水面舰船隐身技术研究

张 晗，闫大海，钱治强

(中国舰船研究院，北京100101)

0 引言

水面舰船隐身技术主要研究如何降低舰船特征信号，缩短雷达、声呐、磁探仪等探测系统的发现距离，减少以特征信号为引信的制导武器的命中概率，提高舰船的生命力和作战效能。随着探测、定位、制导手段逐步多样，水平不断提高，探测制导反隐身能力显著增强，水面舰船隐身技术面临挑战。需要深入研究各种探测制导技术，有的放矢，确保我水面舰船在现代战争中处于有利地位。

1 主要探测制导手段

目前探测水面舰船的手段主要包括电磁波、声波、尾流等，探测方式包括主动探测和被动探测，探测载体包括卫星、飞机、岸基、舰艇等，探测方位涵盖陆海空天潜。对舰攻击武器主要包括导弹和鱼水雷，制导手段主要是惯导、雷达、红外、声、磁、尾流等。

1.1 电磁波

电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释放电磁波。一般按频率大小，把电磁波分为无线电波、微波、红外线、可见光等。无线电波主要用于通信，按频率大小又可分为长波、中波、短波等。大多数雷达工作在1～15 GHz的微波频率范围。红外线可用于热成像仪、红外制导导弹等。主要电磁波分类见表1。

表1 主要电磁波波谱Tab.1 Main electromagnetic wave spectrum

1.1.1 雷达

雷达是最重要的探测水面舰船的手段。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，获取目标的距离、速度、方位等信息，具有全天候、基本不受雾、云、雨等气候条件影响的特点，具有一定的穿透能力。

探测水面舰船的雷达主要包括：反舰导弹末制导雷达、舰载搜索雷达、固定翼预警机预警雷达和直升机载海上监视雷达等。目前各国在不断发展反隐身雷达。

1）反舰导弹末制导雷达

反舰导弹末制导一般采用主动或被动雷达制导，或者主被动雷达复合制导模式。主动雷达导引头主要工作在X，Ku或Ka波段。被动雷达制导一般覆盖L，S，C，X，Ku等波段，作用距离可达100 km以上[1]。

2）对海搜索警戒雷达

按装备载体空间位置可分为天基、空基、舰载、岸（地）基等。

天基侦察探测是世界各国争夺激烈的包括对海探测在内的探测“制高点”。星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，简称SAR）成像可以全天候、全天时进行对海侦察探测，并且具有一定的穿透能力。目前很多国家都装备了星载合成孔径雷达，一般在L、C、X波段工作[2]。图1为根据相关文献概括出的侦察卫星支援对海打击的典型作战示意图。

图1 侦察卫星支援对海打击的典型作战示意图Fig.1 Typical operational sketch map of reconnaissance satellite supporting sea attack

舰载和机载雷达的主要工作频段为P，L，S，C，X，Ku，Ka，工作体制包括相控阵、单脉冲、全相参、照射、线扫收发、连续波、圆锥扫描等[3]。

目前主流舰载雷达为三坐标雷达，可以测量目标的仰角/高度、方位、距离参数。有源相控阵体制是国外舰用三坐标雷达的主要发展方向，大中型水面舰船的相控阵雷达一般使用S频段，中小型舰船一般使用X频段[4]。

预警机、直升机、无人机等雷达机载平台具有快速、机动、突破海平面视距限制等特点，在海上作战体系中地位重要。机载雷达发展经历了脉冲雷达、脉冲多普勒雷达、相控阵雷达3个阶段，目前很多国家海军和空军装备有源相控阵机载雷达，探测距离远，可靠性高，抗隐身性好，支持多目标跟踪[5]。

岸基对海监视雷达是对海防御的重要组成部分，担负海面目标搜索跟踪等任务，一般部署在海岸高山、海岛等处，需要具备对抗各种杂波干扰的性能。岸基雷达一般采用S波段以上的微波频段，依靠直射波进行探测；或30 MHz以下的短波频段，依靠绕射波进行探测[6]，比如天波超视距雷达（3～30 MHz）和地波超视距雷达（3～15 MHz）。

1.1.2 电子侦察

电子侦察主要是截获对方通信信号、雷达信号、导弹遥测数据等，通过测量电磁辐射源方向，识别目标参数和型号等，获取战术情报，了解作战态势，作出威胁预警。电子侦察在信息化战争中地位重要，可为战术决策提供基础信息。

