【航電】低頻反隱身技術的發展

在洛克希德·馬丁公司的隱身戰斗機F-35A形成初始作戰能力之際，要理解當前隱身與反隱身技術的對抗態勢，需要深入了解雷達是如何工作的、雷達波長對雷達反射的影響以及目前正在部署的低頻雷達性能如何。

雷達頻率越低意味著波長越長，比較長的波長在探測隱身飛機時具有較大的優勢。大部分火控雷達在X波段（8～12GHz）工作，僅少部分近程雷達系統采用頻率更高的Ku波段（12～18GHz）。用于遠程探測預警的搜索雷達一般采用S波段（2～4GHz），部分地空導彈（SAM）系統使用C波段（4～8GHz），兼顧搜索和火控任務（這是折中考慮探測距離和分辨能力的結果）。遠程預警雷達一般在L波段（1～2GHz）或更低頻段工作，具有反隱身特性。飛機結構對于雷達波的反射特性可根據飛機結構與雷達波波長的相對尺寸分為三個區域。

隱身對抗的三個“區”

高頻區

高頻區是指飛機結構尺寸比雷達波波長大10倍的情況，不可與無線電波術語中的“高頻”混淆。在高頻區，飛機結構對于雷達波的反射特性主要是鏡面反射，即反射角等于入射角，與臺球撞擊球桌邊緣的過程類似。這時，通過一些手段可以減少“后向散射”（即朝入射雷達波相反方向的反射）。比如，通過讓飛機結構表面呈特定角度，使之盡量不與雷達波的入射方向垂直；通過內部修形、吸波材料（RAM）或者頻率選擇表面這類手段抑制發動機進氣道和機載天線腔體這類空腔結構的反射。

在高頻區，“表面波”對“雷達截面積”（RCS）的影響不大，但依然存在。表面波是雷達波在結構表面上引起的感應電流產生的。感應電流在結構表面來回振蕩，從而輻射出電磁能量，這種電磁波也被稱為“行波”。如果雷達波長相比結構表面尺寸較短，那么這種效應會比較弱，但當雷達入射角在特定角度時，這種效應的疊加會產生最大回波散射。

當這些感應電流遇到不連續表面，比如表面的邊緣，會發生突變并輻射“邊緣波”。來自不同邊緣的波相互作用，因這些波的相位不同，這種相互作用也各有利弊。其結果是加強了鏡面反射方向上的反射，并產生了“旁瓣”。旁瓣是圍繞在鏡面反射能量周圍快速起伏的扇形回波，且這部分回波離鏡面反射波束的角度越大，能量就越弱。感應電流還能傳導到結構的背面，形成“爬行波”。爬行波會逐步散射能量，這時如果爬行波再回到結構表面，其散射的能量會加強后向散射。

在高頻雷達照射條件下，表面波強度較小，但隱身飛機仍需注意它的影響。通過調整不連續的部位，將行波導向無法避免鏡面反射的角度，如機翼前緣方向，能夠限制其對其他方向的影響。將機體上的小結構面（比如一塊蒙皮或口蓋）設計成沒有直角邊緣的結構，從而可以限制輻射邊緣波的區域。在相對頻率較高的條件下，還可以通過吸波材料抑制表面波。

通過融合兩個結構面，呈現出平滑過渡也可以降低表面波的強度。在設計隱身飛機的鼻祖F-117的年代，計算機程序只能預測出平面反射，所以它被設計成棱角分明的形狀。但那之后，隱身飛機的機身都采用了融合面，這樣的外形具有更好的氣動性能，還能使得電流在融合的地方平穩地傳導，從而減少表面波輻射。因此，融合布局的隱身潛力要比棱角分明的布局更大。通過精確的數學計算來設計飛機表面融合曲線，能將飛機在方位平面上的RCS減少一個數量級。這樣做帶來的缺陷是融合區域的鏡面反射回波角度范圍會略微擴大，但一般敵方雷達不太可能部署在回波方向。這是第二代隱身技術的重大發現之一。

諧振區

隨著雷達波波長增加，非鏡面反射回波增強，鏡面反射的寬度增大。對于平整表面，行波強度與波長的平方成正比，而后向散射峰值部分的寬度與波長的平方根成正比，比如波長為表面長度的1/10時，后向散射寬度超過15°。如果考察一塊小結構面，角點繞射和邊緣繞射的強度也與波長的平方成正比。

