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詳細分析:為什么隱身技術在低頻段時不那么有效?

 cqukelly 2019-02-27

復雜目標對電磁波的作用包含鏡面反射、邊緣繞射、尖頂繞射、爬行波繞射、行波繞射和非細長體因電磁突變引起的繞射等。對于無隱身措施的常規(guī)飛機,它的散射場包括反射和繞射場,主要是鏡面反射和邊緣繞射起作用。 

對于隱身飛機,采取多種措施,使鏡面反射和邊緣繞射基本消失。典型的戰(zhàn)斗機的雷達散射截面積(RCS)約1平米,而“隱身”飛機的RCS僅為0.01平米,甚至更小。 

下面先簡單了解不同情況下的散射,然后詳細分析為什么隱身技術在低頻段時變得不那么有效了,以及關于低頻段和隱身你可能存在的3個誤區(qū)。

鏡面反射(Specular Reflection):光學區(qū)域中最重要的反射形式,就像光照射鏡子一樣,大多數入射雷達波的能量都是根據鏡面反射定律反射出來的(反射角等于入射角)。這種反射可以通過塑性顯著減少。 


行波/表面波散射(Traveling /Surface Waves):照射到飛機機身上的入射雷達波可以在其表面產生行進電流,該行進電流沿著路徑傳播到表面邊界,例如前緣,表面不連續(xù)處等。這樣的表面邊界可以導致后向行波或者向多個方向散射。這種反射可以通過雷達吸收材料,雷達吸收結構,減少表面間隙或邊緣對齊來減少。


衍射(Diffraction):電磁波照射到非常尖銳的表面或邊緣被散射而不遵循反射定律。 

爬行波繞射(Creeping Wave):這是行波的一種形式,當沿著物體表面行進時沒有遇到表面不連續(xù)或障礙物,因此它能夠繞物體行進并返回雷達。爬行波主要繞彎曲或圓形物體移動。因此,隱身戰(zhàn)斗機和隱身巡航導彈不使用管狀機身。 

為什么隱身技術在低頻段時不那么有效?

隨著雷達波長的增加(頻率的降低),鏡面反射的強度減小,且波瓣寬度變寬。同樣的現象也發(fā)生在雷達上,如果孔徑大小保持不變,頻率的降低將增加波束寬度。由于鏡面反射波瓣變寬,使雷達波偏離將更加困難,并且反射的能量將分布在更廣的范圍。


鏡面反射隨波長的平方增加而成比例地減少。在較低的頻率下,行波和衍射的影響更多。對于平面,行波以波長的平方增長,它們的峰值反向散射角隨著波長的平方根而增加。尖端衍射和邊緣繞射也隨著波長的平方而增長。 

因此,當波長接近與飛機尺寸接近的諧振區(qū)域時,隱身飛機的RCS的凈值通常會增加。因此,低頻雷達通常被認為可以針對隱身技術。 


上圖為B-2飛機在10 Ghz和1 Ghz情況下的RCS,可以看出在低頻段1GHz時某些特定角度上有較大的RCS值。


上圖為AGM-86導彈在10 Ghz和1 Ghz情況下的RCS,可以看出在低頻段1GHz時在更多的角度上有較大的RCS值,這也為對抗隱身提供了更多的機會。

行波和衍射的影響可以通過以下方式減少:調整不連續(xù)之處的方向以將行波引向不可避免的鏡面反射的角度(例如機翼前緣),從而限制它們在其他角度上的影響。例如武器艙門就是不連續(xù)之處,鋸齒狀的邊緣的使用就是以便行波反射至不太重要的角度。 


減少表面波影響的另一種常用方法是將機身設計為具有非垂直角的小平面,從而雷達波沿著它們的斜線往低角度方向行進,減少邊緣繞射的影響。 

在相對較高的頻率下,也可以用雷達吸波材料(RAM)抑制表面波。通過融合平面也可以減少表面波衍射。 


第一架隱身飛機F-117是平整的表面,而所有后來的隱身飛機,如B-2,F-35,F-22,X-47都使用融合體設計(圓滑無棱角)。由融合平面構成的形狀不僅具有更大的空氣動力學性能,而且還允許電流在其邊緣平滑傳輸,從而減少表面波散射。


因此,融合體具有比平整面結構有更低的RCS,特別是在低頻情況下。并且以精確的數學計算飛機曲線,可以將方位向上RCS減小一個數量級。缺點是曲面上的鏡面反射略微擴大,但是是在威脅雷達不太可能定位它的方向上。 

關于隱身和低頻的3種常見誤區(qū)

第一個常見的誤區(qū)是:無論發(fā)射功率或孔徑大小如何,任何低頻雷達都會使隱身無效。雖然隱身飛機確實在諧振區(qū)具有更高的RCS。但需要認識到的是在雷達孔徑面積相等的情況下,與高頻雷達相比,較低頻率的雷達將具有較寬的波束。因此,能量的集中程度低得多使它們更容易受到干擾,低增益也會導致反射波較弱,同時分辨率也會降低。 

從而,大多數低頻雷達比高中頻雷達具有更大的發(fā)射天線,以獲得窄波束寬度。VHF雷達對于除預警之外的任何其他目的來說都太不準確了,加上現代隱身飛機也使用各種方法來減少它們在諧振區(qū)的發(fā)射。即使雷達在低頻范圍內工作,仍然很難從正面檢測隱身飛機。 

第二個常見的誤區(qū)是雷達的工作頻率越低(波長越長),探測隱身目標性能就越好。但這是不對的,飛機RCS不一定隨著頻率的增加而線性增長。隨著表面波效應的增加,它們的相位可能會與鏡面反射相干或相消,這會導致RCS波動。

當波長達到結構的大致尺寸時,通常會達到最大的RCS。一旦波長增長大于目標尺寸時,目標幾何的細節(jié)就不再重要,只有它的一般形狀會影響反射。飛機的RCS將隨著波長的四次方減小。 

第三個常見的誤區(qū)是關于四分之一波長的規(guī)則。很容易認為雷達吸收材料(RAM)至少要與雷達波長的1/4一樣厚,才能具有吸收特性。然而這是不準確的,雖然RAM吸收功能通常會在低頻率下降低,但它們并不會完全無效。例如,厚度僅為3 mm的MnZn鐵氧體RAM在2 GHz時吸收率能有68%(2 GHz波長約為15 cm)。

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