基于雷达成像的地面停留隐身飞机探测∗

蒋忠进,赵书敏,耿江东,李希同

(1.东南大学毫米波国家重点实验室,江苏南京210096;2.东南大学无线通信技术协同创新中心,江苏南京210096;3.中国空空导弹研究院,河南洛阳471009;4.清华大学精密仪器系,北京100084)

0 引言

如今美国已经有F-22隐身战斗机和B-2隐身战略轰炸机正在服役,F-35隐身战斗机、X-47B隐身无人机和一些其他型号的隐身飞机正在研制和试飞,而著名的隐身轰炸机F-117则已经退役。除美国以外,其他国家也在大力研制隐身飞机,以适应现代战争的需要。这些国家的隐身飞机对我国的军事安全形成潜在的威胁,如何进行反隐身是一个迫切需要解决的问题。

国内众多科研机构对反隐身的基础理论和应用技术进行了大量研究,包括隐身飞机的电磁散射特性、低频雷达、雷达组网和多基地雷达等[1-9]。在电磁散射特性方面,国内的研究主要集中在雷达散射截面(RCS)的分析,包括RCS的方向特性、频率特性和极化特性。各研究结果均表明,目前的隐身飞机在俯仰角为90°±30°、方位角为0°±30°范围内,后向单站RCS可低达约-30 dB,很难被我方雷达探测到。此处,俯仰角90°表示水平方向,方位角0°表示飞机的鼻锥方向。

目前的隐身技术已经达到一定的高度,但还是存在不足,如不能全角度和全频段隐身、机动性会受到影响、外挂设备内置会导致弹载量降低等[4]。由于不能全角度隐身,使得隐身飞机在某些角度能被探测到,比如当它们停留在地面机场时,就可以被机载SAR成像雷达发现,因为此时机载雷达已经避开了隐身飞机的最佳隐身范围。

本文的研究侧重于探讨当隐身飞机停留在地面上时的可探测性,即采用SAR成像的方式,看能否发现停留在机场上的隐身飞机。该研究涉及到敌方与隐身飞机相关的军事部署,在情报获取方面具有重要的应用价值。本文以F-22为例,对隐身飞机进行SAR成像仿真,发现在俯仰角为45°左右时,能够得到隐身飞机的清晰SAR成像。

1 隐身飞机的散射结构设计

目前在役的隐身飞机主要采用两方面的成熟技术进行隐身,即散射结构设计和吸波材料涂覆,能够将飞机的RCS降低20～30 dB,其中散射结构设计的贡献估计占2/3左右[10]。隐身性能的频率特性、极化特性与飞机的散射结构和吸波材料均有关,但隐身性能的方向特性主要与飞机的散射结构有关。本文的研究与隐身性能的方向特性密切相关,所以将专注于散射结构设计方面。

散射结构设计的思想主要体现在如何确定飞机的表面结构,使照射它的雷达电磁波不能形成有效的后向散射,以避免被敌方雷达发现。研究结果表明,如果一个平面与雷达波束成90°角,它就会产生很大的单站RCS,但当它倾斜使其法向偏离雷达波束时,其RCS就会迅速减小。以F-117飞机为例,由于雷达探测区域通常在飞机水平面上下30°范围内,所以飞机的大部分表面与垂向的夹角都大于30°[10],其CAD模型如图1所示。除此之外,尽量使边缘不与电磁波入射方向垂直,可以降低边缘后向散射。

图1 F-117飞机CAD模型

在F-22飞机的结构设计上,采用了S形进气道抑制后向散射,同时采用外倾式双垂尾设计,降低尾翼的RCS贡献[1]。B-2隐形轰炸机采用翼身融合结构,机身表面圆滑过度,可以化镜面反射为边缘绕射,变边缘绕射为爬行波。机体表面不能存在突出结构,同时将各种外挂设备采用内置式安装,因为这些结构和设备容易形成后向强散射。

综观隐身飞机的散射结构设计,首先要照顾到迎头方向的隐身,在电磁波迎头照射时,把散射场分布到一些不重要的方向去,尽量不要形成后向散射。但这也意味着隐身飞机的隐身性能并不是全角度的,在非迎头方向,隐身飞机的单站RCS完全可能大幅增加。

2 隐身飞机的RCS特性分析

本文以F-22飞机为例,对其RCS方向特性进行仿真,包括水平方向性和俯仰方向性,F-22飞机的CAD模型如图2所示。仿真代码为SBR高频算法,仿真频率为10 GHz,包括H H和VV两种极化方式。