平整表面上的鏡面反射強度與波長的平方呈反比，但反射寬度按比例擴大：波長為表面長度的1/10時，鏡面反射回波的寬度為6°。此外，隨著波長增長，大部分吸波材料的效用降低。鑒于所有這些因素，隱身專家稱隱身飛機的RCS從其最低隱身頻率起，大致按雷達波波長的平方增大，并且上述效應在波長達到結構尺寸的1/10時變得更為顯著。

但是，飛機的RCS并不一定隨波長增大呈線性變化。隨著表面波效應增大，波的相位能對鏡面反射產生積極或消極的干擾，可用球體來表示這種現象。

隨著波長相對于球周長增大，繞球體的爬行波強度會持續增大，而其與鏡面反射回波產生的相互干擾是變化不定的，這使得球體的RCS有所起伏。在鏡面反射波和爬行波的相位相配時，會相繼出現波峰，這種現象被稱為“米氏散射”。這種現象一般發生在雷達波長為結構尺寸的1～1/10的情況下，這也是在本文分類中的第二個區域——“諧振區”。通常，隨著波長增大到與結構的大致尺寸相當時，RCS會最大。

瑞利散射區

一旦波長超過結構尺寸這一臨界點，目標具體的幾何特征已不再重要，只有其總體外形會影響反射。如果雷達波波長超過結構本身的尺寸，感應電場會將電流從結構一邊推向另一邊，使得結構具有偶極子的特征，幾乎在所有方向上都輻射電磁波，這一現象稱為“瑞利散射”。到了這一區域，很多結構外形的RCS與波長的四次方成反比，即RCS隨著波長增大迅速減小。

綜上所述，對于飛機上的每一個區域，上述效應都是獨立發生的，所以多個區域的反射回波會產生相互作用。尺寸較小的區域會先于大的區域表現出上述效應，但其RCS更低。隨著方位角的變化，上述效應也會有所不同。

現代隱身飛機在X波段之外的RCS數據沒有公開，但無論如何，上述現象使得隱身修形和大部分雷達吸波材料逐漸失去作用，使隱身飛機更容易被探測到。戰斗機機翼和尾翼的尺寸處于1m到數米的量級，意味著這些結構可能在L波段雷達照射時會進入“諧振區”，形成甚高頻（VHF）“瑞利散射”。當然，“瑞利散射”是否會發生仍然與特定的角度、頻率和幾何形狀有關系。

低頻系統的發展

那為什么不為每部雷達設立更低的工作波段呢？原因是它們在較低的工作頻率下精度會變差。每個天線都會產生一個獨特的波束圖形，其中包括被稱為“主瓣”的錐狀中心區域，大部分能量都是從主瓣中發射出去的，反射回波的能量也主要是從主瓣中回收的。主瓣寬度由天線的孔徑和其波長之比決定。波長越長，意味著天線孔徑就要越大，這既會增加成本，又會降低天線的機動性，更為重要的是大尺寸天線很難達到火控雷達的精度。在冷戰早期，蘇聯研制了第一批移動甚高頻（VHF）雷達（工作頻率3～30MHz，低于X波段8～12GHz），例如，P-12“匙架”，但其精度很差，把目標移交給更高波段的火控雷達很困難。由于戰斗機機頭空間有限，無法安裝大尺寸天線，因此戰斗機普遍采用X波段雷達。

不過，隨著“有源相控陣”（AESA）天線和數字信號處理技術的發展，低頻雷達的精度有了很大提高，探測距離也相應增加?，F役最先進的陸基甚高頻（VHF）雷達系統是俄羅斯的55Zh6UME，由諾夫格羅德無線電工程研究院（NNiiRT）研制。俄羅斯最新型T-50戰斗機的雷達套件包括了機翼前緣中的L波段AESA天線（這款L波段雷達型號名稱為N036L-1-01）。這些L波段天線也能集成到蘇-35戰斗機上。

比起同時代的高頻段搜索雷達，55Zh6UME能在遠得多的距離上探測到隱身飛機。NNiiRT聲稱，甚高頻（VHF）雷達對于RCS為1m2的目標的探測距離為426km，而探測高度可達驚人的29800m。目前，T-50的N036L-1-01雷達探測距離的數據還未公開。不過，L波段雷達可能使F-35和F-22的機翼和尾翼處于“諧振區”的上部，使之可能比發動機進氣道或某些小表面區域產生更強的回波。N036L-1-01的孔徑更小，功率很可能不如機頭的雷達，但L波段的優勢也許足以使它比機頭雷達在更遠的距離上發現隱身飛機。

從探測到交戰

使用低頻雷達能擴大對隱身飛機的探測距離，提供更長的預警時間，但為了與敵方交戰，必須為導彈提供更精確的目標數據，最終使目標處于導彈戰斗部的殺傷半徑內。導彈內部可用空間的限制使彈載雷達無法升級到頻率更高的C波段、X波段和Ku波段，那么如何為導彈提供制導呢？

