隐身目标探测

2024-07-18

隐身目标探测（共4篇）

隐身目标探测篇1

浓海雾是我国东南沿海地区常见的一种自然现象,部分地区一年中约有1/4的时间被海雾笼罩[1]。浓海雾不仅严重干扰卫星遥感、无线通信,且在军事上可能会导致可见光武器、红外武器完全失灵。在我国东南沿海地区布防能够在浓海雾气候条件下探测隐身目标且不易被敌方发现的预警武器,来应付随时可能发生的局部战争显得非常重要。用微波(含毫米波)辐射计探测隐身目标国内外已有相关文献报道[2,3,4,5],但大多是对微波辐射计探测隐身目标的原理进行分析。其中文献[4]对探测性能进行了分析,文献[5]研究了对隐身飞行物的定位方法。但在浓海雾气候条件下用微波辐射计探测隐身目标我国未见报道。浓海雾对微波的衰减已经有学者进行了相关研究[6,7],文献[6]给出了一种计算雾对毫米波衰减的经验模式,这对于研究浓海雾对微波的衰减提供了理论依据。文章就地基微波辐射计阵列透过浓海雾探测空中隐身目标的可行性进行了研究,在理论建模的基础上以一维32通道8 mm波辐射计阵列在浓海雾条件下探测隐身目标进行了仿真实验,结果表明微波辐射计阵列作为一种被动预警武器在浓海雾气候条件下探测空中隐身目标是一种非常有效的手段。

1 隐身目标的辐射特性

现代隐身技术中大量使用吸波材料是隐身设计的重要方法之一,根据能量守恒定律,空中隐身目标在吸收不同频率的微波的同时,就会向外辐射高于所在处空气热量的电磁辐射能量,可以通过对这种电磁辐射能量的探测实现对隐身目标的探测,并且目标的辐射能力越强,越容易被探测到。

图1为单层吸波材料电磁场入射模型,其中层1为空气,层2为吸波材料,层3为金属,且边界宽度远大于入射波波长(20倍以上)。电磁波Si(θ1)以角度θ1从层1投射到边界1产生θ2的折射和θ1的反射Sr(θ1),由于层3为金属,所以透射波为0。定义入射波与反射波的瞬时功率之比为有效反射率Γe(θ)。

使用等效传输线方法来计算边界处的有效场反射系数Re(θ),然后取有效场反射系数模的平方得相干有效反射率Γe(θ)。

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其中:

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根据辐射原理,则其辐射率为:

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在微波频端,物体热电磁发射的功率可以用亮度温度表示,亮度温度TB为:

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式中T为隐身目标的实际温度。

2 浓海雾对毫米波的衰减分析

浓海雾是指在海面上形成的能见度低于200 m的平流冷却雾。由于海雾的产生、发展和消散的物理过程十分复杂,海雾的能见度与含水量之间的关系至今未能在理论上完全确定。然而该领域的研究者们经过多年的研究,提出了有用的经验模型[6]:

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由于雾粒子的尺寸远小于毫米波波长,采用瑞利散射近似非常适合。文献[6]给出了雾衰减的计算模型:

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式中,Kl表示雾衰减率系数,M为雾中液态水含量,Ls为电波在雾区传播的距离。

0～20 ℃时雾的衰减率系数Kl可用Liebe经验[7]公式求得:

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图2是可见度为200 m,高度为300 m的浓海雾分别在0 ℃,10 ℃,20 ℃时对8 mm波的衰减随探测角度变化关系图。结果表明,温度越低衰减越大,探测角度越大衰减越大,但在一定角度范围内浓海雾对8 mm波的衰减小于1 dB。

3 综合孔径微波辐射计阵列探测

实孔径微波辐射计受天线口径限制,通常分辨率较低。干涉式综合孔径微波辐射计阵列是通过采用两个以上的天线单元组成多条干涉基线进行测量,并通过对干涉测量数据的处理合成得到一个大口径的观测效果。综合孔径微波辐射计的空间分辨率,由综合孔径阵列因子的波束宽度决定:

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式中N为最小基线数,Δu为天线间的最小间距。

综合孔径微波辐射计的灵敏度就是其测量天线接收的噪声温度的灵敏度,根据文献[9]得:

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其中Tsys为阵列前端通道的总的噪声温度,Δf为前端通道频率带宽,t为目标飞过一个波束的时间,Asyn表示天线阵列的合成孔径面积,Ae表示天线阵列的有效面积。

4 毫米波辐射计阵列透过浓海雾探测空中隐身目标

4.1 理论建模

图3为毫米波辐射计阵列透过浓海雾探测空中隐身目标模型,由于大气对信号的衰减率和折射指数随高度近似按负指数分布递减,因此可将大气按厚度指数递增来分层,从地面以上300 m处开始分层。每一层的厚度可拟合为:

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则300 m以上总的路径衰减为:

