隐身原理

本书是一本隐身技术入门教材，大部分内容由作者多年来的讲义整理而成，主要面向飞行器设计专业的本科生和研究生。本书主要内容包括隐身技术的基本概念、隐身技术的发展历程、隐身技术的主要范畴、电磁学基础、雷达散射截面、隐身计算基本方法、隐身测试基本原理、飞行器外形隐身技术中的主要方法等，能够满足课堂教学、课后复习、学生自学的需求。本教材的出版，能够弥补目前教学环节的不足，提升教学效率，使学生对隐身技术的理解更加深刻和系统。

本书的特色是从电磁散射和飞行器设计的角度来探讨隐身技术。飞行器专业的学生大都具有非常深厚的力学基础，但电磁学领域的基础相对薄弱，在学习大学物理课程之后，基本上很少学习电磁学相关的课程；但隐身技术的物理基础是电磁学，尤其是电磁场的传播与电磁散射，没有电磁学基础而去学习隐身技术，就如同没有力学基础而去学习飞机设计一样，终究难以理解透彻。因此，本书对于与电磁散射密切相关的电磁学原理进行了深入的介绍，部分公式推导尽量详细，以便学生能够尽快掌握。

对于选修隐身技术相关课程的学生，建议熟练掌握书中电磁学、电磁散射的相关概念，尽可能熟练推导书中的公式，深刻领会电磁学原理。对于在飞机设计研究所研究隐身技术的科研人员，可能更关心的是飞机隐身设计的基本原则和方法，因此电磁学理论部分可以适当略过，而重点阅读飞行器隐身设计原理部分的内容。

北京航空航天大学的姬金祖主笔编写了本书的大部分内容，北京航空航天大学的黄沛霖主要编写了第 1 章绪论中隐身技术的特点及发展历程的内容，北京航空航天大学的马云鹏主要编写了第 2 章雷达探测中雷达基本概念和组成的内容，北京航天长征飞行器研究所的张生俊主要编写了第 4 章雷达散射截面的频率特性的内容。

感谢北京系统工程研究所的薛晖副研究员，参与编写了第 7 章隐身设计方法的部分内容，对其中外形隐身设计原理的编排方式提出了重要建议。

感谢课题组的研究生刘济、杜飞和姜家新，协助完成了本书初稿的大部分校对工作。

本书内容全部由作者使用 L A T E X 系统排版而成，极大地提高了书稿维护效率，美化了排 版页面。插图和曲线也尽量用 TikZ 宏包制作，以提高质量。在此，感谢无偿开发及扩展L A T E X 排版系统的 Donald、Lamport、Tantau 博士以及将 L A T E X 系统汉化的吴凌云、刘海洋等热心的 研究人员。

