下一代戰鬥機雷達隱身技術

作者：梁海珊，南京電子技術研究所，高級工程師

雷達隱身作為「全頻譜隱身」的重要內容，隨著軍事強國對下一代戰鬥機研發的開展受到越來越多的重視。文中總結了當前雷達隱身技術，在分析下一代戰鬥機對雷達隱身需求的基礎上，展望了正在發展的可能應用於下一代戰鬥機的雷達隱身技術，對開展我國下一代戰鬥機雷達隱身技術的研究和發展具有一定的指導意義。

引 言

雷達作為獲取戰場態勢信息的主要裝備，具有作用距離遠、發射功率大、雷達反射截面積（RCS） 大等特點，因此，雷達隱身成為射頻隱身的主要內容，若不能有效控制機載雷達系統的RCS 和電磁輻射特徵信號，則通過外形、結構和材料隱身而實現的整機隱身會受到嚴重破壞。相反，良好的雷達隱身不僅可以迫使敵方啟動主動輻射探測裝置而非被動探測裝置，從而使己方通過被動裝置感知威脅，對其定位識別，獲得利用反輻射武器和電子攻擊的機會，還可降低敵方探測系統的可信度，迫使敵方增加探測系統、火控系統和導彈等裝備的複雜度和成本。

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當前雷達隱身技術

按照特徵信號的類型，雷達隱身可通過主動和被動特徵信號控制和縮減兩種途徑實現。主動特徵信號縮減的方法通常被稱作低截獲概率( LPI) 技術，包括輻射功率控制、輻射時間控制、寬頻帶、LPI 波形設計等。被動特徵信號的縮減通常被稱為低可觀測性( LO) 技術，即通稱的隱身技術，如雷達罩低RCS外形設計、頻率選擇表面( FSS) 技術、雷達罩非工作時間全反射設計、天線陣面傾斜設計、雷達艙採用吸波材料技術等。當前雷達隱身技術主要有低旁瓣天線技術、輻射峰值功率控制技術、隱身波形設計技術和孔徑綜合技術等。

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低旁瓣天線技術

戰鬥機雷達的功率頻段多選擇在較高的X 頻段，具有較窄的主瓣波束寬度，照射截獲接收機的概率很低，被截獲接收機截獲的通常是副瓣輻射能量。理論上，通過天線孔徑上幅度加權函數能夠實現任意想要的天線副瓣，實現縮減天線副瓣的目的。當前有源相控陣發射副瓣縮減的加權方式有發射組件線性放大、天線孔徑多階加權、輻射單元特殊排布方式等。發射組件線性放大能夠隨意控制輻射功率，其代價是發射功率降低。天線孔徑多階加權是均勻加權與理想加權之間的折中，具有較好的工作穩定性。輻射單元特殊排布通過天線口徑在特定方向上的投影模擬出在要求方向上的理想口徑來實現特定方向上的輻射低副瓣。

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輻射峰值功率控制技術

高增益、低副瓣狀態下獲得LPI 的重要途徑是降低天線的峰值輻射功率，為了不損失距離解析度和探測距離，這通常通過對發射信號進行調製，發射高帶寬時寬積信號來實現。對於多機協同，可採用連續波、准連續波體制的收發分置方式，一部雷達發射，其他接收。而對於單機作戰，主要工作於收發共用的脈衝方式，此時採用高占空係數和多脈衝重複頻率來解決低峰值功率、高平均功率、距離遮擋和測量模糊問題。

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隱身波形設計電子支援系統

隨著ESM 快速測頻技術的發展和廣泛應用，ESM測頻速度越來越快，工作於脈衝多普勒模式的傳統雷達由於必須發射相參脈衝串以進行相參積累檢測，在幀間不能改變發射頻率，雷達工作頻率很容易被ESM系統測量。特殊的波形設計是機載雷達躲避ESM系統偵察的主要手段，通過輻射複雜調製信號，可降低截獲接收機對信號的檢測、分選、識別概率，並提高匹配濾波得益。當前廣泛使用的隱身信號有寬頻線性調頻信號、離散相位編碼信號等，寬頻線性調頻信號已在機載雷達中廣泛應用，雷聲公司16 位的弗蘭克碼也在雷達中得到應用。

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孔徑綜合技術

孔徑綜合是將雷達、通信、導航、敵我識別、電子對抗等功能的天線集成設計，減少戰鬥機上眾多的天線數量和RCS，實現天線的低可觀測性。這種設計以第五代戰鬥機F /A-22 和F-35 最為典型。F /A-22 使用的APG-77 有源相控陣雷達除了具有雷達功能外，還集成了情報偵察、電子干擾和通信等功能，支持無源定位能力。

