齊玉濤 姚凱凱 張馨元

摘 要：飛行器目標(biāo)在飛行過(guò)程中，除了姿態(tài)變化對(duì)RCS的影響外，機(jī)上活動(dòng)部件的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)也會(huì)對(duì)RCS的產(chǎn)生一定影響，為分析機(jī)上活動(dòng)部件對(duì)飛行器整體RCS的影響大小，本文首先對(duì)機(jī)上活動(dòng)部件進(jìn)行分析，利用幾何建模技術(shù)對(duì)機(jī)上活動(dòng)部件進(jìn)行設(shè)置，再利用一體化電磁散射計(jì)算軟件對(duì)目標(biāo)電磁散射特性進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)比，分析飛行器目標(biāo)活動(dòng)部件對(duì)整體RCS的影響。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)散射截面（RCS）;活動(dòng)部件;一致性分析

中圖分類號(hào)：TM15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）21-0054-02

0 引言

目標(biāo)電磁散射特性在隱身與反隱身技術(shù)中有著重要的研究?jī)r(jià)值，也是雷達(dá)信息系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。當(dāng)前獲取飛行器目標(biāo)RCS的主要途徑有暗室靜態(tài)測(cè)量、全尺寸外場(chǎng)靜態(tài)測(cè)量、外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量以及仿真計(jì)算等方法。從理論上講，外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試能夠真實(shí)反映目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性，但由于外場(chǎng)飛行一般周期較長(zhǎng)，耗費(fèi)較大，因此往往用地面靜態(tài)測(cè)量對(duì)目標(biāo)電磁散射特性進(jìn)行分析。但靜態(tài)測(cè)量過(guò)程中，目標(biāo)模型一般是縮比模型或全尺寸模型，測(cè)量過(guò)程中不能反映目標(biāo)姿態(tài)變化對(duì)RCS的影響，而且在測(cè)量過(guò)程中也沒(méi)有考慮目標(biāo)上活動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)對(duì)RCS的影響，這就造成了飛行器目標(biāo)動(dòng)、靜態(tài)測(cè)量結(jié)果的不一致。用理論建模仿真技術(shù)對(duì)目標(biāo)動(dòng)靜態(tài)電磁散射特性分析是一種可行、快速的手段，而且相關(guān)學(xué)者在靜態(tài)仿真的基礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)態(tài)特性仿真也進(jìn)行了探索研究，如文獻(xiàn)[2-5]對(duì)飛行姿態(tài)擾動(dòng)和動(dòng)靜態(tài)姿態(tài)一致性進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[1]在此基礎(chǔ)上根據(jù)真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性設(shè)置，但這些研究都是針對(duì)目標(biāo)姿態(tài)變化對(duì)RCS的影響，未能對(duì)目標(biāo)上活動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)影響進(jìn)行分析。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文通過(guò)幾何建模技術(shù)對(duì)目標(biāo)模型進(jìn)行設(shè)置，再通過(guò)一體化計(jì)算軟件對(duì)目標(biāo)電磁散射特性進(jìn)行計(jì)算，分析活動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)對(duì)目標(biāo)整體RCS的影響。

1 活動(dòng)部件幾何建模

根據(jù)飛行原理，飛行器目標(biāo)在飛行過(guò)程中用于控制飛行姿態(tài)的活動(dòng)部件主要包括：副翼、升降舵、方向舵和襟翼等。通過(guò)控制這些活動(dòng)部件的偏轉(zhuǎn)，飛機(jī)在飛行過(guò)程中進(jìn)行航向偏轉(zhuǎn)、俯仰和橫滾等動(dòng)作，使飛機(jī)按照預(yù)定航線進(jìn)行飛行。飛機(jī)上活動(dòng)部件位置如圖1所示。

各活動(dòng)部件作用如下：

（1）副翼：位于機(jī)翼后緣外側(cè)，用于控制飛機(jī)進(jìn)行滾轉(zhuǎn);

（2）升降舵：位于水平尾翼后緣，用于調(diào)節(jié)或控制飛機(jī)的俯仰運(yùn)動(dòng);

（3）方向舵：位于垂直尾翼后緣，在飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)用來(lái)使方向稍微發(fā)生變化;

（4）副翼和方向舵組合：兩個(gè)舵面同時(shí)作用，可以控制飛機(jī)在空中盤(pán)旋。

本文選擇使用了西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的NX 10.0（又稱為UG 10.0），并利用Visual Studio 2015進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中舵面的動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)。首先，選取CAD模型中需要進(jìn)行設(shè)置的旋轉(zhuǎn)部件，并利用NX自帶的函數(shù)庫(kù)中按名稱查找特征的函數(shù);其次，通過(guò)活動(dòng)部件的名稱查找所需部件特征并賦值給相應(yīng)的變量，再利用特征旋轉(zhuǎn)函數(shù)控制活動(dòng)部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn);最后，利用旋轉(zhuǎn)視圖的函數(shù)控制整體模型視圖的旋轉(zhuǎn)。對(duì)于不同飛行器目標(biāo)，活動(dòng)部件位置可能不相同，但本文方法可推廣任意模型的設(shè)置，具有普適性。活動(dòng)部件幾何建模示意圖如圖2所示。

