舰船隐身技术---绪论(modify)

1,授课人：王涛船舶工程学院,2,隐身技术:通过控制和降低装备本身的特征信号，从而使其难以发现和识别的技术。舰船隐身技术：就是为了降低舰船的暴露率和敌方武器命中率，提高本舰对目标的发现、跟踪距离和打击力，从而采取多种技术和措施，以减小舰船物理场特征信号。为什么要发展隐身技术？随着现代探测设备和武器(导弹、鱼雷、水雷)向高精度、远距离的发展，舰船的暴露和被命中率大幅提高，生存力和战斗力受到严重威胁。从隐形飞机的诞生和战斗中所发挥作用而受到启迪，舰船隐身开始受到重视，并且世界上相继出现隐身舰、安静型潜艇，从舰船性能方面来提高其隐蔽性，同时增加防护和对抗能力。,3,舰船雷达隐身技术雷达隐身技术：主要是控制和降低雷达特征信号，即降低雷达截面积。雷达隐身设计可通过多种技术来实现，但主要是外形技术和吸波材料。雷达截面积：即目标有效散射面积，是在给定方向上返回的散射功率的一种度量。舰船声隐身技术舰船声隐身：就是通过系统应用多种技术来控制舰船声场，改变舰船声目标特性，并通过水声对抗等来降低对方声呐探测设备的发现概率和距离，降低对方声呐自导的水中兵器的攻击力，同时也提高了本舰对目标的发现、跟踪和打击力。舰船红外场隐身技术舰船红外隐身技术：是对抗红外探测、跟踪的一项综合技术，也是舰船隐身技术之一。通过来用一系列技术方法降低舰船红外热辐射或采用红外对抗技术等，以减少被敌方红外探测器的发现概率和红外制导导弹的命中概率。主要是采用冷却和屏蔽的方法。重点消除高强度红外辐射源。比如，烟筒等。其辐射能战全船辐射信号的99%，在远红外区达到全船辐射信号48%。但其表面积和投影面积还不到上层建筑和主体船的2%.,1.1舰船隐身技术的分类及发展趋势,4,舰船磁场隐身技术舰船消磁：对舰船磁场进行抵消和补偿；抵消：系指舰船磁场通过强大电流进行磁性处理，使舰船周围磁场尽可能接近于地磁场。补偿：指对舰船磁场进行中和的措施，它可以在舰船上安装消磁线圈，产生线圈磁场进行中和，也可通过临时线圈磁性处理，产生固定磁场进行中和。舰船消磁通常有两种方法：临时线圈消磁法、固定绕组消滋法。舰船水压场隐身技术静浮于水中的舰船，除了排开与其重量相当体积的水以外，还没有对周围的水介质产生任何扰动。舰船航行时船体水下部分将对周围的流体质点产生扰动，从而使舰船周围空间点的流体速度发生改变。由流体力学一般原理可知，空间点的速度变化，将带来压力变化。这种由舰船与水流向的相对运动所引起的舰船周围水域的压力变化，称为舰船水压场。舰船水压场的压力大小，是以舰船运动所引起周围水域压力变化的大小来度量的。舰船尾流场隐身技术舰船在海洋中航行时，会在其尾部留下踪迹，称之为尾流。由于舰船尾流的范围大，持续时间长，这种舰船尾流不容易消除，不容易伪装，进行人工干扰检测更困难。研究尾流场的主要目的是为探测浴(舰)和鱼雷等水中兵器服务，这也是舰艇隐身技术研究范畴。,5,提到舰船隐身技术，不得不提到舰船的雷达隐身。二战期间，雷达的出现给战争的进程带来了重大的变化，雷达的隐身技术伴随着雷达的应用而出现。1989年美国F-117隐形战机的实战应用大大促进了武器装备隐身技术的应用和发展:20世纪80年代，英国在23型护卫舰设计中首次采用了雷达隐身技术，主要通过上层建筑采用侧壁倾斜7，减小角反射的影响等措施以减小舰的雷达截面积。