设计隐身声光等UAS系统技术介绍

隐身技术涉及到电子学、材料学、声学、光学等许多技术领域，是第二次世界大战后的重大军事技术突破之一。隐身技术包括：雷达隐身、红外隐身、磁隐身、声隐身和可见光隐身等。很多武器装备，如飞机、导弹、舰船、坦克、战车、水雷、大炮等，都可以采取隐身措施把自己隐蔽起来。首先出现的是隐身飞机，通过降低雷达截面积和减小自身的红外辐射实现隐身。

隐身的意思是“抵抗探测设备检测”，隐身适用于敌人可见的飞行器和材料，以及控制/产生噪音、热量、电磁发射和光线变化的内部 SAA 系统。可以假设敌人正在使用反无人机行动和武器，隐身设计保护飞行器免受这些反无人机措施的影响。民用行动中的隐身性降低环境干扰影响。

UAS / UAV通过其特征进行检测：噪声（声学），光学（可见光），红外（热）和雷达（无线电）波长定义如下：

A） 噪音（声学）[16 m-2 cm，或 20 – 16000 Hz]

B） 光学（可见光） [0.4 – 0.7 微米]

C） 红外线（热） [0.75 微米 – 1 毫米]

D） 雷达（无线电）[3 毫米 – 3 厘米]“（奥斯汀，2010 年）

如果设计者要“将飞行器可检测性降低到可接受的风险水平，则必须将上述波长（表示为频率）的接收发射或反射降低到阈值特征值以下。UAS特征的很大一部分是飞行器操作高度的函数。

使用调谐发射器的无线电通信和无线传输以及互联网的信息爆炸是战争革命的核心。拦截无线电通信和雷达信号的确定性以及定位发射机的能力对军事行动产生了重大影响。拦截、干扰、发射器定位、消息安全和传输安全成为战争的基础。战争中采用的基本破坏能力（能量）没有太大变化。（快速移动的弹丸，显着的超压，热量和声音）。然而，通过使用EM频谱（EMS），它们的使用方式发生了重大变化。现在，我们使用EMS以多种方式将武器的破坏能量引导到其预定目标。此外，电子战专家使用EMS来防止这些武器击中其预定目标（美国），有时敌人破坏通信能力是一个目标。

曾经只有四个维度（纬度、经度、海拔和时间（无线电之前）的战斗空间现在有了第五个维度：频率。参见表 8-1 战斗空间维度。

尺寸	功能	行动
纬度	友军位置	武器方向
经度	敌军位置	部队机动
海拔
时间	机动速度	攻击的及时性
	武器释放时间	敌人的脆弱性
频率	所需带宽	信息流速率
	带宽	可用干扰
	传输频率	易受干扰
		易受拦截

表8-1 战斗空间尺寸

带宽定义为波长、频率或能量带内的范围。将其视为由调制载波占用的一系列无线电频率，分配给设备可以运行的服务。带宽也是电气通信系统数据传输的能力。范围对无线电传输有重大影响。根据环境的不同，接收信号的强度T是距离发射器的距离d的平方或四次方的函数。

距离较近的发射器将更好地接收信号，并且通常可以更准确地定位发射器。一旦我们依赖来自多个接收器的输入，网络就成为我们战争能力的核心。

回到隐身方面，关于无人机系统的设计，我们注意到无人机的情报、监视、侦察和武器有效载荷运载功能。这些都是IO操作，频率是他们成功或否认敌人的核心。

电磁频谱

德国公司Tontechnic-Rechner-Sengpielaudio（TRS）已经整合了一些聪明的工具，用于将波长转换为频率（反之亦然），“用于真空中的声波（声波）和无线电波和光波”。从图 8-1 EMS 开始。请注意频率、f 和波长 L（λ – 希腊语）之间的反比关系。