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式中Si为第i层的传播距离,γi为第i层的大气衰减率。

为不失一般性且能降低复杂度,设定300 m以下为浓海雾层,300 m以上为晴空层。忽略天线旁瓣和大气散射的影响,微波辐射计天线阵列前端有目标与无目标的视在温度差ΔTAP(θ,φ)为:

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式中L为大气衰减因子,TDN,TUP分别为为大气向下和向上视在温度,TB为隐身目标物理温度,eβ,eG分别为隐身目标和地表的辐射率,T′DC为地表大气向下辐射亮温,Af为浓海雾衰减。

根据大气辐射理论:

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式中Tskyi为第i层的物理温度。

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其中,TEXREA为地球外的亮温度,一般为恒定值2.7 K。

对于处在第m层,X km远处大小为L m2的隐身平面目标,辐射计阵列测得的天线温度对比度为:

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辐射计阵列能够探测到空中隐身目标,必须满足下式:

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4.2 一维32单元8 mm波辐射计阵列仿真实验

图4为一维32单元8 mm波辐射计阵列采用十度天顶角探测浓海雾条件下隐身目标的仿真实验。仿真实验计算服务器采用IBM X3650,软件采用Visual Studio 2005的编程环境,仿真系统见文献[10]。

由于复杂度原因,目前可仿真的积分时间有限,由公式(9)可知积分时间与探测距离成线性关性,则可以根据较短积分时间的仿真来预测较长积分时间的探测能力,对于运动目标预测的探测距离为:

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式中P为基线数量,Δu为归一化波长的最小基线,V为隐身物体的速度,Rs为在积分时间ts内探测到目标的距离。

雷达探测隐身飞机仿真篇2

在雷达装备发展的过程中, 雷达反 (抗) 隐身技术便成为尤为突出的关键问题。

目标隐身技术主要是采用对目标外形、结构的优化设计及采用吸波材料等技术, 大大降低目标的雷达探测回波截面积, 从而降低被敌方雷达发现的概率, 在隐蔽状态完成战斗使命。目前隐身飞机主要有:F-117A、F-22及B-2等。其中B-2战略轰炸机的雷达回波面积只有0.001m2，具有相当强的隐身能力。

为提高雷达系统的反隐身能力，本文提供了一种雷达探测隐身目标的仿真方法。目标隐身范围比较广泛, 包括电磁隐身、红外、电视、声隐身等, 本文只讨论电磁隐身，即躲避雷达电磁回波的隐身[1]。

1 典型隐身飞机的特点

隐身技术旨在减小目标的雷达回波截面积。隐身目标具有比常规目标低得多的雷达探测回波截面积。现代飞机采取隐身技术后，雷达特征截面积降低20～30 dB, 雷达的最大探测距离降低至56.2～17.8%。由此可见，隐身目标已成为现代战场上的主要威胁, 雷达反隐身则成为现代战争中亟待解决的关键问题。

下面介绍两种主要的目标隐身技术：

(l) 外形隐身:采用平面围成的多面体外形，在对接处采用融合技术，以比较大的倾角把大量的雷达波束向上、向下反射出去，而不返回雷达接收机;或者采用尖锐直线外形，使机体表面的各边缘尽可能和翼面的前后缘平行，从而将反射波集中到几个狭窄的波束之内，使大部分角度内雷达反射信号接收趋近，接收不到连续的回波信号。

(2) 涂复吸波:采用RAM涂料，依靠其中的“活性成分”对电磁波的响应使分子结构内部重新排列，以分子振荡来吸收雷达入射波的大部分能量。虽然目前的RAM涂料的工作频率范围仅限于1～2GHz，但这是目前精密雷达的主要工作频段。[2]

目前, 已投入作战使用、最具代表性的隐身飞机有F-117A战斗轰炸机和B-2A战略轰炸机。主要性能见表1。

2 雷达探测隐身目标的仿真方法介绍

2.1 未使用隐身手段的目标

由于目标不具备等隐身手段，故不考虑雷达回波面积对雷达探测的影响，只要目标出现在雷达的仿真探测范围内，都认为目标可被探测到。雷达仿真首先模拟出雷达位置、雷达周期、雷达探测范围和雷达数据报文，然后在不同距离上模拟出目标，若目标与雷达的距离小于雷达最大探测距离，则可认为目标被探测到，送出雷达数据报文，以供雷达数据处理软件使用。

2.2 检测隐身目标的仿真方法

由于雷达对隐身目标的探测概率较低，故不能在仿真时认为满足普通目标探测的任何条件下都能探测到隐身目标。本文提供一种探测隐身目标的仿真方法，以适应对隐身目标的雷达数据处理。

考虑隐身目标的雷达回波面积非常小、回波面积受多种条件的影响且具有不确定性，本文提出通过改变隐身目标雷达回波面积RCS来使雷达的探测概率发生变化的仿真方法，由数据处理软件判断隐身目标是否能被探测到。