此后，美国80年代中期的“海影号”隐身试验艇、瑞典1991年的“斯米杰”号隐身试验艇、法国3600吨“拉菲特”级隐身护卫舰、瑞典1996年的YS-2000型“维斯比”号轻型隐身护卫舰以及德国布朗沃斯公司推出的4000吨级的MEKOA-200型隐身舰等，都在减少舰船的雷达截面积方面取得了显著的成效。20世纪90年代起，无论是大国海军，还是中小国家都对舰艇减小雷达信号特征值越来越重视，都把减小雷达截面积作为一个重要指标来要求，并在设计中采取各种措施来实现这一目标。主要措施：外形技术（不需要维护）和喷涂材料（磁粉，四氧化三铁等)。,舰船雷达隐身技术,6,舰船雷达隐身技术,7,舰船雷达隐身技术的主要表现,8,1,改变舰艇的外形设计。以往水面舰艇的干舷和上层建筑部分多是垂直或近似垂直的截面,这样就与海产面形成有效的双面角反射器。为消除这一重要的反射源,现代水面舰艇的外形都设计成:干舷外张(10-20)上层建筑侧壁内倾(7-15)主甲板或第一层上层建筑处采用折角、相交面交面体组成等形式,这样可减少20%-50%的雷达截面积,有的甚至可达到80%左右。,9,2,复合材料的应用范围:具体可以包括上层建筑、烟囱、桅杆及舰体结构。舰体及其上层建筑采用耐火型复合材料以替代传统的钢或者铝；辅助措施:采用涂敷型吸波材料或结构型透波材料；雷达吸波材料应用方式：可以固定贴敷或涂于船体表面及复杂形体表面，也可安装成移动式的涂敷面板，甚至合成在船体的结构材料中。耐火型、毒性、电磁干扰（EMI）和电磁脉冲（EMP）这四个问题解决的好坏是决定复合材料能否应用于下一代水面舰艇的关键所在。,10,3,阻抗加载技术分为被动和主动两种,其中自适应主动方式从理论上讲可以完全消除雷达波反射,但涉及的探测与信号处理技术难度较大。,11,反雷达隐身(雷达干扰技术）定义：是采用有源干扰和无源干扰方法来规避敌方雷达探测设备探测的一种技术,12,1,这种技术就是在保证完成任务的情况下,尽量减少机载电子设备电磁信号被截获的机会,如自动管理发射功率,雷达一旦捕获到目标,立即自动将辐射能量降低到跟踪目标所需能量的最小值。在时间、空间和频谱方面控制雷达的发射,并快速改变其发射频率等,使敌方以为是杂波而难以发现察觉。,13,2,电磁对消可分为无源对消技术,即阻抗(或电抗)加载技术,以及有源对消技术,或称有源加载技术。无源对消技术就是在目标表面引进另一个回波源,例如在表面开槽或开孔,通过合理设计,使其散射场和原散射场相抵消。这种方法的优点是不破坏原有外形,不增加自重,结构简单、制造容易、经济性好等。,有源对消技术是建立在逆反射基础上的,目标必须能预知本身的电磁散射特性,然后发射一幅度与之相等、相位与之相反的电磁波,使之与目标本身的散射场相对消。,14,3,雷达干扰技术,可利用雷达告警接收机、射频干扰机以及诱饵等进行电子欺骗和干扰,可使作战飞行器战场生存能力提高50%以上。,15,这种隐身技术依赖的等离子体是指当任何不带电的普通气体在受到外界高能作用后,部分原子中电子成为自由电子,同时原子因失去电子而成为带正电的离子（等离子），等离子体能够吸收雷达电磁波。当外界雷达波的频率高于目标等离子的本底频率时,高频雷达的波信号进入等离子体,通过波与带电粒子的相互作用,把波的能量转移到等离子体的带电离子上,从而减少反射回雷达站的电磁波信号。