李岳鋒，廖華琳，卿太木，楊青真，母鴻瑞，鄧雪嬌

（1.中國渦輪燃氣研究院，成都610500；2.西北工業(yè)大學動力與能源學院，西安710072）

偏心比對S形流道雷達散射特性的影響

李岳鋒1，廖華琳1，卿太木1，楊青真2，母鴻瑞1，鄧雪嬌1

（1.中國渦輪燃氣研究院，成都610500；2.西北工業(yè)大學動力與能源學院，西安710072）

在進/出口形狀、進/出口面積、中心線變化規(guī)律、面積變化規(guī)律等設計參數(shù)不變的條件下，采用超橢圓方法設計了11種不同偏心比的S形流道。同時，借助迭代物理光學法與等效邊緣電磁流繞射方法，對不同偏心比的S形流道進行了雷達散射特性的數(shù)值仿真分析。結果表明：若將不同偏心比S形流道的雷達散射截面變化曲線看作是波的傳播軌跡，相對于偏心比為0的流道，偏心比改變了波的相位、振幅；偏心比越大，其相位越滯后、振幅越小。

偏心比；迭代物理光學法；等效邊緣電磁流法；單端開口腔體；散射；繞射；雷達散射截面；隱身技術

1　引言

單端開口腔體結構是雷達目標的一類特殊結構，通常會在一個較寬的頻段內(nèi)對目標的雷達散射截面（RCS）產(chǎn)生很大貢獻。入射雷達波進入單端開口腔體后，經(jīng)過腔體表面的直接反射、多次反射和口徑邊緣繞射，反射波沿入射方向返回被雷達直接接收，形成單站雷達主要的發(fā)現(xiàn)/鎖定信號。進氣道和噴管是飛機上的典型單端開口腔體結構，是飛機前向和后向主要的雷達散射源。其腔體結構的特征尺寸與入射電磁波波長相差較大，在電磁學上屬于電大尺寸結構。同時，腔體結構內(nèi)部存在電磁波的多次反射，使得其電磁散射求解成為電磁學上的難點與熱點。國內(nèi)外學者針對電大尺寸腔體結構的數(shù)值仿真算法進行了充分的研究，以高頻算法和高低頻耦合算法為主，包括彈跳射線法［1］、導波模式法［2］、迭代物理光學法［3］及高低頻耦合算法［4-6］等。其中，迭代物理光學法因其精度高、占用內(nèi)存小等優(yōu)點，在電大尺寸腔體結構的數(shù)值仿真中應用較多。

目前，針對軍用飛機腔體強散射的抑制措施主要有如下幾種：①將進排氣系統(tǒng)設計成背負式，利用機身對腔體結構進行遮擋，如美國的“全球鷹”隱身無人偵察機；②在進排氣系統(tǒng)進出口截面處采用網(wǎng)狀格柵，對入射和反射雷達波進行過濾，如美國的F-117及RQ-170無人機；③將進排氣系統(tǒng)流道設計成S形，以增加電磁波在流道內(nèi)部的反射次數(shù)，改變反射波方向，減弱反射波能量，如美國的F-117、B-2、F-22、F-35、X-47B等?，F(xiàn)役隱身飛機有時也將①和③或②和③措施組合使用，如“全球鷹”采用的是①和③組合，而F-117、RQ-170采用②和③組合。由上述典型隱身飛機的組合隱身措施可知，將腔體結構設計成S形是減小其雷達散射截面最有效的辦法之一。國內(nèi)外針對S形流道電磁散射特性的研究較多，但詳細分析不同偏心比對S形流道電磁散射特性的研究較少［7-8］。

通過對F-117、F-22、F-35及J-20等隱身飛機布局的分析可知，其進氣道均采用平行四邊形或類菱形進口，由此可推斷平行四邊形或類菱形進出口流道是隱身飛機的較好選擇?；谏鲜龇治觯疚牟捎贸瑱E圓方法設計了11種上下彎折、偏心比不同的菱形S形流道，并對這11種S形流道的電磁散射特性進行了數(shù)值仿真研究，研究結果可為此類S形流道的雷達隱身設計提供參考。