图 8-1 EMS

还要注意可见光谱作为巨大EMS的一部分有多小。图 8-2 显示了一些 EMS 功能。

图 8-2 EMS 函数

图8-3显示了声波和声波周期到频率和频率的转换。图 8-4 显示了声音 EMS 区域

图8-3 声波和声波周期到频率和频率的转换

图 8-4 声音 EMS 区域

“空气中的声波和声波

UAS隐身声学（噪声）或声波的设计极限是“[16m-2cm，或20Hz–16000Hz]。相比之下，奥斯汀值为 20 Hz。对于 2 cm = 0.02 m，结果值为 f = 17650 Hz。这高于奥斯汀的 16,000 Hz 限制。这可能是由于 20 摄氏度的基差。这告诉UAS设计师，噪声的上限 - 隐身可接受性17,150 Hz.隐身范围为20 Hz-17,150 Hz。

“听觉范围描述了人类可以听到的频率范围（又称电平范围）。人类范围通常为 20 至 20,000 Hz，个体之间存在相当大的差异，尤其是在高频下，并且随着年龄的增长逐渐失去对更高频率的敏感性被认为是正常的。灵敏度也随频率而变化，如相等响度等值线所示“。请参见图 8-5。

“等响度等高线是EMS频谱上声压（Db SPL）的量度，当呈现纯稳定的音调时，听众会感知到恒定的响度。响度等级的测量单位是音，通过参考等响度等值线得出。据说两个不同频率的正弦波具有相同的响度水平，如果普通年轻人认为它们的声音相同，而没有明显的听力障碍。

图 8-5 等响度等值线

“真空中的无线电波和光波

“无线电波和微波辐射都是被称为电磁辐射（EMR）的能量形式。阳光包含其他EMR形式：紫外线，红外（热）波以及可见光波。这些EMW以~300,000公里/秒的光速在真空中作为电磁辐射传播。

图 8-6 减少的 EMS

可见光、伽马射线、微波和无线电波都是 EMS 的一部分。它们只是因波长而异。（TRS，2018）图 8-7 是真空中无线电波和光波的转换图表。

图 8-7 转换图 – 真空中的频率到波长无线电
和光波

我们已经介绍了噪声、光学和红外隐形特征。如果没有另一次沿着雷达车道行驶，雷达就没有那么简单了。如果我们能“看到”敌方无人机的到来，它就可以被跟踪、禁用、摧毁或拦截，并“转向”一个新的航点或目标。

图 8- 8 雷达频段

雷达/电子战/测距方程

从奥斯汀，我们知道UAS RADAR特征的上限频率是0.03 m = 3 cm。这大约是 10 GHz 频率。参见图 8-8。雷达通常被认为是频段。参见图 8-9 雷达频段及其用法。

图 8-9 雷达频段

理解电子战（EW）的关键，它在检测UAS接近目标中的作用，是理解无线电传播理论。如果我们了解无线电信号是如何传播的，我们就可以按照逻辑进展进行拦截、干扰或保护。使用dB对数数学来解决强度，增益，损失，雷达，拦截器，干扰技术，当前威胁，防御系统等的电子战方程，供读者研究和欣赏。

雷达是无线电探测和测距。它是使用无线电波及其在EMS中的传播来确定接近的飞机，UAS，船舶，潜艇或任何移动车辆的战斗空间元素。我们只对两个方程感兴趣，以了解UAS的RADAR（无线电）特征。

“源和接收器可以采取多种形式。当雷达脉冲从UAS或飞机的皮肤反射时，反射机构是发射器。它遵循与按下传输按钮时适用于对讲机的相同定律。然而，反射没有电源和电路。

单向链接方程

“基本通信链路，称为单向链路，由发射器，接收器，发射和接收天线以及沿路径的两个天线之间的传播损耗组成。请参阅图 8-10 通过链接的路径。

图 8-10 通过链接的路径

图 8-11 单路雷达

雷达距离方程可用于估计探测UAS的最大距离。UAS越小，反射区域越小，无法将雷达脉冲“返回”其发射器源。其中给出了用于确定RADAR单元最大范围的单向和双向（回程）。在最大链路范围内，接收功率等于接收器灵敏度。“接收器灵敏度被定义为它可以接收并仍然提供指定输出的最小信号（最低功率强度）。

