舰艇雷达波等离子体隐身

《现代电子技术）ｚｏｏ９年第１７期总第３０４期　通信与信息技术司　

舰艇雷达波等离子体隐身　

徐海洋　

（船舶重工集团公司７２３所江苏扬州　２２５００１）　

摘　要：等离子体雷达隐身理论和技术在军事领域具有十分重要的意义，受到国内外的广泛关注和高度重视。建立等　离子体隐身的基本模型，分别从折射效应扣吸收衰减两方面论述了等离子体隐身的基本原理。通过理论分析和数值模拟表　明等离子体用于舰船雷达波隐身是可行的。　关键词：舰艇；雷达波；等离子体；隐身　中图分类号：ＴＮ９７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—３７３Ｘ（２ＯＯ９）１７—０４３—０３　

Ｐｌａｓｍａ　Ｓｔｅａｌｔｈ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｂｏｕｔ　Ｒａｄａｒ　Ｗａｖｅ　ｉｎ　Ｎａｖａｌ　Ｓｈｉｐ　ＸＵ　Ｈａｉｙａｎｇ　（Ｔｈｅ　７２３　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＣＳＩＣ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ，２２５００１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｔｅａｌｔｈｙ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｒａｄａｒ　ｐｌａｓｍａ　ｈａｖｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｍｅａｎｉｎｇｓ　ｉｎ　ｍｉｌｉｔａｒｙ　ｆｉｅｌｄｓ，ａｎｄ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｐａｉｄ　ｍｕｃｈ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ　ａｂｒｏａｄ　ａｎｄ　ａｔ　ｈｏｍｅ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｍａ　ｓｔｅａｌｔｈ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ｕｐ．Ｔｗｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｂａｓｉｃ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ　ｆｏｒ　ｐｌａｓｍａ　ｓｔｅａｌｔｈ　ａｒｅ　ｓｈｏｗｅｄ，ｏｎｅ　ｉｓ　ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｉｓ　ｔｈｅ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ．Ｂｙ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｍａ　ｓｔｅａｌｔｈ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｓ　ａ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｎａｖａｌ　ｓｈｉｐ　ｔｏ　ｃｏｕｎｔｅｒｍｉｎｅ　ｒａｄａｒ　ｗａｖｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎａｖａｌ　ｓｈｉｐ；ｒａｄａｒ　ｗａｖｅ；ｐｌａｓｍａ；ｓｔｅａｌｔｈ　

