的传感器精确测到。这样根据式(1)的定 
义,目标在雷达方向上的散射场就确定了,即 
T1 
厂 
E 一lim生 e (2) 
r一。。 
2、/丌,. 在雷达方向与散射场相干但相位相反的场总 
是可以产生出来的,因此,有源电磁波对消在理论 < br>上是成立的。实际有源隐身效果将取决于雷达信 
号参数测量精度和对消辐射源参数的控制精度以  
及实时性等。 
2.2对消波(场)辐射特性 
目标等效的反射源和人为引入的对消 源(可 
能不止一个)的辐射特性与基本电偶极子在自由 
空间的辐射特性相似。为简化分析, 考虑一个有 
限长的电偶极子辐射单元,如图1所示,它在P点 
的辐射特性与目标在雷达方向 的反射特性相似。P 
点合成场的归一化振幅为 
刚 一 (3) 
式中,尼为自由空 间的传播常数,且是一2兀/ ;Z为 
为图中AB之问的距离。在有源对消时Z相当于等 
效 散射中心和对消源之间的距离。 
图1 自由空间电偶极子示意图 
图2为直角坐标下的z 一 1.5时按0角的变 
化而绘出的波瓣特性。从图2可知,反射波和对消 
波的合成场是两个矢 量的空间叠加的结果,是一 
个多瓣的方向图。在最小方向两个矢量反相相加, 
所有最小点为 零。瓣数随着Z 的增加而增多,而 
零点出现的位置由sinO一0给出。 
n 
_  艇 
r什 
●_ j 
IⅢ¨}__lu辨 
0/rad 
图2  自由空间电偶极子辐射波瓣图 
对消隐身的目的是让反射波(场)和人射波 
(场)合成后的方 向图零点对准雷达,并不是实现 
全空间的目标散射场抵消,在某些方向上散射波 
的强度可能 得到了加强。因此,对消源尽量保证 


2010年第2期 曲长文:基于目标RCS特性 的有源对消隐身分析 
有宽主瓣、低副瓣的辐射图,并让主瓣对准雷达方 
向。当对消源和雷达 方向等效的反射中心重合, 
对消的结果是在雷达方向实现了零电磁波图,而 
不改变目标原来 的散射场分布 ]。对消源和反射 
中心的间距增加将导致波瓣数增多、雷达方向辐 
射图零点 所对应的立体角减小,不利于在大的空 
间范围实现隐身。 
2.3对消波的幅相条件及误差分 析 
2.3.1 对消幅相条件 
对于复杂目标可被分解为N个离散散射体或 
散射中 心的组合,其 取决于各散射中心的散射截 
面积的相关和L3_ 1
. 

l∑ ’ e t l。 (4) 
式中, 为第n个散射中心的复数RCS; 为该散 
射中 心的相对相位。在众多的散射中心中,对于特 
定的工作频率和入射角,一般存在着若干起主要 
作用的散射中心。集中减缩主要散射中心对散射 
所做的贡献,可有效地实现RCSR。人为引入与主  
要散射中心相对应的对消源是有源对消的出发 
点。目标平台上的传感器将入射雷达波的参数 送 
入控制系统,自适应地产生并在所需方向发射一 
列合适的相干波,改变目标的散射分布, 有效地降 
低雷达方向的散射功率密度。 
设目标原有的雷达截面积为 ;人为通过有 
源方式引入一个等效的散射中心,其等效散射截 
面积为 。;它们的相位分别为 。和 ,叠加后的 目 
标散射截面积 为 

I ̄/ 。e 。+ ̄/ e l I (5) 
即 一 I 1+ + 【 1√ cd【、 os( 一 )‘ ’ 。l (6) 
对其作归一化处 理,且令 一 / ,则上式变为 
口一J 1+ +2√口 cos( 一 )J (7) 
控制 和 。,就可能进行寻优,以实现最佳对消效 
果。当达到最佳对消参数: 

1 fR 

(2k+1)7c … 
时 一0,即在雷达方向上有效地实现了雷达隐  
身。但实际中往往做不到完全隐身,这是因为对 
消波的实际相位与幅值同式(8)的最佳条 件相比 
是有误差的。下面考虑相位差和幅值差对隐身效 
果的影响。 
2.3.2相 位差对隐身效果的影响 
在假设 一l下,设对消波的相位偏离最佳相 
位的误差为△ ,由式 (8)可得 
△ 一 

一 o一( 
一(2k+1)
+1)
 