圖 1 F-22 戰鬥機及其雷達系統

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下一代戰鬥機對雷達隱身的需求

隨著F-22、F-35、J-20 的服役以及Su-57 的成功試飛，軍事強國紛紛開始探索下一代戰機。美軍為繼續保持空中優勢，作了大量預研工作，其下一代戰鬥機有可能在2034 年～ 2035 年服役; 蘇霍伊公司於2016 年向國防部提交了發展下一代戰鬥機的初步報告，宣稱要在2025 年前後首飛; 日本提出i3 戰鬥機構想，將於2030 年前後服役。

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下一代戰鬥機的概念

美俄對戰鬥機的劃代採用不同的方法，為避免混淆，本文將F-22、F-35、Su-57、J-20 之後的新一代戰鬥機定義為下一代戰鬥機。

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下一代戰鬥機的能力特點

美軍對下一代戰鬥機的主要使命任務定位為遂行進攻性和防禦性的對空作戰，作戰樣式包括空中遮斷、近距空中支援、敵方防空壓制等，要求具有更快的速度、更遠的航程、更好的機動、更強的隱身、更全向的態勢感知、更突出的武器打擊和防禦能力，同時還要求無縫實時接入基於網路系統的聯合作戰體系中。這些特點可歸納為5S，即超飛行能力、超隱身能力、超感知能力、超打擊能力、和超協同能力。

（1）超飛行能力

具有5 倍音速以上的高超聲速飛行能力，實現快速打擊; 能夠實施爬升、盤旋、滾轉和直線加速等各種超常規機動; 不進行空中加油作戰半徑達到2 000 km的遠航程要求。

（1）超隱身能力

實現對雷達、射頻、聲波、紅外和可見光的「全頻段隱身」能力。

（3）超感知能力

具有性能先進的感測器系統，快速實時的數據鏈組網能力，以及先進的多感測器信息融合能力。

（4）超打擊能力

搭載定向能武器，具有超高速、超遠程打擊和彈道導彈攔截防禦能力。

（5）超協同能力

在體系聯合作戰框架下，能夠通過動態重構，與各類作戰力量、作戰單元實現全程無縫協同作戰。

圖 2 美日下一代戰鬥機

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下一代戰鬥機對雷達隱身的需求

從下一代戰鬥機的能力特點來考慮，下一代戰鬥機對雷達隱身的最直接的需求是實現平台「全頻段隱身」，提高戰場生存能力從而完成作戰任務的客觀要求。這包含兩個方面內容：

第一是下一代戰鬥機雷達輻射信號具有較低的被敵方被動接收裝置偵測的可能性；

第二是對敵方主動輻射裝置的低可觀測性。

隨著ESM、雷達告警接收機(RWR) 等被動探測手段的突飛猛進，以及新型雷達探測體制、工作頻段、處理技術的飛速發展，下一代戰鬥機被敵方預警探測系統發現的概率在成倍增加，必須把雷達隱身作為下一代戰鬥機隱身的整體中綜合考慮。

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下一代戰鬥機雷達隱身技術

針對下一代戰鬥機對雷達隱身的需求，以下從先進雷達體制、先進波形設計和一體化設計三個方面進行分析。

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先進雷達體制

（1）量子雷達

量子雷達在發射端對量子態進行調控，在接收端對量子態進行處理，通過對量子資源的利用，提高了雷達信號的信息維度和處理效果，提升雷達的探測性能。在雷達隱身方面，量子雷達通過對光子量子態的檢測，突破傳統探測對電磁波幅度、相位等宏觀物理量的局限，具有超高靈敏度，因此在保持目標檢測能力不變的前提下，所需的發射功率更低，降低了被截獲和偵收的可能; 另一方面，量子雷達對信號的量子態調製能夠增強目標與雜波和干擾信號之間的區分度，從而提升在對抗環境下的抗干擾能力。

量子雷達的研究於20 世紀60 年代起步，經過30 年的緩慢發展， 90 年代開始設計量子探測問題， 2000 年以後，量子雷達的研究逐步系統化，並圍繞量子糾纏－干涉、量子照明以及量子相干態接收三方面展開。

（2）人工智慧雷達

人工智慧雷達是將人工智慧技術於雷達技術結合產生的新一代雷達系統。人工智慧雷達採用閉環系統架構，以學習積累知識為核心，以信息熵為探測理論，能夠實現高精度、自主化的目標和環境感知。在雷達隱身方面，人工智慧雷達能夠根據歷史數據和實時感知信息以及任務需求自適應調整發射頻率、波形、功率、波束形狀等參數，實現雷達資源利用效率的最大化，降低被敵方接收裝置探測的機會。

