謝擁軍, 高 杰,*, 武沛羽, 牛立強(qiáng)

(1. 北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院, 北京 100191;2. 泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院, 山東 泰安 271000)

0 引 言

復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的一個(gè)顯著特點(diǎn)是多輻射源的同時(shí)存在。戰(zhàn)場(chǎng)上的雷達(dá)目標(biāo)除了探測(cè)雷達(dá)的照射,同頻段的有意或無(wú)意的電子對(duì)抗、通信、導(dǎo)航等信號(hào)也可能照射到雷達(dá)目標(biāo)上,或直接進(jìn)入雷達(dá),這一類多輻射源一般為非相干信號(hào)。而有意識(shí)利用的多輻射源,如分布式相參雷達(dá)技術(shù)、有源對(duì)消隱身技術(shù)等對(duì)于雷達(dá)目標(biāo)的照射則為相干信號(hào)。因此,多輻射源照射下雷達(dá)目標(biāo)散射特性的研究對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下雷達(dá)探測(cè)、分布式相參雷達(dá)設(shè)計(jì)和有源對(duì)消隱身設(shè)計(jì)技術(shù)等都具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用前景。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)目標(biāo)的電磁散射特性及其雷達(dá)散射截面(radar cross section, RCS)進(jìn)行了大量的研究,但很多是從提高運(yùn)算效率方面進(jìn)行研究,如矩量法、有限元法、物理光學(xué)法、時(shí)域有限差分法等,研究目標(biāo)的形狀、材質(zhì)、表面粗糙度、電磁波的頻率和極化特性對(duì)目標(biāo)RCS的影響。有學(xué)者采用目標(biāo)形狀的隨機(jī)性研究了目標(biāo)RCS的隨機(jī)特性。有源隱身是解決目標(biāo)隱身問題最直接最有效的方法,以上均未解決目標(biāo)在多輻射源照射下其電磁散射特性問題。文獻(xiàn)[16-17]率先在國(guó)內(nèi)開展了目標(biāo)半空間RCS的研究,通過(guò)采用圖形電磁學(xué)結(jié)合物理光學(xué)法計(jì)算方法,研究了半空間目標(biāo)的RCS,解決了低空目標(biāo)電磁隱身問題。近年來(lái),有些國(guó)際學(xué)者利用信噪比,從功能上研究了目標(biāo)雷達(dá)回波功率。但是,未從信號(hào)級(jí)目標(biāo)多輻射源電磁散射特性方面給出具體的仿真和計(jì)算方法。

綜上所述,雖然很多研究者都已關(guān)注多輻射源對(duì)于目標(biāo)特性的影響,但還沒有一個(gè)嚴(yán)格定義的定量化參數(shù),可用于雷達(dá)、隱身和電子干擾的設(shè)計(jì),尤其是對(duì)于多相干信號(hào)源照射的情況。因此,針對(duì)這一需求,文獻(xiàn)[32-35]初步形成了有源RCS(active RCS, ARCS)的理論和應(yīng)用成果,本文中也將系統(tǒng)介紹。本文為ARCS概念的綜述論文,首先給出了多輻射源情況下雷達(dá)目標(biāo)散射特性——ARCS參數(shù)的定義、仿真計(jì)算方法,并介紹了分布式相參雷達(dá)系統(tǒng)中多相干信號(hào)同時(shí)照射下雷達(dá)接收到的目標(biāo)ARCS特性的仿真分析,以及如何應(yīng)用ARCS來(lái)進(jìn)行有源對(duì)消隱身設(shè)計(jì)。

1 ARCS的定義和仿真方法

1.1 ARCS的定義

當(dāng)同一目標(biāo)體受到除雷達(dá)輻射源之外的其他輻射源照射時(shí),與固有雷達(dá)波照射目標(biāo)作用在目標(biāo)體產(chǎn)生調(diào)制效應(yīng)而造成的散射特性與目標(biāo)體固有散射特性不同。復(fù)雜電磁環(huán)境中,目標(biāo)體除了受到固有雷達(dá)發(fā)射的電磁波照射外,還受到同頻干擾機(jī)發(fā)射的電磁波照射,同時(shí)目標(biāo)體表面的用頻設(shè)備也會(huì)主動(dòng)輻射電磁波,目標(biāo)體表面產(chǎn)生的感應(yīng)電流是由固有雷達(dá)和多輻射源輻射的電磁波共同作用引起的。這種由非合作輻射源(同頻段的目標(biāo)體外其他雷達(dá)、通訊設(shè)備以及目標(biāo)體上的用頻設(shè)備)輻射的信號(hào)與目標(biāo)體相互作用后,與探測(cè)雷達(dá)照射飛機(jī)的表面電流共同形成空間二次輻射,這種視在的RCS,對(duì)應(yīng)于單個(gè)雷達(dá)照射下的目標(biāo)的RCS,稱為ARCS。