一種方法是使用甚高頻（VHF）指令末制導。俄羅斯人的設想是把55Zh6UME搜索雷達連接到S-300/400武器系統上，并完全利用這款雷達將導彈全程導向目標。不過，根據NNiiRT披露的數據，55Zh6UME的精度無法滿足這一任務的要求。這家制造商曾透露，對一個RCS為1m2的目標，55Zh6UME搜索雷達在方位和俯仰方向上的均方根誤差是0.25°。這表明對于一個距離僅32km的目標，其誤差可能超過140m，而且探測誤差和目標距離成比例。這樣的精度無法用于導彈制導。至于N036L-1-01雷達，蘇霍伊沒有宣傳T-50能用它與目標交戰，同時，因受限于T-50機翼的厚度，N036L-1-01雷達在俯仰方向的精度可能較差。

另一種方法是使用低頻雷達來為火控雷達提供提示，延伸了火控雷達對隱身目標的作用距離。這種思路利用了雷達探測飛機的原理。雷達必須通過自身的電子設備把目標回波從環境雜波及噪聲中辨別出來。設計人員選定一個信噪比（典型信噪比為90%），使得雷達探測到真實目標的概率和虛警率（通常是每分鐘1次虛警）都可以接受。

為了提高信噪比，雷達要從無數的脈沖中把這些回波綜合處理。由于目標存在于每個脈沖中而噪聲卻是隨機變化的，目標信號需要累積，直至達到設定的信噪比，這時計算機會判斷探測到的 目標。因此，如果雷達知道目標的大概位置，就可以有針對性往那個方位發送更多的脈沖，從而增大信噪比，提高探測距離。

理論上，這項技術能將火控雷達的探測距離提高到與低頻雷達同樣的水平，但在實際應用中存在限制，比如需求性能強大的信號處理硬件。雷達必須能產生足夠數量的脈沖覆蓋整個視場，這意味著對常規搜索來說需要考慮方位角和俯仰角的數千種組合，即使是有提示的情況下對特定區域進行搜索，也需要考慮數十到數百種組合。每個組合對應一個特定角度范圍的目標空域，對于每一個搜索區域，雷達都必須把每一次的回波分解成數十個距離單元（range-bin），每個距離單元還必須再次分解成許多速度單元（velocity-bin）。需要對這些單元進行復雜的數學計算，才能得出數值，用以判斷是否存在目標。所以，這項技術對于信號處理能力和內存的要求特別高。

另外，回波是模擬信號，需要轉換成一段一段的數字信號字段，計算機才能處理。這時，必須設置模數轉換器的靈敏度，保證均值以上的信號不會使轉換器飽和。但這意味著低電平信號可能被記錄為零，而隱身飛機所反射的能量通常只是常規飛機的千分之一。這時，可以考慮使用大一些的字段，但每增大一點都會要求更高的計算處理能力和內存，同時增加成本、重量和復雜度。

S-400地空導彈系統和蘇-35戰斗機的雷達處理器的細節未曾公開，但從制造商透露的信息判斷，它們的X-波段火控雷達的探測距離并未顯著擴展。S-400的制造商金剛石-安泰稱這款地空導彈系統的Gravestone雷達能在250km距離處探測RCS為4m2的目標，但特意提到要在“大鳥”搜索雷達（S-400系統配備多部雷達）的提示之下。S-400的“大鳥”雷達能探測到338km處RCS為1m2的目標（相當于在478km距離探測到RCS為4m2的目標），能對390km處RCS為4m2的目標給出提示，當然Gravestone雷達的探測距離低于這個數字。至于蘇-35的Irbis-E雷達，只有在特定的狹窄角度區域內用最大功率搜索模式，才能探測到400km處RCS為3m2的目標。標準搜索模式下，這款雷達的探測距離僅為200km。這表明，這兩款雷達只有接受了外部提示才能實現最大探測能力。

探測隱身飛機的第三種方法是將甚高頻（VHF）指令中制導和X波段主動末制導結合。在這種方案中，低頻雷達引導導彈飛向隱身飛機的大致方位，直到彈載X波段雷達捕獲到目標。美國海軍已計劃在E-2D上使用特高頻（UHF）波段的AESA雷達，為“標準”-6艦空導彈提供中制導。