,4,16,舰船声隐身是为了躲避声呐探测和影响水中兵器攻击，声隐身技术的应用可以大大改变舰艇的战时态势，提高舰艇的隐蔽性。下面主要介绍声呐技术的应用及发展。,舰船声隐身技术,17,1.2声呐技术,声呐技术,18,声呐:声呐就是能够实现水下目标的探测、识别、定位、通讯还有导航等功能的升学设备。低频的远程主被动探测声呐：使用几十赫兹的声音可以探测到上千公里以外的声音，是一种新概念的声呐技术。流速剖面仪声呐：能够判断潜艇等水下装置运行的路径、距离、速度等物理量的声呐。,声呐技术的分类,19,通信声呐技术：能够实现声音的高保真传播，保证通信信号的传播误差减到最小的技术。拖曳声纳技术：有很多声波传感器单元组成一个很大的声呐阵列，可以实现非常远、指向性非常强的探测，这种技术叫做拖曳声纳技术。,20,1.3噪声控制技术,21,声呐技术的发展方向,22,1,近年来，随着高性能微处理器（计算机系统）和各种专用、通用高速数字信号处理器（信号处理系统）的出现，以及各种先进信号处理算法的开发，声呐也在同步不断更新，形成了相应的先进信号处理技术。,23,2,先进信号处理技术显著提高了声呐系统的性能，是声呐除了完成探测任务外，还可以进行远距离水声通信，水声通信技术使得各种水下平台的数据交换成为可能，如通过潜艇和无人潜航器的数据交换就可以构成水下战场的声图像。使用组网技术的好处是能够远程探测，大大提高预警能力。潜艇指挥官可以更早发现潜在威胁、规避攻击，而不仅仅是简单的搜索攻击目标。,24,3,被动声呐技术是指通过一定的被动声呐站监听噪声，对窄带信号进行检测和识别的技术。被动声呐包括拖曳阵和被动声呐浮标。,25,4,现在西方海军多在第三世界国家周围的海域活动，威胁主要来自常规潜艇。常规潜艇可以关闭发动机潜伏在海底不发出一点声响，采用新型不依赖空气动力装置(AIP)的潜艇甚至可以潜伏几星期。此时，被动声呐就无法对潜艇实施有效探测。此外，第三世界国家周围水域多为比大西洋或挪威海浅得多的浅海，常规潜艇可以静卧在海底，让复杂的海底地貌帮助它躲避追踪；在一些表面声道很窄的地方，声波会被海底多次反射；在滨海水域探测潜艇，还可能遇到一些特殊情况(如河流的入海口)。上述问题都可能会影响声呐探测，鉴于上述情况，低频主动声呐应运而生，在这些情形下逐步取代被动声呐。,低频主动声呐的诞生,26,声呐使用的脉冲序列越长、探测距离越远，声呐受混响的影响就越严重，选择短脉冲固然会减小混响的影响，但同时也减小了声呐的探测距离。,主动声呐本身的矛盾,解决方法,解决这个矛盾的方法之一是使用脉冲编码技术。一个长脉冲序列可以被压缩成一个短脉冲序列，但频率和相位也会发生一些变化。这就是脉冲压缩理论，它是抗“多选效应”的有效手段。在声呐信号处理中经常使用频率调制技术，信号在频域的带宽越宽，在时域的脉冲就越窄。此外，舰壳主动声呐还可以通过控制波束仰角、采用自适应技术来减小混响的影响。,27,28,29,5,美国海军50年代中期“朱莉”计划,“朱莉”计划的基本思路是，潜艇噪声的降低将会使SOSUS声呐系统失效，但可以通过增加一个“信号”深水炸弹爆炸声来解决问题。爆炸声将在寂静潜伏的潜艇上产生回波，SOSUS系统的被动声呐阵接收回波并进行定位。“朱莉”系统的最大优势是可以探测到潜艇而不会暴露反潜舰艇的位置，井可以决定是否需要以及何时对潜艇发动攻击。