飞行器射频系统隐身表征与测试评估方法现状及发展

谢春茂，李 恩

(1. 电子科技大学电子科学与工程学院 成都 611731；2. 中国西南电子技术研究所 成都 610036)

武器装备隐身是指通过降低目标的主动或被动可测量特征，降低被敌各类侦察、探测传感器发现的距离、概率以及目标状态测量精度等指标，最终目的是阻止敌获取战场态势信息，其本质上是信息对抗。通常武器装备的隐身包括雷达隐身、射频隐身、红外隐身、可见光隐身、声隐身等，其中红外、可见光、声隐身主要受到载体平台自身或其动力系统影响，而温度、涂装和机械振动是主要成因。随着新一代飞行器对侦察、通信、探测、识别等功能要求不断加大，平台的射频传感器数量显著增加，对平台隐身设计提出了更大挑战。本文主要针对飞行器射频系统的射频隐身、雷达隐身表征与测试评估方法进行分析。

射频隐身是指雷达和数据链路等射频系统采用各种主动辐射特征控制技术，以降低被无源探测截获的概率。因此，射频隐身技术也被称为主动目标特征控制技术或低截获概率技术[1]。迅速发展的无源探测系统对飞行器构成了严重威胁[2-4]，飞行器射频隐身受到更多的重视。然而，由于射频系统自身也需通过辐射电磁波工作，一味降低辐射功率会使设备的性能降低或消失，即在抑制敌方信息获取的同时，己方也失去了信息获取和传递能力，这是射频隐身的难点所在。

雷达隐身本质是降低平台整体的雷达散射截面积(radar cross section, RCS)，使敌方雷达无法准确探测目标的回波信号。平台雷达隐身能力可通过飞行平台外形设计、吸波材料涂覆等手段来提高，但这是在保证平台表面电连续性的条件下实现的。真实的平台需要加装各类探测和通信传感器，这些系统的天线常以内埋的形式安装在平台上，孔径表面与平台表面贴合。即便如此，由于孔径表面的电磁特性与平台表面不一致，破坏了平台表面的电连续性，使得孔径造成的散射可成为隐身平台雷达散射截面积的主要因素。因此，对于高隐身平台，射频系统孔径的雷达隐身已经成为主要关注对象。

射频系统在满足功能需求时还需要满足特定作战使用场景下的射频隐身能力和雷达隐身能力，称为射频系统的综合隐身能力。

射频系统功能需求的频率、带宽等会影响阵列的布阵间距、剖面高度、端口驻波等，进而影响雷达隐身性能；而阵列的增益、效率、波束宽度、带宽等又直接或间接影响其潜在的射频隐身性能，如截获距离、可用跳频范围等，因此这几者之间的关系十分复杂。

为满足现代战场隐身作战需求以及适应复杂多变的战场态势，发展射频系统隐身技术，降低敌方有源、无源探测系统的作用距离和截获概率极为重要。为了更好地研究射频系统隐身技术以及更有效地指导运用，必须对其隐身性能和效能进行合理的、有效的表征和测试评估。本文通过对射频系统隐身表征和测试现状进行梳理，指出当前射频系统隐身表征和测试评估存在的局限性，展望了隐身表征和测试的发展方向。

1 射频隐身

1.1 射频隐身能力表征

1.1.1 抗截获层面

被截获距离是表征射频隐身的一个重要参量，该参量易于测试，且与战术能力联系紧密。被截获距离与射频系统的EIRP 以及无源探测系统的灵敏度相关，依赖于无源探测性能。被截获距离是相对射频系统而提出的，相对于无源探测系统，则为截获距离，二者在数值上相等。以截获概率为基础，文献[5]提出了截获因子，定义为无源探测系统的截获距离与射频系统功能最大作用距离之比，它表征了射频系统相对于确定无源探测系统的低截获性能。文献[6]提出了基于截获距离的隐身效率指标，本质为截获距离的缩减百分比，用于评价采用各种措施后截获距离缩减的优劣程度。截获距离和截获因子均只表征某个方向的抗截获能力，文献[7]假定在二维辐射方向图上均匀分布了性能相同的截获接收机，然后将方向图覆盖的面积用等效圆面积代替，并将等效圆的半径定义为截获圆半径作为评估LPI 性能的指标，文献[8]将文献[7]定义的评估指标拓展到三维，提出了截获球半径(spherical equivalent vulnerability radius, SEVR)，上述两种方法表征了统计意义上的LPI 性能，在特定对抗场景中，由于随机性不能达到方位的均匀分布，较难指导实际应用。各指标总结如表1 所示。

