李 偉

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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SBR雷達(dá)散射截面快速算法在雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李 偉

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

目前RCS預(yù)估方法大致可以分為兩大類：精確方法和近似方法。而近似方法運(yùn)算速度快，適合在工程實(shí)際中應(yīng)用，但準(zhǔn)確度相對(duì)較低。選取了彈跳射線(SBR)法，既具有運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，又具有較高的準(zhǔn)確度。簡(jiǎn)要論述了其原理以及應(yīng)用情況，通過典型算例驗(yàn)證了其方法仿真的準(zhǔn)確度，并介紹了某型雷達(dá)外形隱身設(shè)計(jì)案例。

雷達(dá)橫截面；預(yù)估方法；彈跳射線法；雷達(dá)外形隱身

0 引 言

現(xiàn)代雷達(dá)在探測(cè)目標(biāo)的同時(shí)，還要考慮自身的隱身效果。尤其當(dāng)前艦艇朝著隱身方向發(fā)展，要求艦載雷達(dá)的設(shè)計(jì)必須考慮隱身效果。為了減少艦載雷達(dá)的雷達(dá)橫截面積(RCS)，目前主要通過對(duì)雷達(dá)暴露在艙外的設(shè)備進(jìn)行外形結(jié)構(gòu)隱身設(shè)計(jì)以及雷達(dá)表面涂覆吸波材料(或加裝具有頻選特性的天線罩)來實(shí)現(xiàn)。隨著高速計(jì)算機(jī)和各種仿真軟件的飛速發(fā)展，外形結(jié)構(gòu)隱身設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展十分迅速，目前已成為雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)中廣泛采用的最有效技術(shù)手段。

對(duì)雷達(dá)外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行隱身設(shè)計(jì)，重點(diǎn)要針對(duì)雷達(dá)RCS比較突出的結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)的前提下，盡量減少雷達(dá)自身的RCS。而對(duì)雷達(dá)RCS的獲取，可以采用實(shí)測(cè)和仿真計(jì)算2種手段。實(shí)測(cè)方法包括微縮模型測(cè)量和實(shí)物遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試2種，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果直接準(zhǔn)確；缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，特別是要消費(fèi)大量的財(cái)力，需要匹配建設(shè)相應(yīng)規(guī)模的微波暗室、外場(chǎng)測(cè)試環(huán)境以及配備大量測(cè)試儀表。隨著計(jì)算電磁學(xué)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了各種數(shù)值方法，例如矩量法、時(shí)域有限差分法、頻域有限差分法、有限元法等，這些數(shù)值方法使電磁場(chǎng)數(shù)值分析研究產(chǎn)生了前所未有的重大進(jìn)展，并獲得了大量的科研成果。仿真計(jì)算則是通過應(yīng)用電磁場(chǎng)數(shù)值方法研究的成果，依托高速計(jì)算機(jī)平臺(tái)編制仿真軟件，并通過對(duì)軟件參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，不斷逼近真實(shí)結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)RCS的獲取。其解決了實(shí)測(cè)帶來的耗時(shí)耗力的問題，且通過電磁散射算法的不斷優(yōu)化，其仿真結(jié)果已經(jīng)基本接近實(shí)測(cè)結(jié)果，在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

RCS預(yù)估方法大致可以分為兩大類：一種是基于波動(dòng)方程求解的精確方法；一種是基于高頻算法的近似方法。精確方法雖然可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的目標(biāo)RCS值，但算法本身對(duì)運(yùn)行計(jì)算機(jī)硬件要求很高，而且計(jì)算時(shí)間長，離工程應(yīng)用還有一定的差距。高頻算法運(yùn)算速度快，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求也低，在工程上得到了廣泛應(yīng)用。但其是一種近似方法，仿真結(jié)果與真實(shí)值有一定差距，在工程上更多地用于評(píng)判其RCS變化趨勢(shì)。

1 彈跳射線(SBR)方法

彈跳射線[1](SBR)方法屬于高頻算法的一種，但相比于以往的高頻算法，它考慮到了電磁波在目標(biāo)表面多次散射的效應(yīng)，將所有散射射線在遠(yuǎn)場(chǎng)輻射疊加，得到更加精確的目標(biāo)RCS值。其克服了傳統(tǒng)高頻方法不能處理電磁波在目標(biāo)表面多次反射作用的局限，為工程中的目標(biāo)RCS預(yù)估提供了更快速、可靠的算法。