在本书编写过程中，北京航空航天大学出版社的陈守平编辑提供了持续的帮助，在书稿排版、书稿内容等方面给予了很多非常有价值的建议和指导，在此表示衷心感谢。

由于作者水平有限，书中不足之处在所难免，若读者有改进的建议和意见，请及时回馈给作者，以期再版时提高教材质量。

作者电子邮箱：jijinzu@buaa.edu.cn。

作 者 

2018 年 1 月 

第 1 章 绪 论 .................................................................... 1

1.1 隐身技术基本概念 .........................................................1

1.1.1 隐身技术的定义 .....................................................1

1.1.2 自然界的隐身形式 ...................................................2

1.1.3 隐身技术的范畴 .....................................................3

1.1.4 隐身技术的意义 .....................................................4

1.1.5 隐身技术的局限性 ...................................................4

1.2 各类探测器的特点 .........................................................5

1.2.1 雷 达 ..............................................................5

1.2.2 红外传感器 ......................................................... 5

1.2.3 可见光传感器 ....................................................... 6

1.2.4 声 呐 ..............................................................6

1.2.5 磁异常探测器 ....................................................... 7

1.3 国外雷达隐身技术的发展 ..................................................7

1.3.1 20 世纪 40 年代 ..................................................... 7

1.3.2 20 世纪 50 — 60 年代 ................................................7

1.3.3 20 世纪 70 年代 ..................................................... 9

1.3.4 20 世纪 80 年代 .................................................... 11

1.3.5 20 世纪 90 年代以后 ................................................14

1.4 可见光、红外、声隐身 ................................................... 16

1.4.1 可见光隐身 ........................................................ 16

1.4.2 红外隐身 .......................................................... 16

1.4.3 声隐身 .............................................................17

1.5 我国隐身技术的发展 ..................................................... 17

课后习题 ......................................................................18

第 2 章 雷达探测 .................................................................19

2.1 雷达基本概念 ............................................................ 19

2.1.1 雷达主要功能 ......................................................19

2.1.2 雷达发展历程 ......................................................20

2.1.3 雷达主要分类 ......................................................21

2.2 雷达的基本组成 ..........................................................22

2.3 雷达定位 .................................................................24

2.3.1 雷达测距 .......................................................... 24

2.3.2 雷达测速 .......................................................... 25

i

隐 身 原 理

2.3.3 脉冲压缩技术 ......................................................25

2.4 雷达波段 .................................................................25

2.4.1 雷达波频率范围 ....................................................25

2.4.2 雷达波段字母代码 ................................................. 26

2.5 雷达方程 .................................................................28

2.5.1 基本方程 .......................................................... 28

2.5.2 接收机噪声 ........................................................ 30

2.5.3 虚警和漏警 ........................................................ 32

2.5.4 干扰机的影响 ......................................................32

课后习题 ......................................................................33

第 3 章 电磁学基础 .............................................................. 35

3.1 电磁学的发展历程 ........................................................35

3.1.1 电和磁的关系 ......................................................35

3.1.2 部分物理学家对电磁学发展的贡献 ................................. 35

3.2 场 论 ................................................................... 38

3.2.1 场的基本概念 ......................................................38

3.2.2 矢量微分算子 ......................................................39

3.2.3 其他坐标系下矢量微分算子的表达形式 .............................45

3.2.4 时谐场 .............................................................47

3.3 麦克斯韦方程组 ..........................................................49

3.3.1 麦克斯韦方程组的形式 .............................................49

3.3.2 本构关系 .......................................................... 52

3.3.3 无源区域电磁场波动方程 ...........................................55

3.3.4 平面电磁波的传播特性 .............................................59

3.3.5 电磁波的极化 ......................................................61

3.4 电磁辐射 .................................................................62

3.4.1 格林函数 .......................................................... 63

3.4.2 位函数 .............................................................65

3.5 媒质中电磁波的传播 ..................................................... 68

3.5.1 导体中电磁波的传播 ............................................... 68

3.5.2 一般媒质中电磁波的传播 ...........................................70

3.6 电磁波的反射和透射 ..................................................... 70

3.6.1 电磁场边界条件 ....................................................70

3.6.2 相位匹配条件 ......................................................72

3.6.3 反射系数和透射系数 ............................................... 73

3.6.4 垂直入射时的匹配条件 .............................................75

课后习题 ......................................................................75

ii

目 录

第 4 章 雷达散射截面 ............................................................ 76

4.1 雷达散射截面的定义 ..................................................... 76

4.1.1 散射的概念 ........................................................ 76

4.1.2 雷达散射截面表达式的推导 ........................................ 76

4.1.3 雷达散射截面的单位 ............................................... 78

4.1.4 雷达散射截面的极化 ............................................... 78

4.2 雷达散射截面的频率特性 .................................................79

4.2.1 理想导体球的雷达散射截面解析解 ................................. 79

4.2.2 导体球的雷达散射截面随频率的变化 ............................... 84

4.2.3 光学区典型构型散射特性 ...........................................86

4.3 多个散射体雷达散射截面叠加 ............................................ 87

4.3.1 按严格相位叠加 ....................................................87

4.3.2 按随机相位叠加 ....................................................90

4.4 几种飞行器目标的雷达散射截面 .......................................... 91

4.5 二维雷达散射截面 ........................................................91

4.5.1 麦克斯韦方程组维度的退化 ........................................ 91

4.5.2 二维 RCS 计算 ..................................................... 92

课后习题 ......................................................................95

第 5 章 隐身计算 .................................................................98

5.1 雷达散射截面计算方法概述 ...............................................98

5.1.1 雷达散射截面计算方法分类 ........................................ 98

5.1.2 精确算法 .......................................................... 98

5.1.3 高频近似法 ........................................................ 99

5.2 物理光学法 ............................................................. 100

5.2.1 基本公式 ......................................................... 100

5.2.2 积分计算 ......................................................... 102

5.3 边缘绕射理论 ........................................................... 105

5.3.1 导体边缘绕射的典型解 ............................................105

5.3.2 几何绕射理论 .....................................................109

5.3.3 物理绕射理论 .....................................................114

5.3.4 等效电磁流法 .....................................................117

课后习题 .....................................................................118

第 6 章 隐身测试 ............................................................... 121

6.1 隐身测试概述 ........................................................... 121

6.2 RCS 测量的基本原理和概念 ............................................. 122

6.2.1 相似原理和缩比测量 .............................................. 123

6.2.2 背景电平与 RCS 测量误差 .........................................125

6.2.3 远场条件 ......................................................... 126

6.2.4 数据