由于可准确获得各种隐身目标的雷达回波面积范围，仿真中设定某种目标的雷达回波面积可在该范围内随机变化，根据雷达回波面积RCS，通过雷达方程计算出的雷达探测概率Pd，若Pd大于预设概率门限值，则认为隐身目标可探测到。为实时反映战场变化，仿真中考虑雷达方程、目标类型、系统损耗和干扰，并考虑不同种类的雷达，模拟出雷达测量周期、工作频率、探测范围、雷达位置，若计算出的雷达对目标的检测概率Pdi大于预设的门限值，则仿真系统送出此雷达的相关数据报文；若小于门限值，该仿真系统不送出该扫描周期内此雷达的相关数据报文，等到下一个雷达扫描周期再重新计算和比较。

2.3 仿真系统流程图

对雷达检测隐身目标进行仿真，根据上述方法，流程图如下：

3 仿真计算方法

3.1 目标的信噪比

雷达检测目标回波的能力不仅取决于信号功率S，也取决于雷达接收机中出现的噪声。在一定的虚警概率及损耗下，雷达对目标的检测能力决定于信噪比SNR。

对单个雷达脉冲：

式中：Pt：雷达发射机峰值功率，τ：雷达脉冲宽度，Gt：雷达发射机天线增益，Gr：雷达接收机天线增益，λ：雷达波长，σ：目标对雷达波束的有效反射截面积，F：雷达波瓣波形因子，R：目标到雷达的距离，K：玻尔茨曼常数，Ts：雷达等效输入的噪声温度，Lt：雷达发射馈线损耗系数。Lα：大气损耗系数。

对t0秒内完全观测：

式中：Pav：雷达发射机平均功率，t0：雷达波束扫过目标时间。式（2）说明, 雷达系统的信噪比与所探测目标的雷达反射截面积σ成正比。[3][4]

3.2 恒虚警技术介绍

CFAR (恒虚警) 处理技术是雷达信号处理的重要组成部分, 雷达信号的检测总是在一些杂波干扰背景下进行的, CFAR处理的目的是保持信号检测时的虚警率恒定, 同时保证一定的检测概率。

实际的CFAR检测器种类很多，由于虚警的表达式非常复杂，本文以最常用的单元平均恒虚警处理率 (Cell Averaging Constant False Alarm Rate, CA-CFAR) 为例, 提供一种简单的计算单雷达对目标瞬时探测概率的方法，假定背景杂波服从高斯分布, 经平方律检波器, 针对飞机服从Swerling-1波动模型, 目标的瞬时检测概率Pd和虚警概率Pfa分别为：

式中, K为CA-CFAR恒虚警处理器的参照单元个数, t为探测门限因子, S为目标信噪比。[6]

4 计算方法和结果分析

在式（2）所示的t0时间完全观测的信噪比公式中，以某雷达为特例分析如下：

平均功率和扫描时间可知，雷达发射机和接收机天线增益及波长可知，雷达波瓣波形因子已知，玻尔茨曼常数达和等效输入的噪声温度和雷达发射馈线损耗可计算，大气损耗系数可估计。

经过计算，此种雷达的信噪比对数:

式 (5) 中，N是一个常数。所以针对同一种雷达，它的信噪比只与反射面积σ和雷达与目标距离R有关。

在雷达仿真系统中，容易计算出目标到雷达的距离R，假设此仿真系统的雷达参数已确切获知，只要按照表1的RCS范围，针对不同种类的隐身目标随机产生RCS值，就可产生可变的信噪比SNR。

按照表2的方法确定检测门限因子t和单元数K，再把SNR代入公式 (3) ，可得到瞬时检测概率Pd，例如：

假设随机产生的F117-A的散射面积σ=0.02 m2 (由表1, F117-A的散射面积为0.02～0.5 m 2) ，假设目标到雷达距离R=100 km，则有：

N为常数可计算，则S= (N-16.9-200) db，按照表2，若选取的单元平均恒虚警处理器CA-CFAR的参照单元数为K=1 6，且门限因子t=0.27，把S, K, t代人公式 (3) ，可以计算出瞬时检测概率值。[7]

在linux和C++环境下，模拟出雷达位置、雷达周期、雷达频率和雷达数据报文，然后在相对于雷达的不同距离上产生两种隐身目标：取F-117A的目标回波面积0.02～0.5m2, B-2的回波面积0.001 m2，获得以下实验数据：

该表所列实验数据验证了本文所述雷达探测隐身目标模拟方法的合理性。然而，由于对雷达和隐身目标仿真的局限性 (未对精测雷达、超宽带冲击雷达、天波雷达等雷达进行有效的仿真) , 该仿真系统的雷达探测到RCS很小的隐身目标的概率较低。

