2024年3月22日发(作者：)
第四讲：激光隐身技术及其隐身效果评估（１） 杨照金 （西安应用光学研究所，陕西 西安 ７１００６５） 摘 要：光电隐身一般包括红外隐身、激光隐身、可见光隐身、雷达隐身和声波隐身。本讲座较 系统地介绍红外隐身、激光隐身、可见光隐身的技术内涵，光电隐身技术的应用和国内外发展现 状，隐身原理和隐身措施。重点介绍光电隐身的性能评估，包括性能评价方法和模型，隐身性能 测试，隐身性能测试仪器的计量检定和校准等。 关键词：光电隐身、红外隐身、激光隐身、可见光隐身、隐身效果评估、红外发射率、雷达截面。 中图分类号：ＴＰ２１９．４１；ＴＮ２１９ 文献标志码：Ａ 激光技术在军事上的广泛应用，对战场目标 的生存构成了严重威胁。随着激光技术的发展， 散射特性的主要指标，也是最重要的目标光学 性指标之一，在激光测距机、激光制导武器、激 雷达等激光测量系统的论证设计与性能评价中 激光探测和激光制导设备的性能会越来越高。这 就给激光隐身技术提出了越来越高的要求。激光 隐身主要考虑目前战场上使用的激光武器系统， 包括激光测距机、激光目标指示器、激光雷达和激 光制导武器。 我们首先介绍激光隐身的原理，激光隐身主 广泛应用。反射率是指当材料的厚度达到其反 比不受厚度增加而变化时的反射比。由于在一拘 情况下，激光隐身材料都有一定的厚度，其厚度自 变化不影响反射比。材料的反射比是和入射激 波长有关的。因此，一般用光谱反射率或光谱 反射率来表证。 １．１激光雷达截面 激光雷达以激光为辐射源并作为载频，具 要措施和方法，然后介绍激光隐身效果评估方法 和激光隐身性能测试，包括实验室测试和外场测 试等。 波长短、光束质量高、定向性强的优点。激光反身 １激光隐身原理 激光隐身是通过减少目标对激光的反射和散 波的能量大小与目标的反射率和目标被照射部乡 的面积密切相关。物体的激光雷达截面ＬＲＣＳ 射信号，使目标具有低可探测性。其主要出发点 是减少目标的激光雷达散射截面（ＬＲＣＳ）和激光 反射率。ＬＲＣＳ综合反映了激光波长、目标表面材 料及其粗糙度、目标几何结构形状等各种因素对 目标激光散射特性的影响，是用于表征目标激光 义为在激光雷达接收机上产生同样光强的全反身 球体的横截面积，即： ａ：４ｎｐＡ／ｏ （１ 式中：Ｑ是目标散射波束立体角；Ａ是目标的实 投影面积；ｐ是目标反射率。
（２０） 杨照金：光电隐身技术及其隐身效果评估系讲座 不同类型目标的激光雷达截面不同。其中漫 反射目标的反射信号将在大范围内散射，反射光 的幅度及分布由双向反射分布函数（ＢＲＤＦ）描述。 １．２激光雷达测距方程 激光雷达接收到的激光回波功率Ｐ 为： ＰＲ一（ＰＴ／Ｒ ｎＴ）（ｐＡ ）（Ａ ｒ ／Ｒ ｎ，） （２） 式中：Ｐ 是发射的激光功率；．Ｄ是目标的反射率； Ａ 是目标面积；Ａ 是接收机有效孔径面积； 是 发射波束的立体角；ｎ，是目标散射波束的立体角； ｒ是单向传播路径透过率；Ｒ是激光雷达作用 距离。 因此，非合作目标激光雷达作用距离可以表 示为： Ｒ一［（ＰＴ／ＰＲｎＴ）（ＰＡ ）（Ａ／ｎ ）ｒ ］“ （３） 从激光雷达测距方程可以看出，在测距机的 性能与大气的传输条件确定以后，测程主要与目 标的漫反射率有关，因此，激光隐身的核心在于对 低漫反射率材料的研究。如能使目标材料的漫反 射率降低１个数量级，则激光测距机的最大测程将 减少１／２～１／ａ。 １．３临界散射截面 把激光雷达波散射截面代入测距方程，并设尺 为最大作用距离时，对应的 ＜ 称为“临界散射 截面”，则有： －［（矗）（ ］÷ （４） 在这个距离上若目标的散射截面 ＜ ，则目 标将处于隐身状态。 １．４减小激光雷达截面的方法 基于矢量微扰动理论的一阶解，有人提出３种 减小激光雷达截面的方法： ①降低表面粗糙度，把目标外形设计成大块 面结构以增大可能的激光入射角； ②使表面随机起伏具有一维取向性； ③研究新技术使目标散射回波不能被相干激 光雷达天线光开关有效隔离。