,30,仿生声呐技术,动物声呐超过现代技术,蝙蝠用喉头发射每秒10-20次的超声脉冲再用耳朵接收其回波，借助这种“主动声呐”，它可以探查到很细小的昆虫及0.1毫米的金属丝障碍物。飞蛾具有“被动声呐”，能清晰地听到40米以外的蝙蝠超声，因而往往得以逃避攻击。它们能产生一种十分确定的讯号探寻食物和相互通讯。海豚声呐的灵敏度很高，能发现几百米外的鱼群，能遮住眼睛在插满竹竿的水池子中灵活迅速地穿行；不但能识别不同的鱼类，区分开黄铜、铝、电木、塑料等不同的物质材料，还能区分开自己发声的回波和人们录下它的声音而重放的声波。,31,白鳍豚它的声呐系统“分工”明确，有为定位用的，有为通讯用的，有为报警用的，并有通过调频来调制位相的特殊功能。鲸鱼用声来探测和通信，它们使用的频率比海豚的低得多，作用距离也远得多。其他海洋哺乳动物，如海豹、海狮等也都会发射出声呐信号，进行探测。终身在极度黑暗的大洋深处生活的动物，采用声呐搜寻猎物和防避攻击，它们的声呐的性能是现代技术远不能及的。解开这些动物声呐的谜，一直是现代声呐技术的重要研究课题。,32,瑞典“维斯比”级隐形护卫舰,1.4隐身舰船外形设计,33,隐形导弹护卫舰,印度塔尔瓦尔级隐形护卫舰,美国在建的隐形战舰,34,我国022隐形导弹艇,35,舰船红外隐身的基本原则：设法降低舰船热辐射源的温度，使其辐射热能量减少，改变辐射频率，使其产生的辐射波长偏离红外探测、跟踪系统最敏感的窗口。舰船红外隐身：是一种通过改变装备自身的红外辐射特性，并使其温度与周围温度相接近，从而降低被发现和跟踪概率的措施，因此，舰船红外隐身技术的基本思路是降温和屏蔽。红外搜索的主要特点：覆盖角大、搜索速度快、作用距离远。(水面舰船红外搜索系统的作用距离已达到15Km左右，潜艇红外搜索系统作用距离已达10Km左右。)红外警戒系统目前，最具代表性的红外警戒系统首推美国和加拿大联合研制的AN/SAR-8舰用红外搜索和跟踪系统，是世界上第一台采用最新一代红外焦平面阵列探测期间的红外搜索和跟踪系统。法国SAT公司研制的“旺皮尔”红外警戒系统，为世界上第一台实用型舰用红外境界系统。此外，还有荷兰的“艾尔斯坎”、意大利的SIR-3被动舰载红外警戒系统等等。,舰船红外隐身技术,36,舰船红外隐身技术,37,舰船红外隐身技术概述,红外热成像技术：红外热成像技术实质上是一种波长转换技术，即把红外辐射转换为可见光的技术，利用景物本身各部分辐射的差异获得图像的细节。红外热成像技术的优势：既克服了主动红外夜视仪需要人工红外辐射源，并由此带来容易自我暴露的缺点，又克服了被动微光夜视仪完全依赖于环境自然光的缺点。红外热成像系统具有一定的穿透烟、雾、雪等限制以及识别伪装的能力，不受战场广强光、闪光干扰而致盲，可以实现远距离，全天候观察。,38,随着红外成像技术的日益成熟，逐步催生了舰用红外警戒系统的产生并应用于实战。红外警戒系统的战术性能：(1)探侧对象包括掠海导弹、俯冲导弹这类小型飞行目标及其它各种空中平台。(2)警戒距离大于1015Km，俯仰角多在0度20度之间(3)有较短的系统反应时间(几秒级)和较高的探测概率。(4)目标指示精度多为1mrad。红外警戒系统的发展趋势：1、发展红外搜索和跟踪组合系统，做到一机多用。