5 结束语

本文首先介绍了隐身飞机目标的特性，然后针对于隐身目标的特性，提出了在系统中以可变的RCS的仿真方法，阐述了该方法的流程以及如何实现。最后，对雷达探测两种典型的隐身目标进行了仿真，统计出实验结果数据以供参考。本文所给出的雷达检测隐身目标的仿真系统原理、方法和流程对于雷达组网探测有应用借鉴意义。

摘要：随着目标隐身技术的高度发展, 雷达反 (抗) 隐身技术成为突出的关键问题。隐身飞机的特点是雷达有效反射面积小, 且有一定的变化规律。为研究雷达反隐身方法, 本文由单基地雷达方程出发, 通过计算目标信噪比的方法仿真出隐身目标探测概率, 验证了该方法的可行性。

关键词：雷达反隐身,雷达有效反射面积,雷达方程,隐身飞机

参考文献

[1]罗应.隐身目标与雷达反隐身技术.舰船电子对抗.2007.10

[2]成楚之.隐身目标的综合特性.现代防御技术.1995.5

[3]马林.雷达恒虚警性能分析.现代雷达.1996.8

隐身目标探测篇3

雷达的探测距离,除与雷达本身性能有关外,还与目标的雷达截面积(RCS)的四次方根成正比关系。一般战斗机的RCS为1~10平方米;轰炸机为50~150平方米。隐身目标的雷达RCS却大大降低,如B-2轰炸机为0.05平方米,仅为B-52轰炸机的1/200;F-117A为0.1平方米,仅为F-15战斗机的1/100。因此,单部雷达难于探测隐身目标。雷达组网通过多雷达频率互补、重叠探测和多传感器信息融合技术,弥补了单个雷达的缺陷,是目前解决探测隐身目标的有效途径。文献[1~6]研究了雷达组网对隐身目标的发现概率的可行性,但仿真结果表明,无法满足实战需求。本文通过应用灰色系统理论对在跟踪中的丢点位置进行填补,并对未来点迹位置进行预测,在一定程度上可以提高对隐身目标的发现概率,最后指出本文研究的意义。

1 雷达组网对隐身目标的探测性能

隐身目标并非是完全隐身,它不能在所有的探测角度上具有良好的隐身效果,隐身技术的整形设计主要针对易受攻击的正前方鼻锥方向上水平±45°、垂直±30°,而其它方向上的RCS并无减小或减小不多,在有的方向上反而增大。因此,通过在空间分布的不同站点来探测隐身飞行器,有可能达到反隐身的目的。文献[1]给出了美国王牌隐身战斗轰炸机F-117A缩尺模型的雷达散射截面扫频测试结果,它已被换算成真实尺寸的雷达散射截面值,如图1所示,测试时的坐标系统如图2所示。测试频率为10GHz,俯仰角θ为0°,方位角Φ为0°~180°。可以看出,在0°~48°的区域内,RCS值很低,其平均值约为-13d B左右,其他方位角的RCS有所增大。这样,在RCS相对较大的方位上就有可能探测到隐身目标,为雷达组网反隐身提供了依据。

基于上述数据分析,本文分别使用单部雷达和雷达组网系统对模拟的隐身战斗轰炸机目标进行跟踪。仿真目标为F-117A,航速800公里/小时,巡航高度为10000米,雷达站右上方沿航向角为255.1°飞行。图3是单部雷达跟踪示意图。可以看出,在雷达站的左右300附近和雷达站的正上方盲区部分出现严重的丢点现象,同一批次目标将会被当作不同的批次目标进行处理,给指挥控制带来意想不到的后果。图4是两部雷达部署和目标航迹图示意图。仿真目标、航速、巡航高度不变,飞行轨迹如图4所示。图5是两部雷达跟踪示意图,其中点迹示意形状较大的是雷达1探测点迹,点迹示意较小的是雷达2的探测点迹。

从图3和图5可以看出,单部雷达对隐身目标的跟踪时断时续,在某些区域完全丢失目标。但是两部雷达组网使用,大大提高了跟踪性能。但跟踪效果还不尽如人意,若能够高精度的预测出目标未来可能的位置,使用航迹先于检测(TBD)的先进技术,按照一定算法控制相关波门的大小,降低检测门限,将有助于提高对隐身目标(低RCS)目标的检测与跟踪的性能。

3 基于灰色系统理论对隐身目标的位置进行预测

由上述仿真和分析,可以看出使用单部雷达对隐身目标的跟踪效果很不理想,雷达组网后跟踪性能得到了一定的改善,但是还不能达到指挥控制的需求,尤其针对已发现的目标,在进入某些隐身设计方位无法获取雷达探测点迹,需要研究具体方法进行位置填补,并完成对目标位置的预测。灰色系统理论在这方面具应用潜力。

3.1 灰色系统理论简介

灰色系统理论[8](简称灰理论Gray Theory)由中国学者邓聚龙教授1982年提出,是一种研究少数据、贫信息不确定性问题的新方法,已广泛应用于社会、经济、科技、农业、生态、生物等各个领域。灰色系统理论主要包括:灰哲学、灰生成、灰分析、灰建模、灰预测、灰决策、灰控制、灰评估和灰数学等内容。