根據(jù)以上描述,目標(biāo)體ARCS的定義式為

(1)

式中:′為目標(biāo)的ARCS;為雷達(dá)接收天線處目標(biāo)散射回波的電場(chǎng); 為由雷達(dá)輻射的電磁波在目標(biāo)處的入射場(chǎng)強(qiáng);為目標(biāo)與雷達(dá)的距離,當(dāng)趨于無(wú)窮大時(shí)表示雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件,此時(shí)的電磁波具有平面波的性質(zhì),消除了距離對(duì)雷達(dá)散射截面的影響。

目標(biāo)的ARCS示意圖如圖1所示,與目標(biāo)RCS(單站RCS)不同的是,這里的是雷達(dá)、多輻射源、目標(biāo)上有源設(shè)備輻射的電磁波共同與目標(biāo)體作用后產(chǎn)生的散射回波和天線直射波在雷達(dá)天線接收處形成的電場(chǎng),圖1中 為多輻射源輻射的電磁波在目標(biāo)處的入射電場(chǎng)。

圖1 ARCS兩種情況示意圖Fig.1 Two cases of schematic about ARCS

根據(jù)其定義,目標(biāo)體的ARCS除了與目標(biāo)的材料、幾何參數(shù)和物理參數(shù)、入射雷達(dá)波的參數(shù)、目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的姿態(tài)角有關(guān)外,多輻射源參數(shù)也起著非常重要的作用。

1.2 ARCS的仿真方法

在具體計(jì)算過(guò)程中,采用遠(yuǎn)場(chǎng)量(具有電壓的單位)來(lái)求解場(chǎng)點(diǎn)的散射場(chǎng),為場(chǎng)點(diǎn)處距目標(biāo)的距離與此處電場(chǎng)的乘積,這個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)量由仿真軟件直接計(jì)算可以得出,則場(chǎng)點(diǎn)處的散射電場(chǎng)為

(2)

將式(2)代入式(1)可得

(3)

由此可以看出,基于多輻射源的ARCS的值與散射場(chǎng)和入射場(chǎng) 有關(guān),式(3)與距離無(wú)關(guān),簡(jiǎn)化了計(jì)算流程。下面給出了具體求解目標(biāo)的ARCS時(shí)的流程。

(1) 繪制或?qū)肽繕?biāo)的三維模型。

(2) 設(shè)置仿真條件。設(shè)置材料屬性,即目標(biāo)材質(zhì),如鐵,鋁,鋅等;設(shè)置邊界條件;設(shè)置仿真頻率;設(shè)置激勵(lì)源,在多輻射ARCS仿真中,雷達(dá)入射波和多輻射源入射波均可以被設(shè)置為平面波、球面波、柱面波等;按要求設(shè)置入射波的方向、極化方式和初相位;設(shè)置天線的饋電相位和功率參數(shù);設(shè)置目標(biāo)的輻射方向,選擇目標(biāo)體散射的方向角。

(3) 計(jì)算得到目標(biāo)的遠(yuǎn)場(chǎng)。

(4) 利用式(3)計(jì)算得到基于多輻射源的目標(biāo)的ARCS。

2 多輻射源照射下雷達(dá)ARCS仿真分析

2.1 ARCS和RCS的一致性

為了在不同的應(yīng)用中使用ARCS的概念,有必要論證ARCS和RCS的一致性。在文獻(xiàn)[32]中ARCS的概念通過(guò)一個(gè)金屬圓柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行的仿真驗(yàn)證,仿真結(jié)果如圖2所示。入射波 和 為頻率是1 GHz的平面波, 在平面上朝著軸斜向下入射, 為多輻射源,設(shè)置 =0驗(yàn)證上面所提ARCS的計(jì)算方法與RCS的計(jì)算的一致性。是目標(biāo)的散射場(chǎng),金屬圓柱的半徑和高分別為0.75 m和1.5 m。

圖2 金屬圓柱模型的在不同Ei M照射下RCS和ARCSFig.2 RCS and ARCS with different Ei M of the metal cylinder structure