这３种方法都得到 了实验验证。近年来一些刊物上已有关于国外采 用控制表面微结构隐身方法在模拟飞机上试验成 功的报道。 ２激光隐身主要途径 激光隐身技术采取的主要手段有外形技术和 材料技术。外形技术主要是通过改变目标的几何 外形，以减小其激光散射截面。材料技术主要在 激光隐身材料的设计与制备方面，设计出具有高 吸收、低反射的材料体系，并制备出吸收性能好的 隐身材料。 ２．１采取外形技术 ２．１．１ 外形设计原则 改变外形减小激光散射截面是武器装备设计 的重要方面。根据激光隐身理论，在外形设计时 应重点做到：消除可产生角反射效应的外形组合， 变后向散射为非后向散射；平滑表面、边缘棱角、 尖端、间隙、缺口和交叉接面，用边缘衍射代替镜 面反射，或用小面积平板外形代替曲边外形，向扁 平方向压缩，减小正面激光散射截面积；缩小外形 尺寸，遮挡或收起外装武器，减少散射源数量等。 ２．１．２ 隐身兵器的外形设计 飞机的隐身设计 美国新一代隐身飞机“捕 食鸟”率先使用大型单块复合结构、３一Ｄ虚拟现实 设计和安装工艺，具有独特的设计。其ｗ型尾翼 和装置在机翼上的活动控制面，能够隐藏可引起 激光散射的隙缝。机体的顶部和底部设计均采用 无缝弯曲技术，上下两部分在机体的各个边缘处 连接在一起。设计总体上遵从于１２条直线，驾驶 舱盖的凹陷设计以及起落架的设计使其与机体和 机翼在一条直线上，有效反射点减少到６个，激光 总能在适当的位置有效反射。即使被激光雷达捕 捉到它，但随着其位置的改变，将从其视线中消 失，难以再次捕捉。 导弹的隐身设计 目前各国的导弹隐身设计 方案中，许多外形设计为非规则的升立体。美国 海军ＡＧＭ一８４“斯拉姆增强型”导弹的头部改为 楔型，弹翼改为折叠翼，提高了隐身性能；挪威的 新一代超音速隐身反舰导弹采用了扁平弹体加梯 形短翼和Ｘ尾翼及弹腹动力舱的紧凑布局，按隐 身原理进行低探测性设计，以获得更小的激光散 射截面。
杨照金：光电隐身技术及其隐身效果评估系讲座 （２１） 隐身舰艇的设计 瑞典“维斯比”隐身护卫舰 利用各种技术进行综合隐身，激光散射截面大大 降低。从外形上看，其表面光滑而平整，除了一座 平顺圆滑的锥形塔台和一座隐身火炮外，甲板上 几乎无任何多余的设施。导弹、反潜武器及反水 雷设备均安装在上甲板以下部位，并加有遮盖装 置。这就使上层建筑的激光波反射大大降低，达 到了很好的隐身效果。另外舰整体呈光滑的流线 型结构，各个部位均由不规则的倾斜面体组成，每 个棱角均采用平滑过渡，加上表面敷有吸收材料， 很大程度上降低了激光散射信号特征。 ２．１．３ 外形技术的主要方法 １）消除可产生角反射器效应的外形组合 飞机的机翼、机尾和机身之间的结合都是能 产生角反射器效应的部位，可采取翼身融合体结 构；Ｖ型尾翼或倾斜式双立尾结构等方法。 ２）双后散射为非后向散射 采用倾斜式双立尾对付正侧向入射光；采用 后掠翼和三角翼结构对付正前方入射光。 ３）用边缘衍射代替镜面反射 尽量使机上造成镜面反射的部分平滑，使之 形成边缘衍射而无强反射。 ４）用平板外形代替曲面外形 激光散射截面的大小直接与目标的几何面积 有关。对两个投影面积相同的物体，平板的散射 截面积比球体的要小４个量级。因此，可将飞机的 机身、短舱等处向扁平方向压缩，或做成近似三角 机身。 ５）减少散射源数量 可采用一些柔性薄膜将仓壳周围、浮动表面 与固定表面之间的缝隙遮挡起来，或使飞机的机 翼尽量接近最低限度的启动布局。 ６）缩小飞机尺寸 设计时尽量缩小飞机尺寸。 ７）利用某一部件遮挡另一部件 ２．２采用材料技术 利用涂料实现激光隐身的基本要求是涂层具 有低的激光反射率。