电子侦察装备包括电子侦察卫星、电子侦察飞机、地面电子侦察站、电子侦察船、潜艇及其它水下电子侦察设备等。电子侦察技术的发展方向是，提高抗干扰能力和信号处理能力，在复杂的电磁环境中能实时准确地截获、跟踪、分析电磁信号。

1.1.3 光电侦察

光电侦察包括可见光侦察、红外侦察、激光侦察等。大部分光电侦察属于被动侦察，被动接收目标发出或反射的光线，具有目标图像清晰、隐蔽性好、抗干扰性好等特点。

1）红外

自然界中绝对零度以上的物体都在不停地向外辐射红外线。红外幅射频谱可分为4个波段，分别是近红外区（波长0.75～3μm）、中红外区MIR（Mid-infrared region，3～6μm）、远红外区FIR（Far infrared region，6～15μm），以及超远红外区（15～1000 μm）[7]。FIR和MIR受海洋环境影响小，穿透能力强，容易被探测到。红外探测采用被动工作方式，具有隐蔽、抗干扰能力强等特点，而且设备体积小、重量轻、功耗低。

红外探测技术在军事上的应用包括：红外成像设备、红外相机、红外扫描装置等，装备在卫星、侦察机、直升机、无人机、舰艇、岸基等载体上，对军事设施等固定装置和飞机、导弹、舰船等移动目标进行侦察、监视、定位、识别和跟踪等；导弹通过红外成像制导来捕获和打击目标等。红外预警探测系统的发展方向是探测距离更远，定位精度更高，虚警率更低。

2）可见光

望远镜等光学仪器是在军事上最早应用的侦察手段。目前的微光夜视仪等光学仪器采用先进的微弱光信号增强探测技术，灵敏度高，寿命长，显著提高了侦察的准确性和实效性。

3）激光

激光已成为侦察的重要手段，广泛应用于测距、测速、目标识别、跟踪和瞄准、武器精确制导等。激光侦察具有远、准、快、抗干扰、无盲区、分辨率高、隐蔽性好等优点，激光制导具有精度高、抗干扰能力强等优点。

1.2 声波

如果说大气层内外电磁波是探测的主要手段，水下探测则主要依靠声波。电磁波等信号在水下衰减很快，传递距离很短，而声波可以传播数十至上千海里，是水下探测中应用最多、技术最为成熟的手段。

目前探测水面舰船水线以上部分的手段主要是电磁波，而水线以下部分，水面舰船面临的威胁主要来自网络化水声探测、各种声呐、水声制导鱼雷和声引信水雷等。

1.2.1 网络化水声探测

网络化水声探测可以使用低频大功率大尺寸基阵，布放范围广，作用距离远；可根据不同海区的声传播条件，将探测系统部署在有利的声道，以增加作用距离和隐蔽性。

1.2.2 声呐

主要包括首阵、舷侧阵、拖曳阵、吊放声呐及浮标等。

首阵一般安装在潜艇首部或水面舰艇球鼻首部的声呐阵列，多为球形或圆柱形，采用主被动工作方式，工作频段主要是中频和低频，视野开阔、受主机和螺旋桨影响小。

舷侧阵将水听器布放于舰艇两舷侧的被动阵，充分利用了艇体的长度，可在低频段（1 kHz以下）工作。

拖曳阵装备在舰艇、反潜直升机和监视船上，一般长1～2 km，采用主被动工作方式，一般采用低频和甚低频，最远作用距离200 km左右。

吊放声呐主要装备于反潜直升机和某些水面舰船，声呐浮标主要用于飞机空投，均可进行主动探测或被动监听。

1.2.3 声制导和声引信

声自导是最为成熟的鱼雷制导系统，目前大多数鱼雷均使用主/被动联合声自导系统。鱼雷、水雷、深弹等战斗部均可采用声引信，采用主动或被动工作方式，属于非触发引信。

1.3 尾流

船舶航行时，船体和螺旋桨对海水扰动，在船尾海水中形成一条含有大量气泡的气幕带，即船舶尾流。由于大量气泡的存在，与周围海水比较，尾流的声、热和磁特性等均出现异常，为探测舰船提供了条件。目前的研究主要针对船舶尾流的声、光、热和电磁特征的探测。利用舰船尾流来实现鱼雷制导可分为声、热和磁尾流制导等，以声尾流制导的应用最为普遍。

