杜曉佳，崔玫

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

初步設(shè)計階段桅桿外形的隱身性評估與改進

杜曉佳，崔玫

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

桅桿作為重要的雷達波散射源，將直接影響到整個艦船的隱身性。在艦船設(shè)計初期，如何評估和改進桅桿的隱身性顯得十分重要。以一個典型的封閉式桅桿為研究對象，分析評估參數(shù)對隱身性計算結(jié)果的影響，得到該桅桿的主要反射機制，識別出桅桿大部分RCS峰值是由單次反射引起，并給出桅桿外形隱身調(diào)整建議。結(jié)果顯示，若發(fā)生橫搖，附屬平臺和桅桿主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的二面角效應(yīng)會增強，所得結(jié)論可為初步設(shè)計階段艦船桅桿的隱身性評估和改進提供參考。

桅桿；雷達散射截面積；評估；隱身性

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160317.1056.036.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：杜曉佳，崔玫.初步設(shè)計階段桅桿外形的隱身性評估與改進［J］.中國艦船研究，2016，11（2）：127-132.

DU Xiaojia，CUI Mei.Stealth evaluation and improvement of mast configuration in the preliminary design stage［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（2）：127-132.

0　引　言

隱身技術(shù)是通過降低目標在特定區(qū)域內(nèi)的可探測信號，進而降低敵方設(shè)備探測概率的一項綜合技術(shù)［1-2］。在所有可探測的艦船信號中，雷達反射是水面艦船最主要的威脅之一。因此，艦船的雷達隱身性成為提升艦船在戰(zhàn)場上的突襲能力和生存能力的重要指標之一［3-4］。

受地球曲率的限制，桅桿系統(tǒng)外形設(shè)計的優(yōu)劣將直接影響到全艦雷達隱身性［5］。目前，艦船的隱身性設(shè)計采用的是全艦雷達散射截面積（RCS）指標分配方法，一般是將桅桿作為獨立的部件進行隱身性研究［6-7］。在設(shè)計時，桅桿外形必須達到被分配的隱身性指標要求。因此，有必要單獨針對桅桿隱身性開展研究。

1　RCS高頻計算方法

艦船的RCS量級較高，而直接采用應(yīng)用于飛行器行業(yè)的高精度RCS計算方法會帶來極大的計算工作量。在艦船封閉式桅桿設(shè)計初期，設(shè)計者更注重其主要反射原因的分析和隱身性的改進，這就允許設(shè)計者在計算精準度與工作量上進行平衡。

桅桿的特征尺寸遠大于雷達波長，其RCS計算問題屬于電大尺寸問題，可以用高頻近似計算方法來處理此類問題。本文將選取幾何/物理光學(xué)混合法作為桅桿的RCS計算方法。

幾何光學(xué)法（GO）由傳統(tǒng)的光學(xué)規(guī)律推導(dǎo)而來。幾何光學(xué)近似假定雷達波主要沿著射線路徑的特殊軌跡進行傳播［8］。雷達波入射到物體表面上的行為可用Snell定律來表述，此時，后向雷達截面積可表述為

式中，ρ1和 ρ2為物體表面在反射點處曲線的雙曲率半徑。當曲線半徑無限大時，便無法使用幾何光學(xué)法。

物理光學(xué)法（PO）推導(dǎo)的出發(fā)點為Stratton-Chu射場積分公式［9］。物理光學(xué)法設(shè)定陰影邊界的電流為0，在偏離入射方向較大角處或陰影區(qū)域內(nèi)的散射場積分是不準確的。當計算多次反射時，反射每多增加一次，物理光學(xué)積分就會多增加兩重積分，導(dǎo)致計算時間急劇增加，因此，物理光學(xué)法不適于計算多次反射。

幾何/物理光學(xué)混合法則是通過幾何光學(xué)方法計算目標被雷達照亮區(qū)域和雷達波沿目標的傳播途徑，利用物理光學(xué)法來計算照亮區(qū)域的RCS，因此，該方法能夠避免幾何光學(xué)法和物理光學(xué)法的主要缺點。