這個方案有一定應用前景，但前提是低頻雷達具備一定的定位精度，使導彈導引頭能發現目標。因為功率和增益的限制，導彈導引頭的探測距離遠小于戰斗機雷達。導彈只能在很近的距離內捕獲到目標，但對于F-35或F-22這類隱身目標，導彈對目標的捕獲距離是常規目標的1/5。此外，即便隱身飛機被導彈探測到，它們的隱身特性會使電子對抗措施更為有效，這是因為欺騙技術（如距離門或速度門拖引等）要求干擾信號完全壓制飛機的真實雷達回波，而隱身飛機的真實雷達回波強度較小。

當外界質疑F-35對抗低頻雷達的效能時，部分項目官員承認，用低頻雷達探測隱身目標是可行的，但無法用于交戰。這個說法準確地反映了目前隱身和反隱身對抗的真實狀態。然而，隨著更快的處理器、更小巧的存儲芯片、更強大的發射器、更好的信號處理能力和更優的天線技術的出現，當前隱身技術所享有的優勢有可能被削弱。當談到隱身時，無論是隱身一方還是反隱身一方都無法宣布自己是最終的勝利者。

對隱身飛機被擊落的剖析

也許，講述一個隱身飛機被擊落的故事是破除隱身飛機“刀槍不入”神話最好的辦法。1999年3月27日，在北約展開對南斯拉夫的空襲4天后，一架F-117A飛機被貝爾格萊德西北部的一套SA-3地空導彈系統擊落。此前，北約空軍認為南斯拉夫過時的裝備不會對F-117A“夜鷹”戰斗機構成威脅。他們甚至不在乎群眾圍觀空軍基地，據稱一些南斯拉夫特工混在人群中，監視作戰飛機起飛。

F-117A每天晚上都會沿著相同的路線飛到貝爾格萊德。地面上，南斯拉夫第250防空導彈旅第3導彈營指揮官Zoltan Dani上校竊聽了F-117A飛行員和E-3 預警指揮機之間的未加密的無線電通信。Dani上校曾研究過F-117A的技術，然后命令他的作戰部隊在最佳探測位置上蹲守。

1999年3月27日晚，天氣原因迫使北約取消了除8架F-117A以外所有飛機的打擊任務。晚8點剛過，塞爾維亞北部的雷達報告發現了一個RCS較小的目標。一架F-117A執行了打擊任務后，在7900m的高空從貝爾格萊德向西北方向飛去。

Dani上校下令啟動P-18搜索雷達（20世紀70年代 P-12的升級版）。一開始，P-18并未搜索到任何目標，然后他指示操作員啟動一項“創新”功能后，雷達屏幕顯示在50～60km處出現一個目標。Dani上校拒絕透露該項“創新”的細節，但據信，該項“創新”能使雷達在低于正常頻率的頻段上工作。當目標足夠近時，SA-3地空導彈系統的雷達每隔20s開一次機，以盡量避免引來北約的反雷達導彈。第三次開機時，他們鎖定了13～15km外的一個目標并朝4點鐘方向發射了兩枚導彈。第一枚導彈飛越過了F-117A未能引爆，第二枚則擊中目標，炸掉其左側機翼使其失去控制墜向地面。

該戰例的第一個教訓是生存性取決于技術和戰術的組合。如果軍隊在使用先進技術時不考慮戰術，而對手在戰術上很高明，他們就會成功利用某個弱點。Dani上校熟悉F-117的航線，而且了解到附近只有F-117A，沒有別的飛機，這種簡單環境下的目標更容易被探測到。由此可以看出，戰術的重要性不可低估，而隱身技術本身有些因素需要重視起來，比如雷達告警裝置和能夠繪制“隱身航線”（目的是降低被發現的概率）的計算機。

第二個教訓是需要重視聯合作戰。雖然隱身戰斗機能夠獨自執行一些任務，但如果與寬頻隱身飛機、干擾、反雷達導彈、誘餌及防區外武器結合使用，它的作戰效能和生存性會更高。F-117A被擊落后，美國開始利用EA-6B電子攻擊機為F-117A的作戰提供支持，并提醒執行打擊任務的飛機重視敵方的搜索雷達。

第三個教訓是隱身飛機在對抗低頻雷達時可能存在弱點。與后續隱身機型相比，F-117A在低頻段可能更容易被探測到。雖然F-117A機腹平整，但由于表面波效應，其多面體機身比曲線融合的機身更容易被低頻雷達探測到。南斯拉夫的P-18改型雷達很可能就是利用了這一點，從某個角度探測到了F-117A。另一方面，當今的低頻雷達探測距離遠遠超過P-18，如果能夠解決精度問題，就能用于與現代化的隱身飛機交戰。      

（李悅霖、瞿薇、薛槐敏，編譯自AWST 2016-8-25）