如果接收的功率电平至少等于接收器灵敏度，则通过链路进行通信。设计信号增量与最小接收器灵敏度的增量量称为裕量。其他形式的基本雷达测距方程、推导、术语定义以及用于监视、跟踪和干扰应用的雷达单元示例可以在 Toomay的简化参考中找到。

声学特征减少

“飞机噪音可能是其存在的第一个警告;但是，它可能不会立即定向/定位以进行检测。“UAS噪声主要来自涡流，机翼尖端，转子或螺旋桨。降低翼展或叶片跨度可增强声学隐身性。由于燃烧噪音，传统的推进系统是一个令人担忧的问题。电动机几乎不会产生噪音。“减少UAS的质量和空气阻力可以减少噪音的产生。

人耳对设计师来说是一个问题。“它对3500 Hz左右的频率最敏感，可以听到低至10 dB的实际阈值的声音。对于给定的声压级，声音在空气和绝缘材料中的衰减随距离而变化。低频声音给UAS隐身设计带来了更大的问题。

MALE和HALE系统不存在声学问题 “来自其高频发生器的噪声在到达地球时会衰减。更大的噪音问题是由使用活塞发动机的小型UAS造成的。声音来自他们的内燃机和排气系统。通过吸音材料、消音器和消声器以及向上引导进气和排气歧管可以实现声音散发。“最后，检测到的声音水平取决于声音对比度的背景噪声水平。

热特征

“红外（IR）辐射从热源发射并以与光相同的方式传播。辐射体的可探测性取决于它与背景的对比度。“红外辐射被大气吸收得很好，特别是水和二氧化碳分子，比可见光吸收得更多。红外穿过大气层的主要窗口位于2-3和4-8微米波段。接收器设计为在这两个频段之一中工作。

在实际的红外探测过程中，物体发出的红外辐射通过大气传输才能到达红外探测器。大气传输过程中红外辐射会因波长不同而有不同程度的衰减，通常把大气衰减较少的波长区域称为大气窗口。大气的红外窗口有以下3个波段：短波1～2.5μm、中波3～5μm、长波8～14μm。红外辐射在这3个波段以外基本上是不透明的，目前使用的红外探测器大都工作在这3个波段内。根据这一特点，可以采用合适的材料作为表面涂层，调节己方军事目标的红外辐射波段至大气窗口之外，使得对方红外探测器无法探测到己方目标的红外辐射能量。

改变红外辐射传输路径主要是改变目标周围大气的光谱透过率，以达到屏蔽和对红外探测器干扰的作用。烟幕以其较好的经济性和较高的实用性在海上军事舰艇红外隐身方面得到了广泛的应用。烟幕的主要功能是通过在空中施放气溶胶微粒，改变电磁波介质传输特性，实施对光电探测、观瞄和制导武器系统的干扰。在红外方面其隐身作用机理主要是：①使得目标周围大气路径上充满烟幕微粒，对物体红外辐射产生强烈的吸收和散射作用，削弱红外侦察和制导系统中红外探测器接收信号的强度，使之无法成像；②烟幕本身可以发出更强的红外辐射，覆盖目标及背景的红外辐射，使红外探测设备只能探测到一片模糊影像。但是由于烟幕必须悬浮在目标的周围，所以多用于保护静止和慢速运动的目标。

改变目标红外辐射特性的主要措施是改变目标的主要红外辐射波段以及模拟背景辐射特性，使得敌方红外探测器无法探测或识别己方目标的红外辐射。

改变目标主要红外辐射波段，其一是使得目标主要红外辐射在对方探测器的工作波段以外，另外是使己方目标的主要红外辐射集中在大气强损耗波段。具体应用如：通过向燃料中加入特殊添加剂，使排气尾焰的红外辐射带偏移到红外探测系统的响应波段之外；采用红外变频材料制作有关的结构部件等。实例之一为目前国外采用的一种特殊燃料，使飞机排气尾焰辐射偏移到5～8μm的大气强损耗波段。