2　桅桿隱身性評估參數(shù)設(shè)定

選取與“地平線”級驅(qū)逐艦相似的桅桿作為外形隱身評估的幾何模型。在建模時，對桅桿進行相應(yīng)的簡化，忽略安裝在桅桿上的雷達和通訊等電子設(shè)備（圖1），其中桅桿主體和雷達平臺均為四面體，大多數(shù)面板與垂直面的夾角為7°～8°。鋼材和頻率選擇表面（FSS）材料是艦船桅桿的主要材料?？紤]到外形隱身是本文的主要研究目的，因此，將桅桿視為理想導(dǎo)體，桅桿的內(nèi)部電場為0。

考慮到反艦雷達和早期預(yù)警雷達的應(yīng)用性能，本文考慮L，S，C，X和Ku波段中心頻率下桅桿的隱身性，對應(yīng)的雷達波波長為20，10，5，3和2 cm。艦船所要面對的探測環(huán)境主要來自敵方單個艦船或空中武器平臺，在海軍領(lǐng)域，單站隱身性更為重要。

艦船RCS是隨照射角度的變化而急劇變化，要在所有角度上實現(xiàn)雷達波隱身是不可行的，隱身設(shè)計的目的應(yīng)是降低在雷達危險區(qū)域的RCS［10］。因此，設(shè)定桅桿的雷達波威脅區(qū)域仰角為0°，水平角為0°～360°。

圖1　桅桿幾何模型Fig.1　Geometric model of the mast

3　桅桿隱身性影響因素分析

3.1雷達波參數(shù)的影響

研究桅桿RCS與雷達波的頻率和水平角的關(guān)系。桅桿面對不同頻率（垂直極化）雷達波時的RCS分布如圖2所示，其頻率間隔為1 GHz。由圖2可知：在不同頻率雷達波的照射下，桅桿的“亮點”位置不變；頻率越高，RCS值分布超過30 dBm2的區(qū)域就越小，即RCS峰值區(qū)域隨頻率的升高而減??；桅桿在0°和180°附近區(qū)域的雷達波反射總是最大。如果敵人的雷達位于船舶的正前方或正后方，則此時桅桿的反射能量是最強的。當入射方向在接近90°和270°的水平角時，各個頻率下RCS的強度也很高。

研究RCS與雷達波波長及極化方向的關(guān)系。不同極化下威脅區(qū)域內(nèi)RCS計算結(jié)果平均值和最大值的變化曲線如圖3所示。在水平極化和垂直極化模式下，RCS隨頻率的變化趨勢相似，極化方向?qū)Ψ亲畲笾档慕嵌扔绊懜蟆?/p>

RCS平均值和最大值隨頻率的變化規(guī)律是復(fù)雜的，即使是相同的極化方向，也會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。但平均值和最大值有相似的變化趨勢，這是因為RCS最大值一般都遠大于其他角度的RCS值，故最大值在平均值中占有很大的比重。

圖2　不同頻率和角度的桅桿RCS分布Fig.2　RCS distribution of mast in different frequencies and angles

圖3　極化/波長的影響Fig.3　Influences of wavelength and polarization

3.2船體搖動的影響

受波浪和風(fēng)的影響，艦船的搖動不可避免，因此有必要研究艦船橫搖對桅桿RCS的影響［11］。將該艦船橫搖角范圍設(shè)置為±30°，橫搖角采樣間隔為5°，桅桿RCS分布計算結(jié)果如圖4所示。

圖4　隨船體搖動的RCS分布Fig.4　Variations of RCS with ship rolling

雖然發(fā)生了橫搖，但桅桿在前方或后方的橫截面幾乎沒有變化，在0°和180°附近的RCS值基本穩(wěn)定；當橫搖角小于10°時，桅桿RCS峰值區(qū)域基本沒有變化，即小角度橫搖時對桅桿RCS的影響較小；當桅桿發(fā)生大角度的橫搖時，RCS峰值區(qū)域有較明顯的變化，特別是在右傾情況下，形成了一個較大的散射峰值區(qū)域。由于RCS的上升是區(qū)域性的，故可判斷為由多次反射造成。與幾何模型進行對比，可判別這些峰值區(qū)域是由桅桿外伸的承載雷達基座與桅桿主結(jié)構(gòu)組成的二面角所引起?？梢?，艦船橫搖會增加桅桿的二面角效應(yīng)。