1.4 其他物理特性

包括电磁场、压力场等。

舰船磁场主要由建造时形成的船体和设备的固定磁场，以及舰船航行时产生的感应磁场组成。舰船磁特性可以被磁敏感设备探测，或者受到磁引信鱼雷或水雷的攻击。

船舶静止或航行时，其周围海水中都存在电场，按形成原因可分为静电场、轴频电场、谐波电场和感应电场等。其中，静电场和轴频电场信号频率低，在海水中传播距离较远。利用电场信号对船舶进行探测跟踪具有较高的可行性。目前美国、俄罗斯等国有电场引信水雷[8]。

船舶航行时会引起水中压力场发生变化，一般规律是船艏及船艉压力增大，船舯压力减小[9]。水压水雷引信就是利用航行船舶的这一物理特性研制开发的，并且难于扫除。

2 水面舰船主要隐身技术

越来越先进复杂的探测制导手段，使得水面舰船在海战中被发现、攻击和消灭的概率大大提高，如何有效提高舰船的隐蔽性成为各军事强国的研究重点。

2.1 电磁波隐身

主要包括雷达波隐身、电磁辐射隐身、光电隐身等。

2.1.1 雷达波隐身

包括外形隐身技术、融合集成设计技术、隐身材料技术等。

外形隐身以降低目标雷达散射截面积（RCS）为目标，主要通过融合外形和多棱外形等技术实现，将舰体各个部位设计成不规则的倾斜多面体，相交面做成圆弧状，降低雷达的信号特征。

融合集成设计技术包括：将舰面电气设备、武器装备、舾装设备等进行融合设计；采用射频孔径集成技术，尽量减少外部天线数量；一体化集成上层建筑技术，将上层建筑、收发天线、照明灯具、进排气管等散射源进行综合集成，有效控制RCS[10]。图2为美国最先进的采用综合隐身设计，集雷达、声学、红外隐身为一体，应用综合射频集成和集成上层建筑技术的DDG-1000导弹驱逐舰。

隐身材料技术主要是利用雷达吸波材料降低目标回波强度，达到减小目标RCS的效果。一般分为涂敷型和结构型吸波材料2种。

图2 美国DDG-1000导弹驱逐舰Fig.2 DDG-1000 missile destroyer

2.1.2 电磁辐射隐身

在使用舰载雷达、导航和通信设备时必然会涉及电磁辐射和泄漏的问题，有效控制和管理这些设备的电磁辐射，研制低截获概率的警戒、导航和通信装备，是对抗电子侦察的有效手段。

2.1.3 光电隐身

红外隐身。通过采用空气对流散热系统、在船体表面涂覆吸波和绝热材料、热废气冷却系统等措施，降低舰船红外辐射强度，减少舰船与周围环境的热对比度；采用模拟背景的红外辐射特征技术，以及红外辐射变形技术等，改变目标的红外图像特征；采用光谱转换技术，使舰船的红外辐射波段落在红外探测系统的工作波段以外等[11]。

可见光隐身。舰船表面设计成多面体，使光多向散射；舰船亮度色度与周围环境尽量匹配；控制舰船的灯光和烟迹信号等。

激光隐身。通过采用外形技术消除可产生角反射器效应的外形组合，选取适当材吸收照射在目标上的激光，或使入射激光穿透或反射后变成为另一波长的激光等措施，降低舰船的激光反射截面[11]。

2.2 声隐身

舰船主要辐射噪声源是机械噪声、螺旋浆噪声、水动力噪声等，降噪的主要途径包括采用电力推进、喷水推进、磁流体推进、多叶大侧斜桨、流线型船体外形、低噪声设备等，降低噪声源的强度；采用双层隔振、浮筏隔振、减振器减振、阻尼减振、悬浮舱室等隔振和吸阻振技术控制噪声的传递。

2.3 尾流隐身

尾流持续时间长，不易消除和伪装，并且很难对尾流检测进行人工干扰。可以通过优化船体型线和螺旋桨设计技术，控制巡航速度，应用活性覆盖层等边界层控制技术，通过涡流消除器等涡流控制技术等手段减小尾流[12]。