灰色系统理论以“部分信息已知,部分信息未知”的“小样本”、“贫信息”不确定性问题为研究对象,不同于概率论研究“大样本不确定”,也不同于模糊理论研究的“认知不确定”。灰色系统理论将随机变量当作是在一定范围内变化的灰色量,将随机过程当成是在一定范围、一定时区内变化的灰色过程,它通过灰数生成的不同方式、数据的不同取舍、不同级别的残差GM模型来调整、修正和提高精度[9]。

灰色观测模型通过特定的累加生成变换,进行序列数据建模,把原始数据中变化不明显的趋势,通过累加变换后使其呈现明显的增长趋势,利用灰色差分方程和灰色微分方程对变换后的数据进行建模,最后用累减生成进行数据模拟和预测[10]。

3.2 应用灰色系统理论进行预测

在图3所示的仿真系统中,建立以雷达位置为坐标原点的直角坐标系,x、y、R分别代表目标的X坐标、Y坐标和目标到雷达站的距离,提取目标的飞行数据如表1所示。若数据为0,表示该点没有被检测到。

本文只对X坐标数据进行分析,Y坐标可按相同方法实现,距离R数据可以根据X坐标、Y坐标计算出来。选取前五点数据,对数据进行归一化,得到等间隔原始序列x(0)和y(0)为(只取前5个):

本文只对x(0)进行建模、预测以及误差分析,对y(0)只给出最后的分析结果。

1)建模条件判断

令σ(k)为x(0)的级比

显然σ(k)∈(0.1353,7.389)∈(0.1353,7.389),x(0)可以做非畸形的GM(1,1)建模。详细证明请参见文献[3]。

2)GM(1,1)建模

(1)对x(0)做一次累加生成得到数列x(1),即x(1)=AGOx(0):

经过累加生成后,基于各个观测值的误差累加原因,使得累加生成数据有了误差互补的关系,有利于提高预测的精度。由文献[3]得GM(1,1)白化模式的响应式为:

其中:a为发展系数,反映了x(0)(及x(1))的发展态势;b是灰作用量,是具有灰的信息覆盖的作用量。

(2)称(a,b)为GM(1,1)的一级参数包,记为P1:

在最小二乘准则下由矩阵算式如下:

(3)由数列x(0)和x(1)计算一级参数包P1:

由式(3)得:

(4)计算(k+1),生成数列残差检验,并进行还原数列检验:

定义e(0)(k)为(相对)残差:

定义e(0)(avg)为平均残差:

由式(4)和式(9)可得到下述数据,如表3所示。

由此可见,再换算成X坐标值后,精度将更高,因此此模型具有相当高的精度,可以用来预测精确的数据。

3.3 预测未来点

还原为X坐标得到的值为57.3686。对于模拟目标(F-117A)速度为每小时800km,雷达转速为6转/分,可以推算出此点的真实X坐标为58.66,

可以看出GM(1,1)模型用于航迹预测具有很高的精度,可用于TBD的航迹预测,为进一步提高对隐身目标的跟踪性能提供了理论和实践基础。

4 结束语

尽管目前各种反隐身技术得到了一定的发展,但是对隐身目标的探测跟踪还需要进一步的提高,本文在模拟了单部雷达和雷达网对隐身目标的跟踪后,指出了存在的问题,并以此数据用灰色系统理论进行建模,并对模型进行了检验,对隐身目标的位置进行预测。此项研究在一定程度上可以提高隐身目标的发现概率,为后续研究如波门大小与自适应调整门限、数据帧间关联研究、TBD研究等提供了有意义的参考。

参考文献

[1]尹以新,袁志伟.雷达组网反隐身的优化部署[J].空军雷达学院学报,1999,3:25-27.

[2]杨志,王国宏,张树发.雷达组网反隐身技术途径探讨[J].电子对抗,1997,4:12-19.

[3]陆祥君.单基地雷达组网反隐身的理论计算和实验设想[J].现代雷达,1997,10:14-22.

[4]李鼎安.雷达反隐身问题探讨[J].西安:21世纪我国雷达发展研讨会:92-97.

[5]何国瑜,王振荣.隐身飞机雷达目标特性初探[J].现代雷达,1992,14(3):10-23.

[6]戴筠.雷达组网反隐身技术可行性探讨[J].现代雷达,1998,6:10-13.

[7]丁鹭飞.雷达原理[M].3版.西安电子科技大学出版社,2002(06).

[8]邓聚龙.灰色系统基本方法[M].华中理工大学出版社,1987,11.

[9]邓聚龙.灰色理论基础[M].华中科技大学出版社,2002(02).