4　雷達反射特征分析

雷達反射特征分析的主要目的是了解桅桿反射雷達波的主要特性，為桅桿隱身性的評估和改進提供支撐?？赏ㄟ^反射機制分析和主要反射源分析這2部分的研究來達到這個目的。本節(jié)選取的評估雷達波為垂直極化的X波段雷達波。

4.1桅桿雷達波反射機制分析

桅桿單次/兩次反射雷達波反射的RCS計算結(jié)果如圖5所示。計入二次反射后，大多數(shù)角度的RCS峰值沒有明顯變化，桅桿大部分RCS峰值主要由單次反射引起。當入射波為0°時RCS值最大，在單次反射時為22.5 dBm2，二次反射時增長到46.6 dBm2。在這個入射角度下，二次反射比單次反射更為強烈。二次反射帶來的是區(qū)域角度的RCS變化。

圖5　單次/二次反射計算結(jié)果對比Fig.5　Comparison of the specular/double reflection

對比RCS峰值角度和桅桿幾何模型，可以得到如下判斷：二次反射是由桅桿外伸結(jié)構(gòu)和桅桿主體結(jié)構(gòu)組成的二面角所產(chǎn)生。在下一小節(jié)也將證明這一結(jié)論。

圖6為分別計入二次/三次反射后的RCS計算結(jié)果對比。由圖可看出，兩條曲線僅在少數(shù)角度上有微小的差別，且在一定程度上可被忽略。故在威脅區(qū)域內(nèi)，桅桿對雷達波的第3次反射非常小，由此可判定第4次反射的影響將會更小。當使用GO/PO法計算桅桿RCS時，一般三次反射計算結(jié)果即能滿足計算需求。

圖6　兩次/三次反射對比Fig.6　Comparison of the double/triple reflection

4.2桅桿雷達波反射源分析

為了找到桅桿的主要反射源，將桅桿的附屬雷達平臺分為了6個部分，標號如圖7所示。圖8所示為分別去除6個雷達承載平臺后的RCS計算結(jié)果。從圖8（a）中可以看出，去除#1雷達承載平臺后，桅桿RCS在23°，67°，111°，157°，202°，243° 和337°附近處的峰值點消失。而在圖5所示的桅桿單次反射RCS計算結(jié)果中，這些峰值點是存在的。鑒于這些入射角度與#1雷達承載平臺的幾何關(guān)系，可以推得這些峰值點是由#1雷達承載平臺的單次反射所造成。

圖7　附屬雷達基座示意圖Fig.7　Schematic diagram of subsidiary radar base label

圖8　分別去除附屬平臺前、后的RCS計算結(jié)果對比Fig.8　Comparisons of RCS computing results with and without subsidiary base，individually

#2，#5和#6附屬平臺為在桅桿前面突出的矩形體。從圖8（b）和圖8（e）可以看到，#2和#5結(jié)構(gòu)只影響到了桅桿正前方角的RCS值，未影響到其他角度。去除#5附屬平臺后，0°方向的RCS峰值從45.5 dBm2下降到了30.9 dBm2，可見#5結(jié)構(gòu)為桅桿0°方向雷達波反射的一個主要源。在圖8（f）中，去除#6平臺后，桅桿RCS在283°～344°區(qū)域內(nèi)顯著減少，而其他角度的影響可以忽略，經(jīng)與幾何模型對比，可判定這是由#6平臺右側(cè)板與主桅體組成的二面角所產(chǎn)生的效果。因此，可判定#2平臺的設(shè)計較好，#5平臺的前側(cè)板和#6平臺的右側(cè)板需進行調(diào)整，建議加大其與桅桿主體結(jié)構(gòu)的夾角。

從圖8（c）可以看到，去除#3附屬平臺后，當入射方向處于在97°，180°和223°附近時，RCS峰值有較明顯的降低，可判定#3平臺前側(cè)板和左、右側(cè)板設(shè)計不佳，建議增大前側(cè)板與垂直面的夾角，增大與桅桿主體結(jié)構(gòu)的夾角。