现代海战中，雷达以其探测距离远，受气候影响小，　对水面舰艇的威慑也最大。而成为远程探测和制导反　

舰武器最常用的手段，现有雷达天线大都为金属结构，　

由于雷达的散射面积（ＲＣＳ）很大，已成为整个作战系统　隐身的瓶颈。因此，雷达波隐身技术是水面舰艇隐身技　

术的重点。　

１舰艇雷达波隐身技术的发展现状　

目前的隐身技术主要包括雷达隐身、红外隐身、可　

见光隐身以及声音隐身。由于雷达是舰艇防空系统中　

最主要的探测装置和防空武器的制导设备，所以舰艇的　雷达隐身就显得尤为重要［】　］。　

早在２Ｏ世纪８０年代，美国海军就开始了隐身舰的　

研究，并于１９９３年公开了全新的概念隐身舰——“海　影”（Ｓｅａ　Ｓｈａｄｏｗ）号。“海影”号主要从舰的外形人手，　

减小了舰艇表面对雷达波的垂直反射。比如，舰首、尾　

部做成２个“Ｖ”字型的平面。为了追求雷达隐身的效　

果，美军现役的“阿利・伯克”级驱逐舰明显降低了上层　

建筑的高度，且舰体的舷侧及上层建筑的侧壁都倾斜一　定的角度，并对外露设施涂上吸波材料。美国正在着手　

研制的ＤＤ（Ｘ）驱逐舰将多功能雷达隐藏在舰体本身内　

部，以减小雷达的探测面积，并使用有利于隐身的基本　

收稿日期：２００９—０３—１０　复合材料、雷达吸波材料，以及无论是露在水面上，还是　在水面下舰体的优化设计。另外，德国的“勃兰登堡”级　

护卫舰、俄罗斯的“基洛夫”级核动力巡洋舰、“无畏”级　驱逐舰、以色列的“爱拉特”级舰、日本的“阿武隈”和“金　

刚”型军舰、英国的２３型护卫舰都借助特殊的、能强烈　

吸收雷达波的材料来达到部分隐身的目的。　从以上的分析可以看出，传统的舰艇隐身手段主要　

是通过改变舰艇自身的外形以及舰艇表面的材料属性　来减小舰艇的雷达散射面积，从而达到或者接近隐身的　

目的。外形技术是通过修整目标的表面和边缘，使目标　折射或反射的能量方向偏离雷达，从而减小目标的雷达　

散射界面，但这种途径不可能面面俱到，往往顾此失彼。　雷达吸波材料是通过采用吸收电磁波能量来减小反射　

能量的方法减小舰艇ＲＣＳ值的。但是，由于吸收材料　受频带宽度、重量的限制，以及对舰艇性能的影响，能否　

适应战斗平台等，使吸收材料的应用受到限制。这些手　段往往代价很大，甚至会降低舰艇的某些性能。因此，　

世界各国都在积极探索新的舰艇隐身机理。　

２等离子体隐身机理　

等离子体是继固、液、汽三态后的第４种物质存在　形态，是一种处于电离状态的物质高能聚集态。通常在　

这种凝聚态中电子所带的负电荷与离子所带的正电荷　

总数相等，宏观上呈电中性，因而称为等离子体。但电　

４３　徐海洋：舰艇雷达波等离子体隐身　

磁波与等离子体相互作用时，会体现出不同于一般导体　或介质的特性。在雷达发出的电磁波与等离子体共同　

作用下，会发生几种现象。首先，电磁波的能量被吸收，　

因为电磁波在穿越等离子体时，电磁波会与等离子体的　

带电粒子相互作用，把部分能量传给带电粒子，电磁波　

的能量转化为热能，电磁波的能量逐渐衰减；其次，通过　非均匀等离子体对入射电磁波的折射，使电磁波传播轨　

迹发生弯曲，雷达回波偏离敌方雷达的接收方向，从而　

使目标雷达回波信号减小。等离子体的这两种作用将　

使反射信号大大减弱。当存在磁场时，等离子体中沿磁　场方向传播的电磁波极化方向将产生法拉第旋转，从而　

使探测雷达接收到的电磁波极化方向与发射时不一致，　

造成极化失真，即使对地磁场这样的弱磁场，极化失真　

也不容忽视。等离子体的这３个性质都已经被用于对　雷达进行无源干扰。图１所示的是等离子体隐身的简　

明示意图＿３“］。　

图１　等离子体隐身示意图　

等离子体频率∞。（又称朗缪尔频率）是等离子体的　

重要参数之一，表征了等离子体的一种电子集体振荡频　率，即等离子体的截止频率，它的大小取决于等离子体　

内的自由电子数密度　。。　

一￣／　。　／￡０ｍ　（１）　

式中：ｅ为电子的电荷量．Ｅ０为真空介电常数；ｍ　为电子　

质量。作为一种色散介质，等离子体对电磁波的折射率　

１，ｌＤ为：　

ｎｐ＝　一￣／—１　ｎｅｅ２　（２）　

式中：　。为入射电磁波的角频率。考察目标被非均匀等　

离子体球覆盖的情况，当等离子体为球面分层不均匀　时，ｎ　一　（ｒ）。可得广义菲涅尔定律ｒ５］：　

，７ｚｐ（ｒ）ｓｉｎ　：＝＝Ｋ　（３）　式中：　为波轨迹上任意点切线与失径ｒ的夹角；Ｋ为　

常数。取等离子体密度沿径向线性变化，即分布函　

数为：　（ｒ）一，２　ｏ（１一ｒ／ｒ０）　（４）　