（3） 微波光子雷達

微波光子雷達使用微波光子技術代替傳統雷達中基於電子技術的射頻發射鏈路，能夠克服傳統電子器件的技術瓶頸，具有多頻段、大帶寬、可重構、多功能特徵，對提高雷達低截獲性能具有重要作用。微波光子技術使用高度集成的光器件，能夠有效降低雷達的體積、質量，易於實現天線陣面與輕量化以及與戰鬥機表面的共形設計，可提高雷達的低可觀測性能。美國、俄羅斯、義大利等國對微波光子雷達進行了研究。義大利已成功利用雙波段微波光子雷達在現場試驗中成功檢測到多個海上目標，並精確跟蹤到8 nmile( 1 nmile= 1．852 km) 外的船隻，其試驗系統如圖3所示。俄羅斯近期也透漏成功研製出微波光子雷達收發樣機。

圖 3 義大利雙波段微波光子雷達系統

（4）分散式協同探測

根據美國、俄羅斯、日本等國對下一代戰鬥機需求公布的信息，美國下一代戰鬥機將以系統簇( FoS) 的形式出現; 俄羅斯則明確表示其下一代戰鬥機將是無人機; 2016 年日防衛省在其《未來無人裝備研發願景》中提出發展與其下一代戰鬥機編組作戰的無人機。可以發現，以分散式協同探測為特徵的「超協同能力」都將成為下一代戰鬥機的核心能力。超協同能力是指下一代戰鬥機在體系聯合作戰框架下，能夠「即時入網」、「動態重構」，並隨時與各類作戰單元、作戰力量實現全程無縫協同作戰的能力。這種協同實現了陸、海、空、天、電、網一體化，實現了基於網路系統的互聯互通互操作，被稱為「超維度網路系統」。通過這種途徑，輻射源就可以根據戰場整體局勢的需要開啟或關閉，從而提高戰機載高威脅區的生存能力。

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先進波形設計

先進波形設計隨著複雜信號產生和處理技術的發展，峰值功率低、大帶寬、調製形式複雜的隱身信號將成為支撐雷達隱身的重要手段。混沌信號、隨機信號、混合調製信號等將成為LPI 信號研究的熱點。混沌信號是確定性非線性系統中產生的一種貌似隨機的信號，具有對初值敏感、各態歷經、長期不可預測等特點。混沌信號與雜訊信號類似，具有寬闊連續的頻譜，雷達中的混沌信號有混沌編碼( PSK/FSK) 和連續波調製混沌信號兩大類型。隨機信號是一種類似雜訊形式的雷達信號，由於信號的隨機性，隨機雷達信號具有非常優異的LPI 性能，同時其模糊函數是理想的「圖釘」形，具有很高的無模糊距離測量和速度測量性能和解析度。典型的隨機信號有隨機調頻連續波、正弦加隨機調頻連續波、隨機二相碼連續波等。為了進一步增強隨機信號的LPI 性能和抗干擾性能，具有多重隨機性的隨機信號成為研究的重要方向。

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一體化設計技術

下一代戰鬥機雷達一體化設計一方面是指功能設計的一體化，另一方面是指結構設計的一體化。功能設計的一體化將在當前綜合孔徑的基礎上，向更高的集成度、綜合度和共用度上發展。結構設計的一體化指雷達天線、天線罩和天線倉設計的一體化。一是雷達天線將採用減小天線外形尺寸的內埋( 嵌入式) 設計，共形布置在機身內部。二是雷達天線罩要能夠使頻帶內、同極化的信號高百分率透過，而對頻帶外信號和不同極化信號有效阻斷，從而實現頻率、極化的濾波。對於天線倉，需要處理各種高頻散射，如鏡面反射、表面不連續散射、爬行波發射、行波散射、凹形區域散射等，可通過傾斜天線陣面、非工作表面塗覆吸波材料、連接部位採用混合線過渡，確保天線罩和天線倉以及天線倉隔離板的表面阻抗沒有不連續性，平台表面到自由空間滿足阻抗匹配等。

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結束語

隨著軍事強國日漸把下一代戰鬥機列入研製日程，我國發展下一代戰鬥機也迫在眉睫。雷達隱身已經成為下一代戰鬥機隱身性能設計的瓶頸問題。實現雷達隱身既要利用量子、微波光子、人工智慧等新興技術開展創新型雷達系統的研製，也要應用主動和被動特徵信號縮減手段，從雷達信號形式、天線孔徑等方面開展研究和改進。要將雷達工作效能和隱身性能之間綜合考慮，均衡設計，避免顧此失彼，以飛機總體單位需求為牽引，突破關鍵技術，保證第六代戰鬥機研製工作的開展。

來源：下一代戰鬥機雷達隱身技術、現代雷達、雷達與探測

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