隐身目标探测篇4

关键词：功能梯度材料,声隐身,复合结构,吸声机理

1 覆盖层的研究概况

在军事应用研究领域,潜艇等水下目标的声隐身技术是一门综合性很强的跨学科技术,良好的声隐身性能有利于提高水下目标生存能力和战斗力。目前提高水下目标声隐身性能的主要方法是在目标的特定部位敷设吸声覆盖层,水下目标覆盖层的吸声结构大致可分为周期散射复合吸声结构、孔腔谐振吸声结构、粘弹性复合吸声结构等。周期散射吸声结构是通过添加铝粉、中空玻璃微球、胶乳粒子等微粒引起阻抗变化,通过设计微粒的比例和分布保证在声波入射方向上阻抗逐渐过渡,其吸声性能由声波的散射、波形转换诱导剪切波、微粒振动增加弛豫吸收等因素共同决定;孔腔谐振吸声结构是在均质吸声材料内部留有球形、圆柱形、圆锥形等声学孔腔,利用声学孔腔谐振、波型转换以及高损耗因子的吸声材料层增大对声能的损耗[1];研究和应用最广泛的粘弹性复合吸声结构是阻抗渐变吸声结构和夹芯复合吸声结构,通过合理选择内部吸声芯料及各层的优化配置,可以同时获得良好的吸声性能与力学性能[2]。不论哪种结构形式,其设计原则都是使覆盖层的特性声阻抗与水的特性声阻抗匹配,从而尽可能地使声波进入材料内部,同时材料声衰减性能要强,使入射进来的绝大部分声波能被吸收[3]。目前实际应用的消声覆盖层材料多为橡胶类吸声材料和聚氨酯类吸声材料。

橡胶类材料作为水下吸声材料,其研究始于二战末期的德军,自“Alberich”消声瓦以来,消声瓦作为典型的孔腔谐振结构敷设于潜艇表面,能够减弱主动声纳的回波信号,同时降低其自身的辐射噪声,使对敌探测距离得以延长,是实现潜艇声隐身功能的主要设备。因此世界各国在消声瓦的材料、结构等方面都有很大的发展和提高[4]。前苏联从20世纪60年代后期便开始在潜艇壳体上敷设基材为丁苯橡胶的吸声覆盖层,至今己经发展了五代,现役的主战攻击型核潜艇“阿库拉”(Akula)级,其舯部与艉部壳体均敷设了50～150 mm厚的消声瓦。根据同一艘潜艇的不同部位对声目标贡献量的不同所敷设的消声瓦种类也不同。艏部壳体使用的则是一种蒙皮技术,该蒙皮有效地减小了潜艇在水下航行时的航行阻力。针对潜艇的双层壳体,在内外两层壳体上都装有不同类型的消声瓦,非耐压壳上的消声瓦用于降低声反射信号,内壳体消声瓦用于降低艇体自身的声辐射,单纯采用实心橡胶材料的吸声效果并不理想,为提高声学性能,多数需要复合其他声学填料或结构。与前苏联相比,美国单壳体潜艇所敷设的消声瓦还具有防污和提高本艇声纳工作效能的作用;英国的消声瓦研究起步较早但发展缓慢,起初采用先预制消声瓦再粘贴的方式,后因无法解决脱落问题而改用实艇浇注以聚氨脂为基材的高分子材料的技术;法国最开始采用橡胶层包覆混凝土的方式作为潜艇的吸声覆盖层,现用的消声瓦采用的基材为聚硫橡胶[5]。聚氨酯类吸声材料的研究和应用始于20世纪七八十年代,与橡胶类水声材料相比,其优越性日渐突出,通过选择合适的配方,加入适当的填料,在一定的范围内解决了潜艇的消声问题,北约国家也大都采用了此种材料作为潜艇水下吸声材料。聚氨酯类水声材料与橡胶类吸声材料相比,分子链的活性大,分子结构可设计性强,可以通过改变软硬段的比例、接枝、共聚等方法,控制主链的长度、支链的数量和体积以及交联度,进一步改善材料的声学性能,并且聚氨酯类材料粘结性好,有利于与填料的混合,制成的复合吸声材料能增加声波的损耗,而且聚氨酯类材料的制作工艺相对简单,不像橡胶材料的混炼工艺那么复杂。因此,聚氨酯类材料继橡胶之后被称为第二代水下吸声材料。虽然其价格稍贵、水溶性差,但其具有优异的水下吸声性能和极强的分子结构,在声学上具有可设计性,将成为未来水下吸声材料研究的主要方向。美国还在开展以聚氨酯为主体材料的自控系统边界层控制方面的研究,以降低本艇水动力噪声和减小水下航行阻力。可见世界各国的先进潜艇都装有不同类型的消声瓦,只是各国所用的主体材料或结构形式不同而已。消声瓦的技术性能已经成为“安静型”潜艇设计的主要指标之一,消声瓦也因此成为实现水下目标声隐身功能的主要装备。