根据激光测距原理，在测距 机的类型及大气传输条件确定以后，测程和目标 反射率直接有关，对于大型目标来说，如能使目标 表面反射率比一般目标降低一个数量级，则其最 大激光测程将减少到原来的１／ｚ～ｌ／３，即可实现 激光隐身，这是利用涂层反射率大小作为激光隐 身性能指标的依据。激光隐身主要是指１．０６ ｇｍ、 １．５４ １ＴＩ、１０．６ ｍ激光的隐身，其中１．０６ Ｆｍ激 光隐身最重要，因为目前的激光制导炸弹、导弹、 炮弹等的激光工作波长主要是１。０６ ｐｍ，如果涂层 在这些波长的漫反射率能够降低到５ 以下，将大 大降低激光测距机的最大测程，具有明显的激光 隐身效果。激光隐身可用来对抗激光半主动制导 武器、激光测距机、激光雷达等。 目前国内已研制出使近红外激光回波功率衰 减的激光隐身材料。世界各国都在积极研制激光 隐身涂料，并对此极其保密。在激光隐身材料中， 包括如下几种类型的材料： ２．２．１ 吸波材料 主要用于吸收照射在目标上的光波，其吸收 能力取决于材料的导磁率和介电常数，吸收波长 取决于材料厚度。现在各国采用的激光材料隐身 技术主要有： １）“涂覆型”。降低目标对激光的后向散射。 如利用涂料降低目标表面的光洁度，或在目标表 面涂覆吸收材料，使目标反射信号强度减弱；或采 用激光伪装隐身网，可在网上涂覆吸收激光的涂 料；因为伪装隐身网价格低廉、使用方便、工艺稳 定、易于批量生产且可实现多频谱隐身功能，国际 上正大力发展此种材料。德国的Ｐｕｓｃｈ Ｇｕｎｔｅｒ发 明了一种伪装网，在雷达波段、可见光隐身及红外 波段处可产生逼近环境（树木）的辐射。 ２）“结构型”。将结构设计成吸收型的多层 夹芯，或把复合材料制成蜂窝状，在蜂窝另一端返 回，这样既降低了反射激光信号的强度，又延长了 反射光的到达时间。结构型吸波材料的研制起始 于２Ｏ世纪６Ｏ年代，其在武器装备上的应用是２Ｏ 世纪７Ｏ年代末和８Ｏ年代初，应用较为广泛的是在 隐身飞机上。结构型吸波材料具有轻质、高强和 吸波等特点，是一种多功能复合材料，受到国内外 高度重视。目前结构吸波材料正积极地朝着宽频 １ ｒ ｔ
（２２） 杨照金：光电隐身技术及其隐身效果评估系讲座 吸收的方向发展。 ２．２．２透射材料和导光材料 采用透射材料是指让光透射而无反射。从原 理上讲，透光材料后应有一光束终止介质。否则 仍会有反射或散射光存在。 导光材料是使入射到目标表面的激光能够通 过某些渠道传输到另外一些方面或方向上去，以 减少直接反射回波。 ２．２．３ 纳米隐身材料 纳米材料能够实现隐身的主要原因有两个： 一是由于纳米粒子尺寸远小于红外及雷达波波 长，因此纳米材料对这些范围的波的透过率比常 规材料要强得多，这就很大程度上减小了对波的 反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信 号变得很微弱，从而达到隐身的效果；二是由于纳 米粒子的比表面积比常规粉体大３～４个数量级， 因此对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大 得多。这样入射到涂料内部的电磁波与隐身涂料 相互发生电导损耗、高频介质损耗、磁滞损耗，并 将电磁能转化成热能导致电磁波能量衰减，这就 使得探测器得到的信号强度大大降低，因此很难 被探测器发现，起到了隐身作用。 把纳米材料应用于涂料可以制得多波段隐身 的纳米隐身涂料，这是因为：纳米粒子具有量子尺 寸效应、宏观量子隧道效应、小尺寸和界面效应， 使它对各种波长的吸收带有宽化现象。利用量子 尺寸效应，使纳米粒子的电子能级发生分裂，分裂 的能级问隔正处于欲吸收的波段，如分裂的能级 间隔处于微波的能量范围内，从而导致新的吸波 通道产生。另外，由于纳米粒子尺寸小比表面积 大，表面原子比例高，悬挂键增多。