被截获概率是反映射频隐身抗截获的第二个重要指标。静态场景中，在主瓣满足检测门限的情况下，瞬时截获概率通过时域对准概率、空域对准概率、频域对准概率共同决定。时域对准是射频系统辐射时无源探测系统在工作；空域对准是无源探测系统波束指向射频系统载体平台；频域对准是指射频系统以某一频率工作时，无源探测系统频率信道正好覆盖该频率。如果无源探测系统在时域、频域和空域全宽开的，则截获概率退化为无源探测系统的探测概率。在一段时间T内的累积截获概率为：

实际中射频隐身的截获概率评估常基于某一动态对抗场景，此时试验中截获概率的计算方法为：将时间离散为一系列小片段，并统计每个切片射频系统被截获的状态，将总的被截获次数除以参考时间长度内的总时间片数来获得截获概率[9]。显然，此计算方法基于某种固定的场景，存在一定的偶然性，如果需要获得更可靠的结果，应该在不同对抗场景中进行多次试验再统计分析。

式中，N为统计时间片个数；Si表示每个时间片内是否被截获。

表1 距离相关截获表征指标

1.1.2 抗分选识别层面

无源探测系统在前端截获的基础上，完成对目标信号的分选与识别。现阶段，主要以无源探测系统对接收信号载频、脉宽、到达时间、到达角、幅度等参量的估计精度来表征射频隐身性能，这些参数的估计精度将影响到无源探测的信号预分选和主分选，如信号的聚类和去交错。这些参数的估计精度与信号的带宽、时宽、信噪比等因素有关[10]。表2给出了不同参数测量精度对分选识别的影响环节。

表2 测量精度影响的分选识别环节

此外，文献[11] 基于信息论中熵的形式，对信号波形特征的不确定性进行了分析，提出用熵来表征信号的波形特征不确定性，频率、脉宽等特征的不确定性均可用下式表征：

针对跳频信号的侦察，文献[12] 提出了由信号类型熵、密度熵、时频分布熵等构成的“复合信息熵”的定量评估指标，该指标综合考虑电磁环境中的信号类型数、跳频信号数目、跳速和信道使用情况。熵值越大，电磁环境复杂度越高，跳频信号的侦察将更加困难。

虽然基于熵与信息不确定性的关系，认为信号特征参数捷变是设计低识别概率信号的方法之一，该指标能描述不同信号或不同复杂电磁环境下分选的相对复杂性，但是难以建立该熵值与分选识别性能的直接关系，不利于射频系统的具体指标值确定。

1.1.3 定位跟踪层面

在定位跟踪层面，同样基于无源探测系统的定位精度等指标对某种隐身策略，如间歇辐射的抗定位跟踪性能进行描述[13]。此外还包括一定定位精度下的定位跟踪收敛时间，如图1 所示。这些指标实际上是反应无源探测能力的指标，但鉴于隐身和侦察的对抗性，反过来也可以作为评价隐身性能的表征指标。当多个平台进行协同定位时，单次测量即可获得一个定位结果，其定位精度可用几何精度因子(geometrical dilution of precision, GDOP)和球概率误差(spherical error probable, SEP(或圆概率误差(circle error probab,CEP))两种性能指标描述，它们受到射频辐射源、无源探测系统形成的几何拓扑关系的影响。

图1 定位收敛时间示意图

1.1.4 协同隐身的表征指标

随着新体制的射频系统的应用以及射频系统的组网应用，上述指标被赋予了新的意义。文献[14] 对MIMO 雷达的低截获性能进行了研究，推导出了MIMO 雷达的截获因子。文献[15-16]从信息论的角度为低截获技术研究提供了新的思路。文献[17-18]研究了组网雷达的低截获概率问题，并将Schleher 截获因子推广到组网雷达，以此表征组网雷达系统的低截获性能。文献[19]定义了双基地雷达、分布式MIMO 雷达的低截获性能表征指标。

1.1.5 射频隐身表征存在的问题

虽然目前的表征指标众多，除了被截获距离和被截获概率外，大多数难以和战术能力建立直接的关系，缺少针对无源探测系统的统一的信号截获和数据处理模型，无法指导系统设计。对无源探测而言，在已知接收机类型时，可建立信号检测模型，描述前端截获，但缺少检测与参数测量后的信号分选、辐射源检测、辐射源参数测量、识别等数据处理部分的简明数学模型，即系统截获，而区分不同的辐射源又与数据处理密切相关。

1.2 射频隐身测试

射频隐身测试包含两个层面，一是对隐身指标分解得到的技术指标进行测试，如天线的副瓣电平、功率控制下的EIRP 等，这一类指标的测试已非常成熟；二是对隐身指标本身进行测试，典型的为被截获距离和被截获概率。目前公开报道的射频隐身测试主要是射频系统在某种工作状态下的被截获距离或截获概率的测试。