模拟背景辐射特性即红外图形迷彩，是指通过使用不同发射率的材料来改变目标物体各部分红外辐射分布状态，使得目标与背景的红外辐射分布状态相协调，从而目标的红外图像成为整个背景红外图像的一部分，使得敌方探测器难以识别。例如目前采用的红外光区四色变形迷彩涂料等。瑞典采用的角形结构碎片迷彩以及德国陆军采用的歪曲车辆阴影图案，都收到了较好的效果。

隐形无人机是雷达的一个问题。隐身不会使它们隐形，但它大大降低了检测限制。在我们的第一个例子中，一架快速隐形UCAV战斗机在~18 nm处飞越地平线可能不会立即被看到。雷达操作员的人为滞后时间可能是1-2分钟，使UCAV在发现之前距离雷达接收器或船只60秒内 - 没有太多时间采取致命的对策。

入21世纪，世界各国特别是美、俄、英、法等军事强国都加大了隐身技术的研究力度，拓展了研究范围，并在传统隐身技术研究的基础上，不断探索仿生学隐身技术、等离子隐身技术、微波传播技术、有源隐身技术等新的隐身机理，研制高分子隐身材料、纳米隐身材料、结构吸波材料、智能隐身材料等新型隐身材料。可以预见，隐身技术发展前景非常广阔。

1.扩展雷达隐身的频段

目前，隐身技术主要针对厘米波探测雷达，为了达到反隐身目的，探测雷达的工作波段正在向长波和毫米波、亚毫米波乃至红外、激光波段扩展。因此，隐身技术所能适应的波段也必须相应地扩展，如研制新型宽频带吸波涂料和结构型材料，研制宽频带干扰机等，否则难以达到隐身的目的。

此外，还在寻找更多更新的技术途径，如将仿生学的研究用于隐身技术。研究发现：海鸥与燕八哥的体积相近，但它的雷达的散射面积却比燕八哥大200倍；蜜蜂的体积小于麻雀，但它的雷达散射面积反而比麻雀大16倍。

2.发展隐身材料的功能

隐身技术的发展使隐身材料进入一个新的阶段。一是隐身材料向反雷达探测和反红外探测相兼容的方向发展。要求未来的隐身材料必须具有宽频带特性，既能对付雷达系统，又能对付红外探测器；二是雷达吸波材料向超细粉末、纳米材料方向发展。人们发现超细粉末、纳米材料可能是良好的雷达吸波材料。目前，一些国家正在对其吸波材料机理进行深入研究。这类材料的优点是质量轻、透气性能好，但制造技术要求高，价格昂贵。

3.注重各种隐身技术的综合运用

现代侦察探测系统采用了多种探测技术，决定了隐身技术是一项多学科的综合性技术。要想使目标达到理想的隐身效果，必须综合应用各种隐身技术。实验证明，采用隐身外形设计可降低5～8分贝，利用吸波材料可降低7～10分贝，其他措施（如阻抗加载、天线隐身等）可降低4～6分贝，综合起来，可获得降低约20分贝的隐身效果。

4.武器装备将广泛应用隐身技术

根据现代战争的需要，隐身技术的发展与应用现已由隐身飞行器开始扩展到研制地面坦克和火炮、水面舰艇、水下潜艇等各种武器装备。一些国家还在研究具有隐身性能的机场、机库、士兵、侦察系统、通信系统、雷达等。预计未来将会出现更多的隐身和具有部分隐身性能的武器装备和设施。

5.降低隐身武器装备的成本

由于目前采用隐身技术的成本很高，如吸波结构材料和吸波涂料的价格非常昂贵，导致隐身武器装备的造价不菲。例如，F-22隐身战机售价近2亿美元，远贵于F-16的2 000万美元。因此，如何在技术上突破，降低隐身武器装备的成本，是今后隐身技术发展的重要方向。