2　物理模型

在進口/出口形狀、進口/出口面積、面積變化規(guī)律、中心線變化規(guī)律等設計參數(shù)不變的條件下，采用超橢圓方法［9］設計了11種不同偏心比的菱形S形流道，其中S形流道中心線選擇前急后緩、面積變化選擇緩急相當?shù)淖兓?guī)律［10］。偏心比D/L的變化范圍為0～10/24，變化因子為1/24。圖1示出了偏心比為5/24的菱形S形流道，圖中D為S形流道進出口截面中心點在垂直方向的距離，L為S形流道在水平方向的長度，其菱形對角線比A/B為1.75。

圖1　偏心比為5/24的菱形S形流道Fig.1 Diamond S-shaped inlet/nozzle with eccentricity ratio 5/24

3　數(shù)值方法

主要采用等效邊緣電磁流方法（EEC）［11］模擬S形流道口徑邊緣繞射場的RCS，采用迭代物理光學法（IPO）［12］模擬S形流道腔體內(nèi)部散射場的RCS。由于迭代物理光學法基于物理光學近似，只有能相互照射的面元之間才能產(chǎn)生等效電磁流，因此在采用IPO方法計算等效電磁流之前，需要對腔體內(nèi)部壁面面元進行遮擋關系判斷。本文采用文獻［13］提出的射線追蹤方法提高遮擋關系的判斷效率，進而提高迭代物理光學法的計算效率。

因迭代物理光學法是高頻算法，在目標特征尺寸遠大于入射波波長時目標散射場的計算才有效。鑒于此，本文將研究的S流道終端處的旋轉部件假設為平面，以保證S形流道內(nèi)部散射場計算的準確性。其求解S形流道RCS的步驟如下：①根據(jù)入射場與電磁場等效原理，求得S形流道口徑面的等效電磁場；②根據(jù)S形流道口徑面上的等效電磁場，由Kirchhoff公式求得S形流道壁面上的初始磁場；③判斷S形噴管壁面各個面元之間的遮擋/照射關系；④根據(jù)遮擋/照射關系與磁場積分方程，迭代求得壁面各個面元的真實電磁流分布；⑤根據(jù)壁面的真實電磁流分布與Kirchhoff公式，求得S形流道口徑面上的電磁場分布；⑥根據(jù)等效原理，求得S形流道的反射電磁場；⑦根據(jù)入射電場與反射電場，求得S形噴管的RCS。

4　結果與分析

本文計算的入射波頻率 f=6 GHz，S形流道壁面采用三角形網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格總數(shù)約為4萬。

4.1水平極化方式

圖2是水平極化方式下不同偏心比S形流道邊緣繞射場的RCS隨探測角的變化規(guī)律。因邊緣繞射場只與流道的進出口形狀有關，而本文分析的11 種S形流道均為菱形過渡到圓的流道，所以不同偏心比S形流道邊緣繞射場的RCS變化規(guī)律保持一致。由圖2可知，在0°探測角時，S形流道邊緣繞射場的RCS最大。這主要是因為0°探測角時的入射電磁波與流道邊緣切向垂直，此時在邊緣任意點處產(chǎn)生的繞射場是以平面?zhèn)鞑サ男问较蛩闹苌⑸?，而本文計算的是單站雷達時的電磁特性，因此繞射場定有一條繞射波沿入射方向返回被雷達直接接收，導致0°探測角處的繞射場RCS最大。在0°～7°探測角范圍內(nèi)，邊緣繞射場的RCS呈快速下降趨勢。這主要是因為隨著探測角度的偏大，在0°探測角形成的平面繞射場轉換成錐面繞射波，此時形成的繞射波與入射反向形成一定夾角，使得沿入射方向返回的繞射波急劇減少。在7°～40°探測角范圍內(nèi)，邊緣繞射場的RCS呈波狀變化，其波峰值呈緩慢增長趨勢，這與入射電場的極化方式密切相關。水平極化方式下邊緣繞射場的RCS在小探測角時會大幅度降低，在大探測角時呈緩慢升高趨勢。