射频隐身技术在20 世纪70 年代提出后，美国率先在1979-1980 年完成了射频隐身的飞行试验。国内射频隐身性能测试、评估则还处于起步阶段，相关公开发表的文字记录较少。文献[20] 提出了一种截获距离测试的等效方法，用于通过某些条件下的测试结果计算其他条件下的结果，如通过主瓣截获距离推测副瓣截获距离，测试精度小于10%。此外在定位试验方面还提出了一种缩比测试方法，用于测向交叉定位的测量[21]。

针对外场测试效率低、成本高的问题，可基于半实物的方式进行桌面试验，如图2 所示。桌面试验中通过编辑并运行作战想定，通过加载射频系统装机方向图，利用电磁波传播模型，实时解算当前位置关系和波束指向下射频系统传输至无源探测系统的信号时延、功率衰减、到达角度等，再通过信号处理硬件设备对射频信号进行相应的调制并注入无源探测系统，最终通过无源探测系统的截获情况分析截获距离、截获概率等指标。桌面半实物试验具有可重复、低成本、效率高等优点，可作为外场试验前的辅助验证手段。

图2 射频隐身桌面试验原理

2 雷达隐身

2.1 雷达隐身表征

目前雷达隐身能力的表征较为简单，主要通过雷达散射截面积表征飞行器雷达隐身能力。针对射频系统孔径，仍然沿用了这一方法。雷达散射截面积定义为在目标散射各向同性假设下，目标散射截面积等于散射电磁波的功率除以入射电磁波功率密度：

雷达散射截面积与入射波频率及其相对于目标的入射角度、极化和观察角度、极化有关。飞行器姿态变化导致相对入射角度变化，RCS 也变化，因此通常以某一角域内RCS 的均值来衡量其雷达隐身特性。角域的范围根据平台用途及其对应的威胁雷达的空域分布而定。目前关心最多的是单站RCS，主要衡量对单站雷达的隐身能力。由于不同类型雷达工作频率不同，因此可根据实际需求，针对不同频段分别提出RCS 指标。因此，雷达隐身表征指标是一个以频域和角度为自变量的量，操作过程中可根据需求对频率和角度进行离散采样或求均值简化评估。

在实际飞行器运动时，电磁波入射角度改变，由于每个角度RCS 不同，因此回波幅度受到调制，幅度呈现起伏。从雷达的信号处理角度，目标回波的起伏特性是关键的问题。为此建立了RCS 的起伏模型，大致分为两个阶段，第一阶段建立了非起伏模型和4 种Swerling 经典模型（I/II/III/IV），可表征目标回波的不同概率密度分布和起伏快慢；第二阶段是χ2分布模型、对数正态(Log-normal)分布模型和莱斯(Rice)分布模型等，称为第二代模型[22]。这些模型均用于表征目标RCS 随角度变化的统计变化特性。

2.2 雷达隐身测试

RCS 测量按测量场地的不同，一般可分为远场测量法、紧缩场测量法和近场测量法。

2.2.1 远场测量法

RCS 远场测量法通过尽可能增大目标与辐射源之间的距离来获得近似的平面波照射，远场测量常在室外进行，是获取大型全尺寸目标电磁散射特性的重要手段。室外测量的缺点是测试将受到地平面的影响，需要对地面反射进行良好的处理，为此出现了利用地面反射的地平面场法和消除地面反射的自由空间场法两种方法。

地平面场法中，利用地平面作为照射过程的参与者[23]，即照射到目标上的电磁波除雷达至目标的直达波外，还有经地面反射达到目标的电磁波，如图3 所示。地平面场法要求地面必须非常平整，同时，地平面的反射率也受到频率和极化方式的影响。尽管如此，基于地面反射的远场测试仍然是外场测试的主要方法。

图3 远场地平面场法

自由空间场法中，要求去除地面反射的影响，当测试距离非常远，天线和目标难以架设得足够高，当天线方向图又不能非常窄时，地面的影响不能得到良好的消除。为此，通过在地面增设斜劈、挡板、吸波材料将电磁波反射到其他方向或者吸收掉，可减少反射到目标的电磁波[24]，如图4 所示。

图4 远场自由空间场法

显然，外场测试是在开放环境中进行，测试结果可能受到其他干扰辐射的影响，不利于保密。

2.2.2 紧缩场测量法

RCS 紧缩场测量法利用偏馈抛物面来生成模拟平面波，从而实现在较短的距离上形成对目标的近似平面波照射，完成RCS 测量，如图5 所示。紧缩场测量一般在微波暗室内进行，与远场法相比的最大优点是不受外界干扰影响，可保证测量的可重复性，缺点是静区限制了待测目标尺寸。一种方法是采用缩比测试，构造真实飞行器的缩比模型，同时提高测试频率，获得具有相同变化规律的RCS 曲线。射频系统的RCS 测量与平台相似，但又有所不同，平台上的射频系统可能由大量尺寸更小的辐射单元构成，且包含损耗材料，这使得射频孔径的缩比测量难以实现。