 
(9) 
归一化雷达截面 随相位差的变化关系为 

4si n ( ) (10) 
归一化雷达截面(NRCS) 随相位差的变化 
曲线如图3所示。 
\ , 
恒 
\ / 
柩 
\ / 
杂 
\  i / 
整 
\  i/ 
13哑 
/ 
\ / 
1 
\ 
\ / 
、 
/ 
图3仅存在相位差时的归一化雷达截面 
从图 3中可以看出,当相位偏离最佳相位超过 
6O。后,不但没有达到隐身反而加强了目标的散射 
特性,失去了隐身作用。这说明有源对消隐身对 
相位误差的要求不能超过60。。 
2.3 .3 幅值差对隐身效果的影响 
当相位满足条件 一 一(2k+1)7【,幅值相对 
最佳 幅值参数存在误差△ 一a 。时,显然 一l+a。 
归一化雷达截面 随幅值差的变化关系为 
(1一、 __+_ ) (11) 
相应地,归一化雷达截面 随幅值差的变化曲 < br>线如图4所示。从图中可以看出有源对消隐身对幅 
值误差的敏感度比对相位误差的敏感度小得多 。 
当 一一l时,目标的反射特性没有发生改变,这也 
就是没有引入人为辐射场的情况,相 当于没有采 
取有源对消隐身措施。当一1<a<3时,目标的反 
射特性被减弱,幅值差只要 在这个区间内变化都 
对受保护目标有一定的隐身效果。当a一3时,虽 
然采用了有源对消隐 身措施且相位也满足最佳条 
件,但由于幅值误差太大相当于没有采用对消隐 
身措施。当a> 3时,幅值误差的影响使得目标的 
散射特性被加强了。 


112 雷达科学与 技术 第8卷第2期 
值 
糍 
菸 
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l  j船 
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\ 
1 
一 / 
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图4 仅存在幅值差时的归一化雷达截面 
若相位与幅值同时存在误差时,则归一化雷 
达截面 随相 位与幅值误差的变化关系为 

I 2+d+2 ̄/1+ cos(A ̄)j (12) 则相位与幅值同时存在误差时,归一化雷达截面 
随相位与幅值误差的变化曲面如图5所示。 恒 
jI釜 
摈 
箍 
姐 
1 
图5 相位差和幅值差 l 时存在时的归一化宙达截面 
从图5中可以看出,当相位与幅值相对最佳条 
件都有变化时 ,要对被保护目标达到一定的隐身 
效果,则相位与幅值差偏离最佳条件的范围被进 

步地缩小,而对相位的要求就更苛刻。在图中 
底部顶点处幅值和相位均为最佳条件,此时雷达 截面积为0,实现了完全隐身。 
2.4对消结构 
对消隐身的工作过程如图6所示。平台 上的 
侦收系统快速、准确地测量出入射雷达波的频率、 
相位、幅度、波形、极化形式和雷达 的空问位置等, 
在计算机信息处理系统的控制下从目标散射数据 
库中提取出在该雷达波照射 下平台的反射特性, 
从而通过计算机信息处理系统实时地自动产生具 
有合适强度、频率相位 、极化和波形的附加电磁辐 
射,利用相干波的干涉效应,在雷达接收天线处抵 
消目标原有的 回波,达到隐身目的。这种隐身实 
际上是自适应的电磁波对消。 
甚至为零 … 
计  
算 目 
机 标 
I懈护l我方的l 电波 
信 散 
息 ●+  射 
处 数 
理 据 
系 库 
统 
图6有源对消隐身结构框图 < br>3有源对消隐身的关键技术 
3.1 雷达来波信号参数的实时测定 
当前工程上的雷达 来波信号参数测量方法在 
精度上与实现有源对消隐身的要求还有差距,提 
高这些参数的测量 精度是有效进行有源对消隐身 
的关键技术。为了有效地控制目标的信息特征, 
必须详尽地研 究目标的信息特征,因此进一步发 
展目标信息特征测量技术,提高测量精度是实现 
有源对消 隐身的重要条件。 
3.2 被保护目标的全向RCS的计算 
准确计算目标的RCS后,再利 用式(2)可以得 
到相应的目标散射场。在复杂目标RCS计算领域, 
西方军事强国处于技 术领先地位,已开发出一批用 
于复杂目标RCS分析计算的软件包。我国也有几 
种版本的R CS计算软件,用它们计算复杂目标的 
RCS有一定的可信度。但对实现对消隐身的要求来 
说,其计算功能和精度还是不理想,这是严重制约隐 
身和反隐身技术发展的一个障碍。在当前一个时 
期内,如何实现精确快速求解复杂目标的电磁散 
射问题是有源对消隐身研究的一个重要方面。  
3.3对消波(场)的精确控制技术 
对幅度的控制,一种办法是通过改变有源对 
消隐身系统的发射功率 .8_,另一种办法是用相控 
阵技术实现对消波的幅度控制,对相位的控制则  
采用零平衡技术 j。对消波(场)除了进一步提高 
幅度和相位的控制精度外,还需要解决 它的自适 
应开环控制和对对消延时的测量和控制以保证实 
时性的实现。对实时性的要求一般 可以通过建立 
目标散射数据库来满足,但如何建立一个高效准 
确的目标散射数据库又是一个 困难问题。 
(下转第118页) 