圖2水平極化方式下邊緣繞射場的RCSFig.2 The RCS of diffraction under horizontal polarization

圖3是水平極化方式下11種不同偏心比S形流道腔體內(nèi)部散射場的RCS隨探測角的變化規(guī)律?？梢姡Ｐ虯處于0°探測角時其散射場的RCS最大，這主要是因為在0°探測角時入射電磁波直射在假設的流道終端面上形成強反射導致。因為模型A的偏心比為0，因此其散射場的RCS關于0°探測角對稱。隨著探測角的增大，模型A散射場的RCS呈有波動的降低趨勢。這主要是因為隨著探測角的增大，入射波對流道假設終端面的直接照射變?yōu)閷α鞯老聜缺诿娴男闭丈?，而呈波動變化主要是與入射電磁波在空間呈波狀傳播有直接關系。

圖3　水平極化方式下內(nèi)腔散射場的RCSFig.3 The RCS of scattering under horizontal polarization

對比這11種模型發(fā)現(xiàn)，隨著偏心比的增大，S形流道散射場的RCS最大值偏離0°移向正探測角，且偏心比越大偏離的角度越大；帶有偏心比的10種S形流道散射場的RCS值不再關于0°探測角對稱，且偏心比越大正探測角與負探測角范圍內(nèi)的RCS值差異越大。造成最大值偏離的主要原因，是偏心比增大使得0°探測角時S形流道第一個拐彎處對其終端面的遮擋增大，此時入射電磁波只能部分或完全不能照射在S形流道終端的假設面上。上述分析既可說明S形流道最大值偏離0°探測角的原因，又可說明其最大值降低的原因。

值得注意的是，當偏心比增大至6/24（模型G）與7/24（模型H）時，0°附近的RCS不再隨偏心比的增大而降低，而是略有升高，但其散射場的RCS還是遠低于偏心比為0的流道。偏心比為7/24時偏離0°探測角的最大值也較其他S形流道有所提高。

分析模型A和模型B的RCS變化規(guī)律可知，若將模型A的變化規(guī)律視為波的傳播路徑，模型B相比模型A來說則是相位滯后、振幅降低的波的傳播路徑。推及到其余幾種S形流道中可以發(fā)現(xiàn)，偏心比越大，波的相位越滯后，其振幅越小。

綜合上述分析可知，S形流道相對直流道來說，其散射場的RCS有所降低，特別是偏心比越大，RCS降幅越大。其在-10°～10°探測角范圍內(nèi)散射場的RCS遠小于直流道，這表明S形流道是降低腔體結構RCS有效的手段之一。

圖4　垂直極化方式下邊緣繞射場的RCSFig.4 The RCS of diffraction under vertical polarization

4.2垂直極化方式

圖4是垂直極化方式下不同偏心比S形流道邊緣繞射場的RCS隨探測角的變化規(guī)律。與水平極化方式類似，在0°探測角處，S形流道邊緣繞射場的RCS最大。全局探測范圍內(nèi)，垂直極化方式下繞射場的RCS均高于水平極化。0°～40°探測角范圍內(nèi)，隨著探測角的增大，繞射場的RCS呈波狀變化，且波峰值緩慢降低、降幅較小，與水平極化方式下繞射場RCS先急速下降后緩慢升高的變化趨勢不同。

圖5是垂直極化方式下11種不同偏心比S形流道腔體內(nèi)部散射場的RCS隨探測角的變化規(guī)律。垂直極化與水平極化方式下散射場的RCS變化趨勢較為類似，但也有不同之處。相同之處在于模型G和模型H在0°探測角處的RCS有所回升，都可將11種流道散射場的RCS變化規(guī)律認為是不同相位與振幅的波傳播路徑。不同之處在于模型A散射場的RCS變化趨勢有所不同，模型B～模型F在0°～10°探測角區(qū)間內(nèi)散射場的RCS降低幅度較大。

圖5　垂直極化方式下內(nèi)腔散射場的RCSFig.5 The RCS of scattering under vertical polarization

5　結論

（1）偏心比對S形流道邊緣繞射場的RCS無任何影響。

（2）在-10°～10°探測角范圍內(nèi)，偏心比可有效減小流道散射場的RCS，且隨著偏心比的增大其效果越明顯；在-20°～20°探測范圍內(nèi)，偏心比為5/24的S形流道較其他流道有更低的RCS。

（3）若將不同偏心比的RCS變化曲線看作是波的傳播路徑，相對于直流道，偏心比改變了波的相位、振幅，且偏心比越大，其相位越滯后、振幅越小。

［1］ Pathak P H，Burkholder R J.Model，ray and beam tech?niques for analyzing the EM scattering by open-ended waveguide cavities［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1989，37（5）：101—109.