图5 紧缩场暗室

2.2.3 近场测量法

近场测量是通过在一个面上采样散射场的近场数据，再通过变换处理，间接计算出远区散射场。近场扫描方法是目前较为广泛应用的一种方法。在距离天线或者散射目标3～10 个波长的距离上，测出场的幅度和相位分布信息，应用较严格的模式展开理论进行模式展开，并且在计算中补偿了探头的影响，是一种精确度较高且实用性强的方法[25]。近场法主要用平面波综合技术来产生平面波[26]，如图6 所示，在近场扫描测量时，用一个特性已知的探头，抽测近场中某一表面上场的幅度相位分布，通过数学变换就可以得到天线或目标的远场特性。

图6 近场测试中的平面波综合示意图

随着RCS 近场测量理论日益发展，国外已建成许多典型的RCS 近场测量系统。如美国在弗吉尼亚州建立的近场测量系统，可以对飞机、舰船、坦克等缩比模型进行测量，并在锥形微波暗室里实现了以探头扫描的两种近场测量方法，其系统频率广，能在100 MHz～18 GHz 之间变化[27]。

近场RCS 测量作为一种新兴技术，具有测试距离短、投资成本低、可在室内进行、保密性强、测量精度高、信息量大、可全天候工作等优点，与远场和紧缩场测量手段相比具有不可替代的优势，是最具发展前景的RCS 测量方法之一，在一些发达国家已经成为各种武器装备出厂时隐身性能鉴定的通用手段。

2.2.4 测试载体

射频系统的RCS 是当其被安装在平台上之后的RCS，需结合全尺寸平台进行测试才能获得精确结果。由于射频孔径数量多，逐个安装后测试效率低、成本高。为了在测量中计入孔径与平台的耦合作用，可截取部分平台并设计为低散射载体，对射频孔径RCS 进行测量，这是对平台上局部强散射源进行测试评估的常用方法[28-30]。通常期望低RCS 测试载体比孔径本身的散射低10 dB，在为孔径散射测试提供局部耦合环境的情况下又不显著影响测试精度。然而，对于低频RCS 测量，局部平台构成的载体通常处于谐振区，难以实现低RCS，且孔径安装于不同位置时需要设计多个载体，增加了工作量。

3 当前隐身表征和测试的局限思考

3.1 射频隐身方面的思考

抗前端截获的能力不能完全表达射频系统的性能。建议从抗截获、抗分选识别、抗定位跟踪3 个层次来提出射频隐身效能指标，并对相关指标的测试形成规范，包括以下3 点。

1) 截获概率方面需要结合无源探测系统工作规律，在一定的时间窗口内进行截获概率统计，如定位收敛时间，而非整个场景周期；

2) 急需突破抗分选能力表征及标准测试方法，抗分选的表征可在一定复杂度的战场环境下，从无源探测设备的分选正确率和分选所得辐射源参数准确度方面进行度量。分选本身需要在多信号环境下进行，设置恰当的多信号环境，以准确反映战场的实际情况；

3) 体系对抗下的射频隐身，射频隐身技术手段逐步向协同隐身拓展，有一些辐射源本身就是诱饵，如何表征体系对抗下一个编队或集群的射频隐身是未来需要研究的问题。

3.2 雷达隐身

随着反隐身技术的发展，许多新的雷达技术让雷达隐身面临困难。如米波雷达、收发分置的多站雷达，这对雷达隐身指标的测试提出了新的需求，具体有以下3 点。

1) 针对米波雷达，低频段散射瓣较宽，可确定一定角度窗口，使RCS 的滑窗平均值达到某设定指标，以准确反映RCS 细节；同时需突破低频RCS 测量载体设计技术；

2) 针对多站雷达，采用双站RCS 指标进行表征，发展新的测试技术，提高双站散射测量效率；

3) 射频系统工作状态下的隐身评估：现有测试均在非工作状态下进行，端口接匹配负载测试，无法真实反映辐射状态下端口匹配特性变化导致的模式项变化。建议后续需研究工作状态下散射特性的测试方法。

4 结 束 语

射频系统隐身的性能表征与测试主要包括射频隐身和雷达隐身。国内射频隐身研究还处于起步阶段，尚无一个统一、公认的隐身性能衡量标准，目前提出的表征指标尚需经过实践进一步检验，从抗截获、抗分选、抗定位多个层面提取可测性强、表征能力强的射频隐身指标是测试评估的基础。总之，射频隐身表征测试方面与实际应用需求还存差距，亟需更多更深入的研究与探索。此外，虽然雷达隐身表征指标相对完善，但雷达探测威胁的不断演进对雷达隐身能力提出新的要求，相应的表征指标应基于RCS 作进一步细化，测试手段也应进一步发展，以适应有源状态下、低频段以及双站RCS的测试需求，发展RCS 近场测试技术或许是一种可行的方法。