118 雷达科学与技术 第8卷第2期 
[1 1]Yu M C.Research on New Methods of Paramet ers 
Estimation and Signal Simulation for SAR[D ].Bei— 
jing:Tsinghua University,2006. 
nal  Processing}、《中国科学》等国内外刊物及学术会议发表 
论文近100篇,SCI、EI 、ISTP检索6O余篇。 

处理。 
斌男,1985生,清华大学电子工程系博士 研究 
生,主要研究方向为SAR运动目标处理、实时雷达信号 
作者简介: 
赵 军  男,1980年生,清华大学电 
子工程系硕士研究生,主要研究方向 
为SAR运动目标处 理、SAR应用。 
E~mail:zhaojun07@mails.tsinghua.edu.c n 
杨健男,1 9 6 5年生,清华大学电子工程系教授、 
博士生导师,主要研究方向为 极化雷达及SAR应用,在 
最优极化、相对最优极化与杂波抑制、目标分解、目标特 
征的提 取与目标识别、极化SAR图像处理、阵列信号处理等 
方面取得了一系列研究成果,先后在国内外发表 论文100余 
篇,其中有2O余篇论文被sCI收录,4O篇被El收录。 
许稼男,197 4年生,清华大学电子工程系博士后、 
彭应宁男,1939年生,清华大学电子工程系教授、博 副教授,主要研究方向为雷达及水声领域的目标检测、估计 
士生导师,长期从事雷达信号处理领域 的研究,已发表学术 
和识别、仿真模拟、合成孔径/逆合成孔径成像,目前已经在 
《IEE E Trans on GRS》、《IEEE Trans on AES》、《IEEE 
SPL} 、《lET Proceeding of RSN}、《Electronic Letter}、《Sig一  
●◆ ◆ ◆i,lO-fil"D-I◆◆’●II●iIIi●II◆● 
论文近300 余篇,其中被SCI、EI和ISTP收录的论文200 
多篇,出版专著4部,并获1O多项国家级和 部委级科技进 
步奖。 
(上接弟112_贞) 
考,1996,17(1):3l_ 48. 
[3]吴曼青.数字阵列雷达的发展与构想[J].雷达科学与 
3.4隐身效果表征 与评估 
只要引入对消波(场)后目标散射有减缩效 
技术,2008,6(6):401 4 05. 
WU Man-qing.Development and Future Design  of 
果,就在一定程度上“隐身”了。但是如何确定一 
个指标或阈值使减缩达到或低于这一 阈值时就能 
实现完全隐身或至少部分隐身是亟待解决的问 
题。这一指标或阈值可以是探测雷 达识别目标所 
Digital Array Radar ̄J].Radar Science an d Technolo— 
gy,2008,6(6):401-405.(in Chinese) 
[4]邓扬建,张杰儒.雷达有源隐身技术研究[J].电子对 
抗技术,1997(4):1 1-17. 
[5]Knott E F.Radar Cross Section[M].Dedh am,MA: 
Artech House。1 985. 
需的最小功率流密度的绝对量是相 对量。 
[62埃德米尼斯特尔.工程电磁场基础[M].雷银照,吴 
4结束语 
美 国在20世纪90年代就开始了秘密的激烈 
静,译.北京:科学出版社,2002. 
r7] Knott E F.RCSR Guidelines Handbook[R].Atlanta, 
Georgia:Engineering Experiment Station,Georgia In — 
讨论和研究,其B一2隐身轰炸机上的ZSR一63防御 
辅助电子设备就采用了有源对消 隐身技术,并且 
还计划在2025年采用有源隐身技术实现卫星隐 
身。1995年以来,国 内一些研究机构对有源对消 
stitute of Technology,1976. 
[ 82吴晓葆,陈图强,洪光启.雷达有源隐身技术研究[J]. 
电子对抗,1995(4):38—4 8. 
[9]梁百J11.有源隐身技术研究[J].舰船电子对抗, 
2004,27(1) :3-6. 
隐身技术在理论上已有一定的研究,而在工程技 
术实现上未见相关报道。有源对 消隐身是一项总 
体技术,虽然当今的技术环境已具备了突破的基 
本条件,但由于国外在隐身 技术领域的研究高度 
保密,一些关键技术的实现难度依然很大,它的工 
程应用或许还需要更 长的时间。 
参考文献: 
[1]曲长文.反雷达隐身和雷达反隐身技术EJ].电子工 程,1997(4):6-11. 
作者简介: 
[2]匡兴华,钟华.隐身技术与隐身对 抗[刀.国防科技参 

我心中的那一道阳光-个性特点描述


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