大量悬挂键的 存在使得界面极化，而高的比表面积造成多重散 射，使得纳米材料制成的隐身涂料吸波性能良好。 ３激光隐身效果评估 ３．１激光隐身性能的表征 ３．１．１材料性能的表征 评价激光隐身材料的主要性能参数是光谱反 射比，它是材料反射与入射的辐射能通量或光通 量的光谱密集度之比，它包括镜反射比和漫反射 比两个部分，由于激光隐身材料通常接近于漫反 射体，镜反射比一般很小，所以不能用镜反射比作 为评价激光隐身材料的性能参数，可以用漫反射 比近似评价激光隐身材料的性能。另外，根据反 射率的概念，反射率是指当材料的厚度达到其反 射比不受厚度的增加而变化时的反射比。由于在 一般情况下，激光隐身材料都有一定的厚度，其厚 度的变化不影响反射比。因此评价激光隐身材料 性能的参数可以称为光谱反射率或光谱漫反射 率。目标在激光工作波长的反射率越小，目标的 激光隐身效果越好。 ３．１．２ 隐身效果的表征 通常用激光测距机的主要性能参数测准率和 最大测程来共同表征目标激光隐身的效果。 测准率是指在一定条件下利用激光测距机准 确测出激光隐身目标的次数与测量总次数之比， 测准率越小，说明激光隐身效果越好。 在某一测准率条件下，激光测距机对激光隐 身目标的最大测程可以称为隐身距离。目标在隐 身距离之外就认为目标对激光测距机是隐身的， 隐身距离越小，说明激光隐身效果越好。 由于隐身距离的测量受气候条件、目标大小 和测试场地等的影响较大，因此可以采用消光的 方法进行近距离测试。例如，假设激光隐身目标 和激光测距机间的距离为已知值，通过在激光测 距机接收物镜前不断增加经过标定的衰减片，直 到衰减片组的分贝值最大且又保证隐身所要求的 测准率，根据衰减片组的分贝值即可计算出实际 的隐身距离。 ３．２激光隐身效果的评价方法 ３．２．１相对反射比法 从激光隐身原理可以看出，在仅采用隐身涂 层实现激光隐身的情况下，对于漫反射大目标，最 大测程与涂层激光反射率的二分之一次方成正 比，对于漫反射小目标，最大测程与涂层激光反射 率的四分之一次方成正比，由于在不考虑激光测 距机固有性能和大气条件下，最大测程只与涂层 反射率有关，因此，定义相对反射比Ｘ为：
杨照金：光电隐身技术及其隐身效果评估系讲座 （２３） Ｘ－－￣ｐｌ／ｐｏ－ （５） Ｒ 。Ｃ 言 （７，） 式中：ｐ 为激光隐身涂层的反射率；ｐ。为未涂敷激 假设实施隐身措施后的最大测程为Ｒ ｘ１；目 光隐身涂层的目标表面的反射率。 根据相对反射比的定义可以看出，用ｘ评价 激光隐身效果，具有很明确的物理含义，Ｘ越小， 隐身效果越好。当Ｘ一０时，目标完全隐身；Ｘ越 大，隐身效果越差，当Ｘ—ｌ时，目标表面反射率与 隐身涂层反射率相等，相当于未隐身。 ３．２．２ 隐身距离法 在激光测距机对目标最大测程的试验中，常 用到准测率这个概念，在某一距离上，激光测距机 测不准目标才表明目标具有激光隐身效果。因 此，目标激光隐身的条件是具有低的准测率。为 此，定义在某一低准测率（通常选为２Ｏ ）条件下， 激光测距机对激光隐身目标的最大测程为隐身距 离，只要激光隐身目标与激光测距机间的距离不 小于隐身距离，则目标相对于该激光测距机就是 隐身的。很明显，隐身距离越小，激光隐身效果越 好；隐身距离越大，激光隐身效果越差。采用隐身 距离法评价激光隐身效果具有简单、方便、直观等 优点，与相对反射比评价法相比，隐身距离法评价 的是目标的综合激光隐身效果，例如，目标可以不 是平面测试板，而是实际的军事装备，因而具有更 广的适用范围；该方法不足之处是必须规定激光 测距机的主要性能参数，也就是说，隐身距离这个 参数是针对于具体类型的激光测距机而言的。 ３．２．３ 隐蔽系数法 定义隐蔽系数Ｓ为 Ｓ一（Ｒ ｘ。一Ｒ…１）／Ｒ ｘ０ （６） 式中：Ｒ 。 和Ｒ…。分别为目标实施激光隐身后和 隐身前的激光测距机最大测程。 