2、采用双波段探测器及共用扫描系统的光学系统，并将两个波段的红外图像重叠在一起。3、被动红外系统跟主动红外系统结合。4、解决测距问题。,39,红外制导技术：是一种自主式“智能”化精密制导技术，红外成像导引头可感受目标温度的微小差异，形成红外辐射图形，提供制导信息。红外制导技术的优势：1、短期内，红外隐身技术不可能对红外制导技术形成有效的干扰；2、红外制导技术可人为选择命中目标，且精度极高（0.5m）；3、不受地面回波的影响；4、高度自主性。红外制导技术的发展趋势：1、探测远程目标的能力；2、抗红外干扰的能力；3、在复杂背景条件下识别目标的能力；4、在众多目标时，敌我识别的能力；5、极高的精确制导和跟踪精度。,40,舰船红外隐身技术：是对抗红外探测、跟踪的综合技术，通过一系列技术方法降低舰船红外辐射或采用红外对抗技术等，减少被敌方红外探测器发现的概率和红外制导导弹命中的概率。舰船红外隐身的基本原则：设法降低舰船热辐射源的温度，使其辐射热能量减少，改变辐射频率，使其产生的辐射波长偏离红外探测、跟踪系统最敏感的窗口。,41,舰船红外场控制,舰船红外场控制：舰船红外场控制就是通过一定的措施，使舰船的红外辐射特征偏离红外探测器的探测范围，减少被敌方红外探测器发现和红外制导导弹命中的概率舰船红外场控制的措施：1可使用红外诱饵和红外烟幕，如应用烟火剂类红外诱饵、凝固油类红外诱饵、红外气球诱饵和红外综合箔条等实施欺骗；2可采用在目标内热红外对抗措施，降低或改变目标的红外辐射特征；3在舰船机动性允许的条件下，用柴油机代替燃气轮机；4采用双层烟筒，烟筒底部开有冷空气进孔，使燃气轮机的热气与大量的冷空气混合，从而降低烟筒排气与废气的温度；5采用多个出气口烟筒，并伎烟筒尽量低矮于周围舰艇卜层建筑，达到遮挡、消散排气温度的目的：6采取舷侧排气的方式，在排气管道出口处设置喷水系统，以求水和气体充分接触达到降低红外辐射的目的；7如厨房排气管道之类的设备可采用水套加在管道上的方式，用循环水吸收并带走热量；8、在主要舰体与甲板涂敷隔热材料。,42,现代舰船一般用钢铁建造，整个舰船形成了一个具有复杂结构的宠大的铁磁体。这种由强磁性材料所构成的钢壳舰船，受到了地磁场的磁化，使船体周围产生舰船磁场，在局部空间形成了叠加于地磁场的附加磁场。这样便使本来均匀分布的地磁场，在船体附近的局部空间产生了畸变，现代的测磁技术能较容易地在空间单独测量出舰船所产生的磁场，于是便有纯属船体本身产生的所谓舰船磁场的概念。舰船磁场的存在和可测量性，使得其深受磁性水雷或感应水雷的威胁。如何减小或消除舰船磁场，是舰船免收磁性水雷的攻击，成为舰船磁隐身的只要任务。,舰船磁隐身技术,43,由于中型以上舰船以正常速度航行时，在数十米深的海底引起的压力变化的峰值，通常可达数百甚至数千帕斯卡的可观数值，更出于舰船水压场的舰船磁场、舰船声场不同，其辐射功率通常在数百万瓦以上，极难人工模拟，因此，舰船水压场一经发现，就引起了广泛的重视。早在第二次世界大战末期，德、美、苏等同就先后研制成了借助舰船水压场的作用而动作的水压水雷，并投入实战，收到了良好的效果。与此同时，为保障己方舰船的航行安全，还研究了舰船对水压水雷的防护措施，这些措施在盟军诺曼底登陆等战斗行动中，经受了实战的考验。舰船水压场的纵向特性有十分明显的规律性：在船首附件，压力升高，随后在船体中部下方压力降低为负值