SBR方法主要分為射線路徑追蹤、射線強(qiáng)度追蹤和遠(yuǎn)場(chǎng)積分三部分。

射線路徑追蹤：利用一系列緊密相連的射線管來模擬電磁波入射到目標(biāo)表面，對(duì)所有射線管進(jìn)行路徑追蹤就可以模擬電磁波在目標(biāo)表面的傳播。

射線強(qiáng)度追蹤：對(duì)射線與目標(biāo)表面的交點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的跟蹤計(jì)算。

遠(yuǎn)場(chǎng)積分：根據(jù)射線路徑跟蹤和場(chǎng)強(qiáng)度跟蹤，可以求出射線經(jīng)過多次反射回到射線口面時(shí)的電場(chǎng)分布，將口面上的電場(chǎng)等效為磁流源，進(jìn)行口徑積分，可求出目標(biāo)表面的散射場(chǎng)[2]：

(1)

2 仿真算法及結(jié)果比對(duì)

根據(jù)公式(1)編制目標(biāo)RCS隨角度變化曲線的算法，算法只考慮對(duì)目標(biāo)采用平面三角面元進(jìn)行擬合，散度因子取1；當(dāng)目標(biāo)為純金屬導(dǎo)體時(shí)，反射系數(shù)矩陣(R)i對(duì)應(yīng)用平行極化波(TM波)和垂直極化波(TE波)分別為1和-1；當(dāng)目標(biāo)為介質(zhì)或目標(biāo)表面涂敷介質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)矩陣(R)i可由文獻(xiàn)[3]計(jì)算。

為驗(yàn)證算法準(zhǔn)確性，本文參考文獻(xiàn)[4]中的典型模型結(jié)構(gòu)(取杏仁核結(jié)構(gòu)和帶縫錐體結(jié)構(gòu))，對(duì)模型進(jìn)行仿真分析，與參考文獻(xiàn)中的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證其正確性。

2.1 杏仁核結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)是美國航空航天局(NASA)專門用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證各種數(shù)值算法程序的可靠性的基準(zhǔn)目標(biāo)。其幾何建模如圖1所示, 杏仁核模型的尺寸為：

當(dāng)-0.416 67

(2)

當(dāng)0

(3)

式中:x,y,z的單位均為mm。

圖1 NASA杏仁核網(wǎng)格圖

本文通過利用SBR方法編制仿真算法，在入射波頻率為1.19 GHz的情況下，仿真計(jì)算杏仁核結(jié)構(gòu)單站RCS曲線，如圖2(a)所示。與圖2(b)文獻(xiàn)結(jié)果相比，兩者吻合得很好。

圖2 單站RCS曲線示意圖

2.2 帶縫錐體結(jié)構(gòu)

其幾何建模圖如圖3所示。其外形參數(shù)如下：

-605.0534 mm

6.35 mm

0

圖3 帶縫錐體網(wǎng)格圖

對(duì)上述結(jié)構(gòu)，利用仿真算法對(duì)其單站RCS進(jìn)行預(yù)估。圖4(a)給出了入射波頻率為896 MHz時(shí)的帶縫錐體的單站RCS預(yù)估圖?？梢钥闯?，計(jì)算所得結(jié)果與圖4(b)的文獻(xiàn)結(jié)果吻合得很好。

圖4 帶縫錐體的單站RCS曲線示意圖

3 SBR工程應(yīng)用

3.1 利用SBR對(duì)典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行RCS估算

本文選取雷達(dá)外形設(shè)計(jì)的典型結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行SBR算法仿真分析，典型結(jié)構(gòu)包括：大平面結(jié)構(gòu)、折疊彎角結(jié)構(gòu)和球面結(jié)構(gòu)。

(1) 平面結(jié)構(gòu)

對(duì)大平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行SBR算法仿真分析,結(jié)果如圖5所示。

目前，中國正在穩(wěn)步地推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和綠色、節(jié)能型社會(huì)建設(shè)。其中水資源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵因素，也是關(guān)系到中國糧食安全和能源安全的重中之重。由于人們不斷提高的生態(tài)環(huán)境文明意識(shí)，百姓對(duì)于生活的期望也越來越強(qiáng)烈，水資源支持下的生態(tài)文明建設(shè)需要越來越多的理論和技術(shù)支持。加強(qiáng)水資源的管理將為建設(shè)中國生態(tài)文明國家奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