图2 F-22飞机CAD模型俯视图

图3为F-22飞机在俯仰角为45°和90°时的RCS水平方向性比较。由图可见,在俯仰角为90°时,不论是H H极化还是VV极化,F-22飞机在方位角处于0°±30°范围内的RCS都低于-20 dB,具有很好的隐身性能。由于此处只研究飞机的散射结构设计,CAD模型的材料属性设置为金属,故无法考虑吸波材料的贡献,否则F-22飞机的迎头RCS可以低至-30 dB。

图3 俯仰角为45°和90°时的RCS水平方向性对比(10 GHz)

但在俯仰角抬升到45°时,不论是H H极化还是VV极化,F-22飞机的RCS都会大幅上升,在迎头方向上升约10 d B,两侧上升约20 d B,尾向也有所上升。这就说明,在俯仰角抬升时,F-22飞机的隐身性能明显降低。

为了进一步证明上述结论,本文对F-22飞机进行俯仰向RCS曲线仿真,方位角分别为0°和45°。仿真结果如图4和图5所示,为了便于查看,此处采用极坐标进行曲线绘制。由图可见,在俯仰角偏离90°±30°后,不论是H H极化还是VV极化,F-22的RCS都会明显增加。在方位角为45°的情况下,这种变化更为明显,在俯仰角达到90°±45°时,RCS可达10dB左右。

根据以上结果可见,在俯仰角为90°±30°时,F-22飞机在迎头方向具有很好的隐身性能,但在俯仰角抬升到45°左右时,这种隐身性能下降。俯仰角45°属于机载SAR成像的视角范围,所以当隐身飞机停留在地面机场上时,应该可以被机载SAR成像雷达发现。

3 隐身飞机的SAR成像仿真

本文对F-22飞机的SAR成像进行了仿真和分析。为了进行对比,将非隐身的E-2预警机与F-22飞机置于同一个场景,同时进行SAR成像,场景如图6所示。为了在成像过程中互不遮挡,故在两个飞机之间拉开一定距离。本文使用的SAR成像仿真代码是基于SBR技术的时域成像算法,成像中心频率为10 GHz,分辨率为0.3 m。

图4 方位角为0°时的RCS俯仰方向性(10 GHz)

图5 方位角为45°时的RCS俯仰方向性(10 GHz)

SAR成像结果如图7和图8所示。图7为俯仰角85°、方位角0°时的SAR图像,所处视角位于隐身飞机的最佳隐身范围。由图可见,不论是HH极化还是VV极化,E-2预警机都能被清晰探测,而F-22飞机则完全无法分辨,体现了非隐身飞机和隐身飞机的差别。其中E-2预警机的后半部分成像不清晰,这是因为入射电磁波被前半部分遮挡的缘故。

图6 E-2飞机和F-22飞机置于同一个场景

图7 俯仰角85°、方位角0°时的SAR成像

图8 俯仰角45°、方位角0°时的SAR成像

在图8中,SAR成像的俯仰角为45°,方位角为0°,所处视角在隐身飞机的最佳隐身范围之外。由图可见,不论是H H极化还是VV极化,E-2预警机和F-22飞机都能被清晰发现。由于俯仰角抬升,飞机的前半部分不会对后半部分形成电磁波的遮挡,所以两个飞机的整体都能清晰成像。所以,当隐身飞机停留在机场上时,可以通过机载SAR成像进行探测。

4 结束语

本文对隐身飞机的电磁散射结构设计进行了探讨,仿真和分析了F-22隐身飞机的RCS方向性和SAR成像,发现F-22飞机的隐身并不是全角度的。在俯仰角处于90°±30°范围内时,F-22飞机具有很好的隐身性能,但当俯仰角不在该范围内时,其隐身性能大幅降低。本文设定了F-22飞机停留在地面上的情况,以俯仰角45°进行SAR成像,发现F-22飞机可以被清晰探测。

本文的仿真和分析仅以F-22飞机为例。虽然不同的隐身飞机在电磁散射特性上有很大的不同,但在进行散射结构设计时,各种隐身飞机均以迎头方向为重点隐身方向。当从包括俯仰角45°在内的斜上方进行探测时,各种隐身飞机的隐身性能均大幅下降,因此关于F-22飞机的结论可以作为其他隐身飞机探测的参考。

另外,本文在SAR成像时没有考虑地面的影响,包括地面自身的SAR成像特征,以及地面与飞机之间的互耦效应对飞机SAR成像的影响,这些将在后续研究中予以实现。

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