但是敷设消声瓦是一项代价高昂的声隐身措施,其制作和粘贴都是劳动密集型工作,仅将消声瓦粘贴到艇体的费用就是消声瓦本身价值的数倍,且由于消声瓦是由橡胶、聚氨酯等吸声材料制成,为了达到较好的吸声效果,其厚度一般在50 mm以上,不但使艇体增加了较大质量,而且不利于提高稳定性。更重要的是,对稳定翼、舵等部位而言,敷设厚重的消声瓦会对其流体线型及操纵灵活性带来极大的影响,且这些部位受海水的冲刷比较严重,消声瓦容易受振动而脱落。总之,目前在这些部位敷设消声瓦的技术问题仍未得到完全解决,潜艇容易在这些部位形成主动声纳和鱼雷攻击的亮点信号,解决好这些部位的声目标性能,将有利于整艇声隐身性能的提高。功能梯度材料作为一种新型的材料设计理念,具有很强的可设计性,易于实现多场耦合需求,可以实现承载与声隐身一体化设计,这对于潜艇等水下目标声隐身性能的提高将是革命性的突破。

2 功能梯度材料的研究概况

功能梯度材料(Functionally graded materials,FGM)是1984年日本学者新野正之等首先提出的一种设计概念[6],它是指材料的组分、属性、微结构、浓度等性质沿某一方向连续变化的新型先进材料,如自然界中植物的茎和动物的骨头等。从本质上讲,这种材料是一种微观不均匀多相材料,但与一般的层合材料不同,其设计思想是在材料的制备过程中,通过连续地控制各组分的分布,弱化甚至完全消除各组分之间的界面,使材料的宏观特性(如模量等)在空间位置上呈现梯度变化,从而满足结构元件对材料使用性能的不同要求,达到优化结构整体使用性能的目的[7,8]。与均质材料相比,FGM具有很好的设计性,设计人员可以有目的地改变材料的组成,以获得均质材料无法实现的物理性能[9]。虽然提出FGM的最初设想是作为热隔栅应用于航空航天领域,但是近些年来人们对FGM的研究逐步深入,已不再局限于热应力缓和功能,而将FGM中“梯度化”的设计思想与结构控制方法引入到一些其他功能型的应用领域,目前发现它在电子、化学、核能、光学、生物、医学、土木工程和机械工程等诸多领域都有十分广阔的应用前景,FGM的材料体系也由最初的金属-陶瓷扩展到高分子聚合物等材料[10,11,12,13,14],这使得FGM的应用前景更加广阔。因此,对FGM声学问题的研究,既有声学理论的要求,又有实际工程应用的需要。

由于涉及军事应用的敏感性,目前公开发表的有关声学功能梯度材料的文献不是很多,且大多数为多层的准梯度结构,即在厚度方向上,使每一层的材料参数按照一定规律变化的多层复合结构。研究表明[10,11,12,13],在材料厚度一定的情况下,相比均质结构,多层结构尤其是在低频段具有更好的消声和减振功能。对于界面连续的FGM声学问题,因为其结构和材料属性的复杂性,难以建立严格的物理模型,所以有的学者采用离散分层的方法,通过分层确定每一层的材料参数,再用传递矩阵法计算声学问题[14,15,16]。Beretti等[17]研究了多层结构消声层的声特性,发现在不增加消声材料厚度的情况下,多层结构不仅具有消声和减振功能,而且能极大地改进消声瓦的低频声特性,使谐振吸收频率向低频移动2 kHz。Emery[18]对水下吸声材料进行研究时指出:在高频时,阻抗匹配可以减小反射系数;低频时,通过采用不同厚度、阻抗的多层结构,可以解决因各层界面反射波的干涉而出现反射峰值的问题;也可采用各层填料或空气含量逐渐变化来实现阻抗的多层渐变,达到减小反射的目的。Beretil等研究了在去耦涂层上面覆盖一层吸声涂层而制成的双层涂层,在不增加吸声材料厚度的情况下,能极大地提高材料的低频吸声性能,具有良好的吸声和去耦功能。Forest[19]选用粒度为80 μm和3.5 mm的二氧化硅气凝胶颗粒,并制成含阻抗匹配层和吸声层的双层吸声结构,研究结果表明,在低频范围内其吸声性能要高于相同厚度的均匀结构。瑞典科学家计算分析了含有球腔的Alberich型消声覆盖层的回声衰减,指出增加回声衰减的3种思路:加入不同的散射体(如不同半径的球腔),不同的散射体之间采用不同的间距及在空腔中填充硬体物质。伊朗学者Seyyed M.H[20,21,22,23,24,25,26,27]采用足够多层数的多层模型近似等效不均匀的功能梯度材料,对多种功能梯度材料圆柱壳的声散射和声辐射问题进行了细致的研究:利用共振散射理论结合力学量传递矩阵法得出了水下功能梯度材料圆柱壳的共振解析解及水下功能梯度圆柱壳散射场的声散射系数,研究了中空功能梯度圆柱体受轴向力、剪切和弯矩作用下的振动-声学行为,同时研究了几种不同材料属性的功能梯度圆柱壳在两种带宽脉冲信号激励下的水下声场特性,分析了空心圆柱体的厚度,利用线性的三维弹性理论和分离变量法研究了偏心中空圆柱体的声辐射问题,用静态相位法得到了可计算辐射远场声压的积分公式。