圖5 平面結(jié)構(gòu)模型及其RCS仿真曲線

(2) 折疊彎角結(jié)構(gòu)

對(duì)折疊彎角結(jié)構(gòu)進(jìn)行SBR算法仿真分析,結(jié)果如圖6所示。

圖6 折疊彎角結(jié)構(gòu)模型及其RCS仿真曲線

(3) 球面結(jié)構(gòu)

對(duì)球面結(jié)構(gòu)進(jìn)行SBR算法仿真分析,結(jié)果如圖7所示。

圖7 球面結(jié)構(gòu)模型及其RCS仿真曲線

查閱文獻(xiàn)和上述仿真結(jié)果可知：

(1) 平面結(jié)構(gòu)在正對(duì)法線方向RCS最大，其他方向RCS則較小；

(2) 折疊彎角結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了多次反射情況，形成多處RCS值較大點(diǎn)；

(3) 球面RCS值分布均勻且值最小。

某艦載雷達(dá)在未進(jìn)行隱身設(shè)計(jì)之前，其天線座(暴露在艙外)存在多處的平面和棱角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用SBR算法，得到RCS隨角度的分布圖，如圖8所示。根據(jù)對(duì)典型結(jié)構(gòu)形狀的SBR算法仿真預(yù)計(jì)結(jié)果的建議，對(duì)針對(duì)RCS較大處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取以下幾種改進(jìn)方法：

(1) 將大塊平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改為球面或者多面形設(shè)計(jì)；

(2) 將直角彎結(jié)構(gòu)改為鈍角彎或弧形結(jié)構(gòu)；

(3) 將不規(guī)整棱角結(jié)構(gòu)采用規(guī)則的多面形結(jié)構(gòu)保護(hù)罩進(jìn)行包裹。

圖8 隱身設(shè)計(jì)前的單站RCS計(jì)算結(jié)果圖

對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的天線座進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖9所示，對(duì)比圖8 RCS值平均減少10 dB左右。

圖9 隱身設(shè)計(jì)后的單站RCS計(jì)算結(jié)果圖

4 結(jié)束語

考慮到與工程實(shí)際相結(jié)合，本文選取高頻方法里的彈跳射線法，不僅能計(jì)算電大尺寸目標(biāo)，且計(jì)算速度快，準(zhǔn)確性相對(duì)較高，處理類型種類多。通過對(duì)結(jié)構(gòu)體三維設(shè)計(jì)圖進(jìn)行RCS理論分析，給出了各種結(jié)構(gòu)體的準(zhǔn)確RCS值，并與文獻(xiàn)中標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證了方法的正確性，并指導(dǎo)了某型雷達(dá)天線座結(jié)構(gòu)的隱身設(shè)計(jì)，取得了較好的工程應(yīng)用效果。

[1] LING H,CHOU R,LEE S W.Shooting and bouncing rays:calculating the RCS of an arbitrarily shaped cavity [J].IEEE Transactions on Antennas Propagation,1989,37(2):194-205.

[2] KNOTT E F.雷達(dá)散射截面——預(yù)估、測(cè)量和減縮[M].阮穎錚譯.北京:電子工業(yè)出版社,1988.

[3] KLEMENT D,PREISSNER J,STEIN V.Special problems in applying the physical optics method for backscatter computations of complicated objects [J].IEEE Transactions on Antennas Propagation,1988,36(2):228-237.

[4] WOO A C,WANG H T G,SCHUH M J,SANDERS M L.Benchmark radar targets for the validation of computational electromagnetic programs[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,1993,35(1)：84- 89.

Application of SBR RCS Rapid Algorithm to Radar Stealth Design

LI Wei

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Existing pre-estimation methods of radar cross section (RCS) can be classified to two kinds:precision method and approximation method.The approximation method has high calculation velocity,is adapted to the application to engineering practice,but the precision is low.This paper uses the method of shooting and bouncing ray (SBR) that has not only fast calculation velocity but also high precision,briefly discusses the principle and application status,validates the simulation precision through classical calculation example,and introduces the shape stealth design case of a certain radar.

radar cross section；pre-estimation method;shooting and bouncing ray method;radar shape stealth

2016-06-30

TN974

A

CN32-1413(2016)05-0034-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.008