［2］ Johason T W，Moffat D L.Electromagnetic scattering by open circular wave guides［J］.Radio Science，1982，17：1547—1556.

［3］ Robert J B，Tomas L.Forward-backward iterative physical optics algorithm for computing the RCS of open ended cav?ities［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2005，53（2）：793—799.

［4］ Lee R，Chia T T.Analysis of electromagnetic scattering from a cavity with a complex termination by means of a hy?brid ray-FDTD method［J］.IEEE Transactions on Anten?nas and Propagation，1993，41（11）：1560—1569.

［5］ 何小祥，徐金平.改進的IPO與FEM混合法分析復雜電大腔體電磁散射［J］.電波科學學報，2004，19（5）：607—612.

［6］ 羅威.三維電大復雜腔體電磁散射問題的混合快速算法研究［D］.西安：西安電子科技大學，2007.

［7］ 郭文彥，朱顏鎮(zhèn)，李海濤.飛機進氣道的高頻電磁散射特性及RCS計算［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，1999，31（1）：123—129.

［8］ 姬金祖，武哲，劉戰(zhàn)合.S彎進氣道隱身設計中彎度參數(shù)研究［J］.西安電子科技大學學報，2009，36（4）：746—750.

［9］ 李岳鋒，楊青真，孫志強.超橢圓S形進氣道的設計及氣動性能研究［J］.計算機仿真，2011，28（3）：82—85.

［10］Lee C C，Boekicker C.Subsonic diffuser design and perfor?mance for advance fighter aircraft［R］.AIAA 85-3073，1985.

［11］聶在平，方大綱.目標與環(huán)境電磁散射特性建模-理論，方法與實現(xiàn)（基礎篇）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009：210—211.

［12］Basteriro F，Rodriguez J L，Burkholder R J.An iterative physical optics approach for analyzing the electromagnetic scattering by large open-ended cavities［J］.IEEE Transac?tions on Antennas and Propagation，1995，43（4）：356—361.

［13］陳立海，楊青真，陳玲玲，等.不同噴口修型的二元收斂噴管RCS數(shù)值模擬［J］.航空動力學報，2012，27（3）：513—520.

Investigation on radar cross-section of S-shaped channel with different eccentric ratio

LI Yue-feng1，LIAO Hua-lin1，QING Tai-mu1，YANG Qing-zhen2，MU Hong-rui1，DENG Xue-jiao1

（1.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China；2.School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

Under the conditions where the shape and area of intake and outlet，the area variation and the center-line variation are constant，11 S-shaped diamond inlets/nozzles with different eccentricity-ratio were designed by the super-ellipse method.The radar cross-section（RCS）of the scattering filed were analyzed with iterative physical optic approach and equivalent edge currents method.The results show that if the change curve of the RCS of channel with different eccentricity is considered as the wave trajectory，com?pared with the channel with the eccentricity-ratio 0，the eccentricity-ratio changes the phase and amplitude of the wave.And the larger the eccentricity-ratio is，the phase lags more and the amplitude gets smaller.

eccentricityratio；iterativephysicalopticapproach（IPO）；equivalentedgecurrentsmethod（EEC）；open-ended cavity；scattering；diffraction；radar cross-section（RCS）；stealthtechnology

V228.7；V211

A

1672-2620（2016）04-0013-04

2016-06-27；

2016-08-11

李岳鋒（1984-），男，陜西富平人，博士，工程師，主要從事進排氣系統(tǒng)氣動、紅外及雷達隱身研究工作。