与国外相比,我国早在20世纪60年代就开始了消声层吸声系数的理论计算的研究,1965年尚尔昌发表了关于渐变吸收层反射率计算的近似式的文章,从理论上认同了阻抗渐变吸声结构的有效性[28]。目前国内的结构消声层研究模型基本上是将消声层等效为复合多层结构,使得每一层足够薄,在计算中可以等效为一均匀介质层,各种消声层理论分析基本上都是这种方式,只是近似等效的具体方法不同。何祚镛等[29]将不均匀材料划分为多个薄层,将空腔的影响看作面积的变化,根据非均匀波导理论,利用传递矩阵法研究了水下非均匀复合层结构的吸声问题。王仁乾等[30]研究了带空腔尖劈吸声器的吸声性能,把尖劈空腔视为变截面管,再近似为多个环型平台组成的宝塔型结构,计算入射波在这些平台上的反射,把各个回波加起来即为总的回波,但是这种方法不能分析空腔的谐振问题。朱蓓丽等用传递函数法研究了复合过渡型橡胶吸声机理,把复合过渡型结构体细密分层,每层可视为带有均匀圆柱通道的橡胶体,即复合多层均匀介质,用传递函数法求反射系数。国内对梯度高分子材料在不同厚度及不同梯度阻抗情况下的声衰减效果进行了研究,在消声覆盖层的材料研制和吸声机理方面都得到了很大的发展。海军工程大学的王源升等[31,32,33]选用了密度和声速不同的3种均质材料,用这3种材料复合制成具有阻抗渐变结构的梯度材料,有效地降低了航行体噪声,还完成了几个系列水溶性高分子梯度涂层,梯度结构的存在是水溶性涂层水声衰减的关键,声波在梯度层中被多次反射吸收,从而实现声波的有效衰减,在用于水下航行体时达到了优良的吸声降噪效果。李波等[34]从阻抗匹配的角度出发,选用具有不同特征阻抗的微粒材料作为声波匹配层和声能耗散层,构筑了一种特性阻抗呈梯度变化的高分子微粒梯度吸声材料。他们采用“双倍厚度法”确定多种颗粒吸声材料的特征阻抗以及传播常数,同时运用多层复合吸声理论对单一匹配材料和双层匹配材料的吸声性能进行预测,并根据最小二乘法对多层梯度复合材料吸声性能进行优化设计,通过调整匹配层和耗散层的厚度来获得厚度较薄和在较宽频率范围内具有较好吸声性能的材料;结合二层厚度法和多层复合材料吸声理论可较好地预测和优化设计具有优良吸声性能的高分子微粒复合吸声材料。

水声吸声材料的高损耗以及阻抗是否与水的阻抗匹配是影响材料的水声性能的两个关键因素,但是在实际的材料中,这两个因素通常是矛盾的,制备阻抗渐变的梯度材料的方法可以解决此问题。其中采用最多的是多层粘结的方法,但是该方法所带来的胶粘剂问题、粘接工艺与质量问题对声学性能有着重大的影响。洛阳725所[35]从工艺和声学性能出发,用微波辐照法制备水声功能梯度材料,克服了多层粘结的工艺质量问题,制备过程具有重复性和可控性,且具有较好的吸声效果。徐步青[36]研究了功能梯度板壳结构的振动声辐射及声散射特性,建立了镶嵌在无限障板中的功能梯度材料矩形板和无限长板条声辐射模型,利用数值积分方法分析了功能梯度材料矩形板近场辐射声压频率特性;并建立了敷设阻尼层功能梯度材料圆柱壳在径向点激励载荷作用下的声辐射模型,研究了阻尼层和圆柱壳在不同参数下的振动和声辐射特性;同时,建立了旋转载荷作用下功能梯度材料圆柱壳的声辐射模型,研究了不同旋转速度下功能梯度材料圆柱壳在空气和水两种流场中的振动和声辐射特性;此外,还研究了功能梯度材料圆柱壳的声散射特性:首先将材料参数沿厚度方向连续变化的功能梯度材料圆柱壳简化成多层横观各向同性柱状复合结构,然后利用传递矩阵法研究功能梯度材料圆柱壳声散射特性。总之,国内对功能梯度消声层的机理研究基本上等效为梯度渐变层,理论模型是近似的;在材料制备方面,虽然方法各异,但都基本遵循表层阻抗匹配、内部耗散加强的原则,使声波尽可能地进入材料内部并消耗,从而达到消声降噪的目的。

3 发展方向

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