根据隐蔽系数的定义可以看出，用Ｓ评价激 光隐身效果，具有很明确的物理含义，Ｓ越大，隐身 效果越好，当Ｓ一１时，目标完全隐身；Ｓ越小，隐身 效果越差，当Ｓ一０时，目标隐身前后最大测程相 等，相当于未隐身。 下面我们推导隐蔽系数的表达式： 从激光测距的原理可推导出，对于漫反射大 目标，最大测程和目标漫反射率ｐ的关系为 标的漫反射率为ｐ ；实施隐身措施前的最大测程 为Ｒ 目标的漫反射率为ｐ，由（６）可得 ｓ一（ＩＤ寺一ｌＤｌ专）／ｐ￣－ （８） 对于漫反射小目标，最大测程和目标漫反射 率ｐ的关系为 Ｒ…００ｐ寺 （９） 同理可得 Ｓ一（ｐ４－－ｐｌ寺）／ｐ寺 （１０） 从（８）式和（９）式可以看出，隐蔽系数仅仅与 目标涂敷隐身涂层前后的表面反射率有关。激光 隐身涂层反射率ｐ。越小，则Ｓ越大，即隐身涂层的 隐身效果越好。 同相对反射比评价法相比，隐蔽系数法评价 的也是目标的综合激光隐身效果，具有更广的适 用范围；同隐身距离评价法相比，隐蔽系数评价法 给出的是在Ｏ～１间的隐身效果，具有更直观的优 点，而隐身距离法必须结合激光测距机的最大测 程指标才可以知道目标激光隐身的程度。隐蔽系 数法的不足之处是必须两次测量最大测程：一是 测量激光隐身前的最大测程，二是测量激光隐身 后的最大测程，这对于已经实施了激光隐身的目 标而言，采用该法评价激光隐身效果，具有不方便 性。而采用隐身距离法，不需要测量实施激光隐 身前的最大测程，具有更简便的优点。另外，同隐 身距离法一样，隐蔽系数法也不能利用不同激光 测距机来评价激光隐身效果，也就是说，不同的激 光测距机对于同一激光隐身器材，也具有不同的 隐蔽系数。 ３．２．４ 几种方法的比较 通过上面的介绍，我们可以看出： １）相对反射比法：该方法适用于只采用激光 隐身涂层单一手段实现激光隐身目标的隐身效果 的评价，只需要在实验室里测量目标表面和隐身 涂层的反射率即可评价，相对反射比越小，激光隐 身效果越好。 ２）隐身距离法：该方法可以评价目标的综合 激光隐身效果，只需采用激光测距机测量某一低 ：７
（２４） 杨照金：光电隐身技术及其隐身效果评估系讲座 准测率条件下激光隐身目标的最大测程即可以评 价，隐身距离越小，激光的隐身效果越好。 ３）隐蔽系数法：该方法可以评价目标的综合 激光隐身效果‘，只需采用激光测距机测量目标隐 身前后的最大测程即可以评价，隐蔽系数越大，激 光隐身效果越好。 由此得出结论：由于相对反射比法不能评价 目标的综合激光隐身效果，隐身距离法和隐蔽系 数法都必须对所采用的激光测距机的类型进行统 一规定，但隐身距离法测量条件简化。所以在这 三种方法中，采用隐身距离法评价激光隐身效果 更具有优越性。 参考文献： ［１］ 周建勋，胡江华，皮德富．红外与激光复合隐身ＥＪ］．红 外技术，１９９６（５）：２３． Ｅ２］王广民，房红兵，汪贵华，等．地面武器的红外与激光 隐身技术ＥＪ］．红外技术，１９９８：（２）：６． Ｉ－３］王自荣，于大斌，孙晓泉，等，激光与红外复合隐身涂 料初步研究ＥＪ３．激光与红外，２００１，３１（５）：３０１． Ｅ４］秦嵘、陈雷，国外新型隐身材料研究动态ＥＪ］，宇航材 料工艺，１９９７（４），１８。 Ｅ５］总参四部．ＧＪＢ５３９５—２００５地面目标用激光隐身器 材通用规范［ｓ－Ｉ：ｌ￣ｌ京：国防工业出版社，２００５． Ｅ６］张晶，李会利，张其土．激光隐身技术的现状与发展 趋势Ｉ－Ｊ］．材料导报，２００７，２ｌ（Ｆ０５）：３１４—３１８． Ｅ７］马超杰，吴丹，王科伟．激光隐身技术的现状与发展 ＥＪ３．光电技术应用，２００５（３）：３６—４０． Ｅ８］王自荣，樊祥，孙晓泉．对抗激光半主动制导武器的 隐身方法分析ＥＪ］．飞航导弹，２００４（２）：４９—５０． Ｅ９］王ｔｈ荣，孙晓泉．激光隐身效果评价方法研究ＥＪ］．激 光杂志，２００５，２６（４）：８７．