從圖8（d）可以看出，去除#4結(jié)構(gòu)后，將顯著降低40°和230°處的RCS，但是對其他角度的影響較小，可忽略。由于多次反射效應(yīng)往往是區(qū)域性的，經(jīng)與幾何模型對比，可判定這2個峰值是由#4結(jié)構(gòu)兩側(cè)面板的單次反射所造成，建議增大這2個板與垂直面的夾角。

由于所有的附屬平臺對0°，45°，90°，135°，180°，225°和270°處的RCS峰值影響不大，故可判斷這些角度的峰值是由桅桿主體結(jié)構(gòu)單次反射產(chǎn)生的?？梢酝ㄟ^改變桅桿主體結(jié)構(gòu)傾角來改善這些角度的RCS峰值。

5　桅桿外形隱身性評估流程分析

從本文的分析和計算結(jié)果來看，針對桅桿這類艦船外露結(jié)構(gòu)外形的隱身性評估和優(yōu)化，其基本流程（圖9）可設(shè)定為：

1）對桅桿RCS的危險角度考評范圍進行限定，只針對單站雷達進行考評；

2）在計算量和實際精度需求上進行衡量，選取RCS計算方法；

3）建立合理的桅桿電磁計算模型，一般情況下不計入桅桿上的設(shè)備，對桅桿結(jié)構(gòu)和材料特性進行簡化；

4）計算不同雷達參數(shù)下的桅桿RCS，得到桅桿RCS隨雷達參數(shù)的變化規(guī)律；

5）選取一典型雷達參數(shù)，對該雷達波參數(shù)下的桅桿RCS進行計算分析，對比分析單次反射和多次反射的計算結(jié)果，分析桅桿的主要散射特征；

6）對比不同桅桿模型下的RCS分布，確定桅桿RCS主要反射源，得出桅桿各部位的設(shè)計優(yōu)劣，給出外形調(diào)整建議；

7）為下一設(shè)計階段的桅桿RCS考評做準備。

圖9　外形隱身評估流程Fig.9　The evaluation process of stealth shape

6　結(jié)　論

桅桿作為雷達反射的重要來源之一，對艦船整體的的隱身性有較大影響。本文在對一個典型的封閉式桅桿的外形進行隱身性評估與分析后，得出以下結(jié)論：

1）桅桿大部分RCS峰值主要由單次反射引起。多次反射較弱，且為區(qū)域性的。多次反射主要由雷達平臺與桅桿主體組成的二面角產(chǎn)生。需調(diào)整#3，#4，#5和#6雷達承載平臺部分面板的角度，以獲得更好的隱身效果。

2）對于水平和垂直極化方式，RCS平均值和最大值隨頻率的增加表現(xiàn)出了相同的變化趨勢。隨著頻率的增加，RCS峰值區(qū)域被壓縮。若發(fā)生較大橫搖角，RCS的峰值區(qū)域會發(fā)生明顯變化，主要由附屬平臺和桅桿主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的二面角效應(yīng)增強所致。

同時，本文還形成了一套桅桿隱身性評估和改進的流程，通過該流程，可以輔助指導(dǎo)初步設(shè)計階段艦船外露結(jié)構(gòu)的隱身性設(shè)計。

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Stealth evaluation and improvement of mast configuration in the preliminary design stage

DU Xiaojia，CUI Mei
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The stealth performance of warships is directly affected by its mast；therefore，the analysis and evaluation of the stealth performance of the ship's mast in the preliminary design stage is the main research purpose of this paper.By taking a typical enclosed ship mast as the research model，the influences of several important parameters on the stealth performance are analyzed，with the major scattering characteristic of the mast being investigated.It is seen that most of RCS peak points are caused by the specular reflection，and the optimal adjustment of mast configuration is presented.When the ship is rolling，the dihedral angle effect caused by the affiliated platform and main structure would intensify.This paper provides a reference for the stealth performance evaluation and improvement of mast configuration in the preliminary design stage.

warship mast；radar cross section；evaluation；stealthiness

U667.1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.018

2015-06-12網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-3-17 10:56

國家部委基金資助項目

杜曉佳（通信作者），男，1988年生，碩士，助理工程師。研究方向：艦船振動與雷達波隱身優(yōu)化。E-mail：duxiaojia2007@126.com