为什么隐身目标在低频段时不那么有效？

复杂目标对电磁波的作用包含镜面反射、边缘绕射、尖顶绕射、爬行波绕射、行波绕射和非细长体因电磁突变引起的绕射等。对于无隐身措施的常规飞机，它的散射场包括反射和绕射场，主要是镜面反射和边缘绕射起作用。对于隐身飞机，采取多种措施，使镜面反射和边缘绕射基本消失。典型的战斗机的雷达散射截面积(RCS)约1平米，而“隐身”飞机的RCS仅为0.01平米，甚至更小。

为什么隐身目标在低频段时不那么有效？

• 1. 概述
  • 复杂目标对电磁波的作用包含镜面反射、边缘绕射、尖顶绕射、爬行波绕射、行波绕射和非细长体因电磁突变引起的绕射等。对于无隐身措施的常规飞机，它的散射场包括反射和绕射场，主要是镜面反射和边缘绕射起作用。
  • 对于隐身飞机，采取多种措施，使镜面反射和边缘绕射基本消失。典型的战斗机的雷达散射截面积(RCS)约1平米，而“隐身”飞机的RCS仅为0.01平米，甚至更小。
• 2. 镜面反射
  • 光学区域中最重要的反射形式，就像光照射镜子一样，大多数入射雷达波的能量都是根据镜面反射定律反射出来的(反射角等于入射角)。这种反射可以通过塑性显著减少。
• 3. 行波/表面波
  • 照射到飞机机身上的入射雷达波可以在其表面产生行进电流，该行进电流沿着路径传播到表面边界，例如前缘、表面不连续处等。这样的表面边界可以导致后向行波或者向多个方向散射。这种反射可以通过雷达吸收材料，雷达吸收结构，减少表面间隙或边缘对齐来减少。
• 4. 衍射
  • 电磁波照射到非常尖锐的表面或边缘被散射而不遵循反射定律。
  • 子主题
• 5. 爬行波绕射
  • 这是行波的一种形式，当沿着物体表面行进时没有遇到表面不连续或障碍物，因此它能够绕物体行进并返回雷达。爬行波主要绕弯曲或圆形物体移动。因此，隐身战斗机和隐身巡航导弹不使用管状机身。
• 6. 性能对比
  • 随着雷达波长的增加(频率的降低)，镜面反射的强度减小但其波瓣宽度变宽(同样的现象也发生在雷达上，如果孔径大小保持不变，频率的降低将增加波束宽度)。由于镜面反射波瓣变宽，使雷达波偏离将更加困难，并且反射的能量将分布在更广的范围。
• 7. 主要原因
  • 镜面反射随波长的平方增加而成比例地减少。在较低的频率下，行波和衍射的影响更多。对于平面，行波以波长的平方增长，它们的峰值反向散射角随着波长的平方根而增加。尖端衍射和边缘绕射也随着波长的平方而增长。
  • 因此，当波长接近与飞机尺寸接近的谐振区域时，隐身飞机的RCS的净值通常会增加。因此，低频雷达通常被认为可以针对隐身技术。
• 8. 实测结果图
  • B-2飞机的RCS仿真(10 Ghz和1 Ghz)
  • AGM-86导弹的RCS仿真(10 Ghz和1 Ghz)
  • 子主题
• 9. 反隐身技术
  • 行波和衍射的影响可以通过以下方式减少：调整不连续之处的方向以将行波引向不可避免的镜面反射的角度(例如机翼前缘)，从而限制它们在其他角度上的影响。例如武器舱门就是不连续之处，锯齿状的边缘的使用就是以便行波反射至不太重要的角度。
  • 子主题
  • 减少表面波影响的另一种常用方法是将机身设计为具有非垂直角的小平面，从而雷达波沿着它们的斜线往低角度方向行进，减少边缘绕射的影响。
  • 在相对较高的频率下，也可以用雷达吸波材料(RAM)抑制表面波。通过融合平面也可以减少表面波衍射。
  • 第一架隐身飞机F-117是平整的表面，而所有后来的隐身飞机，如B-2，F-35，F-22，X-47都使用融合体设计(圆滑无棱角)。由融合平面构成的形状不仅具有更大的空气动力学性能，而且还允许电流在其边缘平滑传输，从而减少表面波散射。
  • 因此，融合体具有比平整面结构有更低的RCS，特别是在低频情况下。并且以精确的数学计算飞机曲线，可以将方位向上RCS减小一个数量级。缺点是曲面上的镜面反射略微扩大，但是是在威胁雷达不太可能定位它的方向上。
• 10. 常见误区
  • 第一个常见的误区是：无论发射功率或孔径大小如何，任何低频雷达都会使隐身无效。
    • 虽然隐身飞机确实在谐振区具有更高的RCS。但需要认识到的是在雷达孔径面积相等的情况下，与高频雷达相比，较低频率的雷达将具有较宽的波束。因此，能量的集中程度低得多使它们更容易受到干扰，低增益也会导致反射波较弱，同时分辨率也会降低。
    • 从而，大多数低频雷达比高中频雷达具有更大的发射天线，以获得窄波束宽度。VHF雷达对于除预警之外的任何其他目的来说都太不准确了，加上现代隐身飞机也使用各种方法来减少它们在谐振区的发射。即使雷达在低频范围内工作，仍然很难从正面检测隐身飞机。
  • 第二个常见的误区是雷达的工作频率越低(波长越长)，探测隐身目标性能就越好。
    • 但这是不对的，飞机RCS不一定随着频率的增加而线性增长。随着表面波效应的增加，它们的相位可能会与镜面反射相干或相消，这会导致RCS波动，当波长达到结构的大致尺寸时，通常会达到最大的RCS。一旦波长增长大于目标尺寸时，目标几何的细节就不再重要，只有它的一般形状会影响反射。飞机的RCS将随着波长的四次方减小。
  • 第三个常见的误区是关于四分之一波长的规则。
    • 很容易认为雷达吸收材料(RAM)至少要与雷达波长的1/4一样厚，才能具有吸收特性。然而这是不准确的，虽然RAM吸收功能通常会在低频率下降低，但它们并不会完全无效。例如，厚度仅为3 mm的MnZn铁氧体RAM在2 GHz时吸收率能有68％(2 GHz波长约为15 cm)。