2 一體化電磁散射計(jì)算

飛行器目標(biāo)一般尺寸較大，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在高頻頻段屬于電大尺寸目標(biāo)，而且散射機(jī)理較為復(fù)雜，若采用高精度數(shù)值算法進(jìn)行分析計(jì)算，一方面對(duì)模型處理要求較高，另一方面計(jì)算周期往往非常漫長(zhǎng)，且對(duì)計(jì)算資源要求較高，難以滿足工程化、實(shí)時(shí)性要求;若采用高頻計(jì)算方法，如物理光學(xué)法（physical optics，PO），彈跳射線法（shooting and bouncing ray，SBR），現(xiàn)有商業(yè)軟件或成熟算法往往忽略邊緣繞射、部件間多次散射以及目標(biāo)上的腔體結(jié)構(gòu)的散射，計(jì)算精度不高，而且在分析時(shí)需要幾何模型導(dǎo)入導(dǎo)出，缺乏一體化分析計(jì)算環(huán)境，制約了工程化應(yīng)用。

為確保分析的可靠性，本文采用以UG（Unigraphics）建模軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，集成了圖形電磁計(jì)算（graphical electromagnetic computing，GRECO）方法、增量長(zhǎng)度繞射系數(shù)（incremental length diffraction coefficients，ILDC）及彈跳射線法（SBR）的一體化電磁計(jì)算工具進(jìn)行仿真計(jì)算，本文方法具有計(jì)算速度快、精度高的特點(diǎn)，能夠滿足復(fù)雜目標(biāo)電磁散射計(jì)算的需要的特點(diǎn)。本文方法的具體實(shí)現(xiàn)算法可參考文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]。

3 計(jì)算分析

不同活動(dòng)部件偏轉(zhuǎn)不同角度，對(duì)整體飛行器的RCS影響均會(huì)有不同，為全面分析不同活動(dòng)部件及其偏轉(zhuǎn)不同角度的影響，分別在飛機(jī)0°（機(jī)頭方向）、90°（機(jī)身側(cè)向）和180°（尾后方向）對(duì)不同活動(dòng)部件的后向RCS進(jìn)行計(jì)算仿真，計(jì)算頻率為9.5GHz，極化為水平極化。結(jié)果如圖3～圖5所示。

由仿真計(jì)算結(jié)果可以看出在雷達(dá)入射波向機(jī)頭方向入射時(shí)，副翼偏轉(zhuǎn)和升降舵對(duì)于RCS的影響較大，而方向舵偏轉(zhuǎn)對(duì)于RCS的影響極小;在雷達(dá)入射波向機(jī)身方向入射時(shí)，副翼偏轉(zhuǎn)和升降舵偏轉(zhuǎn)對(duì)于RCS的影響極小，而方向舵偏轉(zhuǎn)對(duì)于RCS的影響較大;在雷達(dá)入射波向機(jī)尾方向入射時(shí)，副翼偏轉(zhuǎn)和升降舵偏轉(zhuǎn)對(duì)于RCS的影響較大，方向舵偏轉(zhuǎn)對(duì)于RCS的影響極小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)飛行器目標(biāo)上活動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)對(duì)RCS的影響問(wèn)題，從幾何建模、一體化電磁散射計(jì)算方法上進(jìn)行研究，對(duì)不同照射情況下不同活動(dòng)部件偏轉(zhuǎn)對(duì)目標(biāo)整體RCS的影響進(jìn)行計(jì)算分析，本文研究成果可對(duì)電磁散射動(dòng)態(tài)建模和目標(biāo)動(dòng)、靜態(tài)電磁散射一致性分析提供有效支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 齊玉濤，張馨元，林剛，等.飛機(jī)目標(biāo)動(dòng)態(tài)RCS仿真技術(shù)研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2019，34（01）：97—103.

[2] 蘇東林，曾國(guó)奇，劉焱，等.運(yùn)動(dòng)目標(biāo)RCS特性分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32（12）：1413-1417.

[3] 張晨新，莊亞強(qiáng)，張小寬，等.動(dòng)目標(biāo)雷達(dá)散射截面的建模研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2014，16（12）：66-69.

[4] 劉萬(wàn)萌，童創(chuàng)明，王童，等.飛機(jī)運(yùn)動(dòng)特征對(duì)雷達(dá)檢測(cè)性能的影響分析[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，21（1）：7-12.

[5] 李金梁，曾勇虎，周波，等.飛機(jī)目標(biāo)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)量姿態(tài)一致性[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，29（9）：453-457.

[6] 李建周，許家棟，郭陳江，等.一體化雷達(dá)散射截面計(jì)算方法研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，21（4）：449-452.

[7] 李建周，吳昌英，鄭奎松，等.考慮多次散射的復(fù)雜目標(biāo)一體化電磁散射計(jì)算[J].微波學(xué)報(bào)，2012（s2）：6-10.