ｏ—ｍ　∞　￡０／Ｐ。　（５）　

式中：　为ｒ一０处电子密度；ｒ。为等离子体球半径；　

ｃｃ，　为入射电磁波的最大角频率。则可得等离子体的　

４４　折射率为：　

（ｒ）一　（６）　把式（６）代入式（３），并假设电磁波的初始入射角为　

伽，得：　

。ｓｉｎ　一矗　。ｓｉｎ　（７）　

设目标是半径为ｒ　的圆球，则电磁波到达目标的　

最短距离为：　

：ＴＯｓｉｎ　／。（ｐｏ　（８）　

（ｒ　／ｒ０）。／２一ｓｉｎ‰　（９）　这表示存在等离子体包围层时，打到目标上的电磁　

波能量与无等离子体时打到目标上的电磁波能量之比为　

（ｒＪｒｏ）　。也就是说等离子体折射所造成的能量衰　

减为：　Ａｔｔ一一２０１ｇ（ｒ．ｔｏ）。　。　（１０）　

电磁波在等离子体中传播时除了被等离子体折射　

而改变方向外，同时要被等离子体吸收而逐渐衰减。等　离子体对电磁波的吸收分为正常吸收和反常吸收。正　

常吸收指碰撞吸收，即电磁波的电场对电子做功，电子　

获得动能，再通过碰撞将所吸收的能量传给离子或中性　

分子。反常吸收指电磁波与等离子体集体相互作用，在　

等离子体中形成等离子体波动，从而导致电磁波的能量　

减少。理论分析证明，碰撞吸收是主要的，是等离子体　

隐身研究的主要方面。　

对通常研究的弱电离等离子体而言，碰撞主要发生　

在电子与中性分子之间　］，运用统计理论可以推算电子　

与中性分子的碰撞频率　。一般来说，　是电子密度和　

温度的函数，实际应用时可取经验值。碰撞吸收的大小　

与碰撞频率的关系通过等离子体的复介电常数体现，当　

存在碰撞时，可推导非磁化等离子体的介电常数如下：　

ｅ　：　ｅ。（　——：　—！　１２—　——ｉ。Ｖ　。ｅ’：　—　）（１１）　

电磁波在有碰撞等离子体中的波数为一个复数值，　

表示为：　

ｋ一是。　一是　＋ｉｋｉ　（１２）　式中：忌。一ｃｃ，。／ｃ是自由空间的波数；忌　，ｋ。分别表示等　

离子体中波数的实部和虚部。带人式（１１）得：　

』　ｒ一愚。　ｓ（　／　（１３）　

Ｉｋｉ—ｋｏｒｓｉｎ（　／２）　由电磁插值理论可知，类似波在一般有损耗媒质中　

传播的情况，即波数ｋ的实部ｋ　体现波在等离子体中的　

空间相位延迟，虚部ｋｉ体现随着波在等离子体中的传　

输其幅度不断衰减。根据式（１２）可知，只要存在碰撞　

（　≠０），愚　和ｋｉ都不可能等于零，因此电磁波必然要　

被等离子体吸收而衰减。

　《现代电子技术）２００９年第１７期总第３０４期　通信与信息技术司　

３模拟分析　

由式（２）可知，当∞。＜　。时，折射率　为虚数，这意　

味着角频率低于等离子体频率的电磁波不可能在等离　

子体中传播，或者所在分界面处电磁波被全反射。这种　情况是等离子体隐身应该避免的。当叫。＞叫　时，　为实　

数，在一般情况下，等离子体不具有锐边界，它的自由电　

子密度在边界处较小，越深入等离子体，电子密度越大。　在这种情况下，电磁波可在等离子体中无衰减地传播。　

但由于等离子体内电子密度不均匀造成折射率不连续，　

电磁波要产生折射，从而改变电磁波的传播方向。其结　果是：因等离子体包围层的折射作用，电磁波传播路径　

发生改变，根本打不到目标上，即使打到目标上并产生　

反射，但经过两次折射　回波方向已经偏离入射方向，达　

到隐身的目的。等离子体对电磁波的折射是等离子体　隐身机理的重要组成部分。　

３０　２５　２０　要１＂５　

１０　５　０　

图２折射衰减与等离子体厚度关系　

图３不同碰撞频率下电磁波能量衰减与频率的关系　

由图２可以看出，由折射引起的衰减是可观的。等　离子体对电磁波的吸收衰减极为明显，显然，即使目标上　

只有十多厘米厚的等离子体包层，只要正确控制入射波　

频率与等离子体频率的比值，其双程衰减也可达２Ｏ　ｄＢ　以上，可达到隐身目的。由图３可以看出，在现有雷达的　

主要频率范围内，当等离子体的碰撞频率接近入射电磁　波的频率时，等离子体对电磁波的吸收达到最大值。另　

外，磁场对电磁波衰减率的影响主要表现在衰减率峰值　

的移动上。磁场变大，衰减率的峰值向高的碰撞频率方　向移动，因而可以通过改变磁场的大小来控制吸收峰值，　使磁等离子体对电磁波的吸收最有效Ｌ７　］。　

随着武器装备的迅速发展，旧的战争形式正在被新　的战争形式逐渐代替。有权威人士称，军事领域的下一　

个高技术制高点是等离子体技术。目前，世界各国海军　

对浩瀚海洋的争夺与控制正愈演愈烈，舰艇的发展与舰　

艇隐身正是各国海军研究的热点。与已取得广泛应用