當(dāng)為0°和90°時(shí),ARCS最大為26.32 dB和16.28 dB,這是由于電磁波垂直入射時(shí)鏡面反射在后向散射中起著重要的作用。當(dāng)=90°時(shí),RCS和ARCS之間的誤差小于0.1 dB,在整個(gè)角度范圍內(nèi),RCS和ARCS的平均誤差為0.07 dB,因此RCS與ARCS具有高度的一致性。

2.2 入射源相干與非相干條件下的ARCS比較

為了進(jìn)一步證明相干和非相干分布在不同相位的特性,在文獻(xiàn)[32]中,采用一個(gè)理想導(dǎo)體棱臺(tái)模型為例計(jì)算。棱臺(tái)模型參數(shù)如圖3所示,上下地面為邊長(zhǎng)分別是0.3 m和1.5 m的正方形,模型高為1.5 m, 和 與上面仿真計(jì)算設(shè)置相同。

棱臺(tái)模型在多輻射源與雷達(dá)波相位之間存在同相、反相以及90°相位差的相干干擾和非相干干擾時(shí)的模型的ARCS如圖3所示。

圖3 棱臺(tái)模型的相干干擾與非相干干擾Fig.3 Coherent external disturbances and incoherent external disturbances of the prismatic model

可以看出,相干干擾與非相干干擾影響差別很大,在計(jì)算非相干干擾沒有考慮電場(chǎng)的相位,當(dāng)雷達(dá)和多輻射源的后向散射場(chǎng)回波有相同的極化方式和相位時(shí),總場(chǎng)的后向散射會(huì)顯著增強(qiáng),當(dāng)極化方式相同,相位相反,后向散射場(chǎng)減少。

分布式相參雷達(dá)利用多個(gè)雷達(dá)接收信號(hào)之間的相參合成處理,用于目標(biāo)探測(cè),雷達(dá)接收端的視在RCS也是雷達(dá)回波信號(hào)與多輻射源回波信號(hào)的相參合成。因此,這種情況下用于設(shè)計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)的雷達(dá)方程中的RCS為典型的ARCS。圖4為飛機(jī)模型在不用角度入射的多輻射源與雷達(dá)信號(hào)相參情況下的目標(biāo)的ARCS計(jì)算結(jié)果,其中理想導(dǎo)體的飛機(jī)模型尺寸大約為1.9 m×1.3 m,雷達(dá)波入射方向從下朝著軸正上方入射,多輻射源入射角度分別與軸負(fù)半軸成0°,30°,60°以及90°夾角,兩種入射具有相同的相位。可以看出,不同角度入射的多輻射源與相同的雷達(dá)信號(hào)相參對(duì)于目標(biāo)電磁散射也會(huì)帶來(lái)巨大的改變。

圖4 飛機(jī)模型在不同角度入射的多輻射源照射下的ARCSFig.4 ARCS of aircraft mode lirradiated by multiple-radiators at different incident angles

3 應(yīng)用ARCS概念進(jìn)行有源對(duì)消隱身的仿真分析

空間中的兩個(gè)信號(hào)可能會(huì)產(chǎn)生相干干擾,從而使得合成信號(hào)變得更強(qiáng)或者更弱,有源對(duì)消利用目標(biāo)的散射特性,利用目標(biāo)本身自帶的有源設(shè)備設(shè)計(jì)對(duì)消信號(hào),通過(guò)對(duì)消信號(hào)和雷達(dá)回波信號(hào)之間的干擾抵消來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)在特定方向散射場(chǎng)的減少。實(shí)際上,這是雷達(dá)照射波和目標(biāo)上的對(duì)消輻射源共同對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射,造成雷達(dá)接收端的視在RCS恰好可以用ARCS描述。有源對(duì)消是ARCS概念的有一個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景,下文以一個(gè)飛機(jī)模型為例,在飛機(jī)模型上安裝兩個(gè)單級(jí)子天線,當(dāng)目標(biāo)被雷達(dá)信號(hào)照射的時(shí)候,目標(biāo)表面的天線向著四周輻射能量,通過(guò)控制天線饋電的功率的大小以及相位特性,實(shí)現(xiàn)在朝著雷達(dá)方向上的散射場(chǎng)的減小,而用ARCS的概念可以用來(lái)評(píng)估有源對(duì)消的效果。