2.4 其他物理场隐身

磁场隐身。对舰艇进行消磁，包括采用无磁或低磁材料建造舰船，利用消磁站或消磁船对舰船消磁，舰船设计自消磁系统，控制剩余磁场强度等技术手段。

电场隐身。主要采用安装电保护装置、屏蔽装置、电场补偿系统装置等降低电场信号。

水压场隐身。通过在船底加装附体或向船底喷水等技术手段，可以改变船舶的正常水压场，达到船舶水压场隐身的目的[9]。

3 水面舰船隐身技术发展趋势分析

探测技术和隐身技术是一对矛盾综合体，既相互对立，又相互促进，任何一方技术进步带来的优势，必然会引起另一方技术的追赶。技术领先和创新将在未来战争中起到关键作用。

3.1 探测制导技术发展趋势

主要包括提高现有探测制导技术水平、对各种探测制导技术手段进行综合集成，探索新型探测制导技术等。

3.1.1 提高现有探测制导技术水平

通过增大发射功率、天线增益、信噪比等提高雷达的探测能力；通过研究弱信号检测算法提高弱信号检测技术；提高雷达功率孔径积，实现大功率孔径积与低截获概率功率管理的相互兼容；增大相参处理的脉冲数及发射信号的时间带宽积，增强雷达探测能力和径向分辨率；通过采用数字滤波、声表面滤波、电荷耦合器件和光学方法等技术来提高雷达接收机的信号处理能力等[13]。

通过采用有源相控阵列体制，应用先进信号处理方法、高性能计算和天线阵列等技术，可以克服传统米波雷达测高不准、覆盖不连续、低角盲区大等缺陷，使其成为反隐身能力强、性价比高的先进雷达[14]。

3.1.2 对各种探测制导技术手段综合集成

发挥不同探测手段的特点，通过优化部署和信息融合，可以在陆、海、空、天、潜不同空域，将雷达、声呐、光电、尾流等不同探测技术结合起来，形成综合探测网络系统。对于舰船，不可能实现全频段和全方位的雷达隐身，可以综合利用超宽带雷达、米波雷达、毫米波雷达、无源雷达等频域反隐身技术，以及天基/空基雷达系统、双（多）基地雷达系统、雷达组网等空域反隐身技术，实现对隐身舰船的探测。

反舰导弹目前一般采用惯性/卫星复合中制导，主/被动雷达、主/被动雷达/红外成像等复合末制导技术，以对抗电子干扰和隐身舰艇。

3.1.3 探索新型探测制导技术

从利用人体感官进行侦察探测，到利用光学望远镜，再到利用雷达、红外、声、尾流等手段，新的探测制导技术不断涌现，并且随着科技进步不断发展变化。近几十年出现的超宽带雷达、无源雷达[15]、谐波雷达、相控阵雷达、合成孔径雷达等新体制雷达，都显著提高了探测隐身舰船的能力。

3.2 水面舰船隐身技术发展趋势

加强隐身顶层和总体设计，提高舰船隐身性能评估技术水平，不断发展隐身材料，深入开展隐身技术集成，探索隐身新机理，已成为各海军强国舰船隐身技术的发展方向。

3.2.1 设计先行

一些国家在舰船的总体设计中，雷达隐身已从服从于总体发展到主导总体的地位[11]。舰船隐身必须从顶层设计入手，协同多个专业，进行多学科优化设计，综合运用多种隐身技术措施，充分考虑性价比和舰船作战使用方式，做到反雷达、反电子、反光电、反声波等综合性能兼优。

3.2.2 评估准确

为有效控制舰船特征信号，必须对其进行准确计算评估，提高特征信号测量精度。目前对舰船特征信号进行评估的手段包括理论计算、经验推导、数值仿真、试验等。通过深入研究舰船目标特征机理，深入开展技术研究和条件建设，提高舰船目标特征试验和测试精度，建立和发展舰船目标特性试验与测试技术体系，为有效控制舰船目标特征提供坚实基础。

3.2.3 发展新型隐身材料

目前的隐身材料适用范围不够广泛，需要研制全能型隐身材料，既具备宽频雷达波隐身功能，也具备红外隐身、噪声隐身、电磁隐身、可见光隐身等一系列功能[16]。新型隐身材料包括：手性材料、纳米隐身材料、导电高聚物材料、智能隐身材料等。

3.2.4 探索新机理

各海军强国都在探索新型隐身机理，研究热点包括：等离子隐身技术、对消技术、阻抗加载技术、仿生技术、微波传播指示技术等。无人舰船的出现和发展将对舰船隐身技术带来根本性影响。

4 结语

水面舰船隐身技术难度大、涉及专业广，集成度高。应以需求为牵引，密切跟踪探测技术发展趋势，坚持从设计源头贯彻隐身设计思想，同时不断提高水面舰船对不同侦察制导和攻击手段的软硬杀伤能力，探索新技术、新手段，保证我水面舰船在现代海战中处于优势地位。