兩個(gè)單級(jí)子天線被放置在飛機(jī)模型正上方中間位置,如圖5所示,其中 和 分別是雷達(dá)波的入射電場(chǎng)和朝著雷達(dá)方向的散射場(chǎng),雷達(dá)波與天線工作頻率均為1 GHz,雷達(dá)波入射方向?yàn)榇怪陛S向下,入射電場(chǎng)幅值為1 V/m。通過(guò)天線相位特征研究在不同天線饋電功率下使得朝著雷達(dá)方向的散射場(chǎng)最小?，F(xiàn)將天線的功率分別設(shè)置為0.000 1 W, 0.001 W, 0.01 W和0.1 W進(jìn)行計(jì)算討論,在兩個(gè)單級(jí)子天線中,其中一個(gè)天線的相位設(shè)置為180°,另外一個(gè)天線的相位從0°～360°設(shè)計(jì)成一個(gè)間隔為5°的變量,通過(guò)計(jì)算在天線不同相位和不同功率下目標(biāo)的ARCS,得到一種使得朝著雷達(dá)方向散射場(chǎng)減少最多的情形。

圖5 天線不同功率激勵(lì)時(shí)隨著天線相位變化的飛行器模型 ARCS計(jì)算結(jié)果Fig.5 ARCS of aircraft model with antenna phase variation under different antenna feed power

當(dāng)天線沒有激勵(lì)的時(shí)候,雷達(dá)入射波照射目標(biāo)時(shí)單站RCS為19.27 dB,圖5給出了在天線不同功率與相位下目標(biāo)的ARCS的計(jì)算結(jié)果。在天線功率分別為0.000 1 W, 0.001 W, 0.01 W 和0.1 W時(shí),飛行器的ARCS最小分別為18.44 dB, 16.32 dB,-0.94 dB和18.54 dB,此時(shí)天線饋電的相位分別為350°, 350°, 345°和190°,與天線未激勵(lì)時(shí)目標(biāo)的RCS相比,ARCS分別減少了0.83 dB, 2.95 dB, 20.21 dB和0.73 dB。

在有源對(duì)消的設(shè)計(jì)中,雷達(dá)接收端計(jì)算的視在RCS中的散射場(chǎng)包括雷達(dá)、多輻射源、目標(biāo)上有源設(shè)備輻射的電磁波共同與目標(biāo)體作用后產(chǎn)生的散射回波和天線直射波在雷達(dá)天線接收處形成的電場(chǎng)。從圖5的結(jié)果可以看出,在一定范圍內(nèi),隨著天線饋電功率的增大,ARCS值減小幅度較大。當(dāng)天線功率增加到一定程度時(shí),天線輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大,導(dǎo)致有源對(duì)消效果不佳。該有源對(duì)消設(shè)計(jì)與評(píng)估方法對(duì)于較大RCS的目標(biāo)更有效。

4 結(jié)束語(yǔ)

目標(biāo)處在復(fù)雜電磁環(huán)境中會(huì)受到外界多輻射源以及自身用頻設(shè)備的干擾,基于評(píng)估此時(shí)目標(biāo)電磁散射特性變化的要求,提出來(lái)ARCS的概念。本文綜述了ARCS的定義、仿真方法和應(yīng)用示例,通過(guò)計(jì)算雷達(dá)端的視在RCS數(shù)值評(píng)估目標(biāo)在受到多輻射源以及自身有源設(shè)備干擾時(shí)的電磁散射特性,利用ARCS定量討論了相干干擾與非相干干擾對(duì)于目標(biāo)電磁散射的影響,并給出了有源對(duì)消的示例,用ARCS評(píng)估有源對(duì)消的效果,對(duì)于雷達(dá)隱身具有重要的意義。

隨著雷達(dá)設(shè)備的發(fā)展,ARCS的概念可以應(yīng)用到更多的雷達(dá)體制中,這種相參合成的理念在雷達(dá)的多發(fā)單收、單發(fā)多收以及多發(fā)多收等方面都有著較多的應(yīng)用。另外,現(xiàn)階段針對(duì)高頻的有源對(duì)消實(shí)現(xiàn)還較為困難,隨著技術(shù)以及電子設(shè)備的發(fā)展,針對(duì)中高頻雷達(dá)的有源對(duì)消這一研究方向必將有著飛速發(fā)展,不僅僅局限于利用天線實(shí)現(xiàn)有源對(duì)消,未來(lái)在隱身飛行器表面進(jìn)行電磁能量和相位感知,利用不同有源設(shè)備對(duì)于來(lái)波方向的電磁能量進(jìn)行消除,利用ARCS定量評(píng)估有源對(duì)消的結(jié)果,為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的雷達(dá)隱身提供更多的方法。