章 輝，陳召濤，許盼福

（南京模擬技術研究所，江蘇 南京 210016）

靶機作為構設空軍藍軍的關鍵要素，廣泛應用于軍隊的武器裝備試驗及軍事訓練，從武器裝備考核出發(fā)，要求空中靶機雷達散射特性與真實敵機盡可能相近。作為訓練耗材，靶機尺寸通常小于常規(guī)敵機，因而靶機自身的RCS 比真實敵機要小。為了更加準確地模擬真實敵機的RCS特性，在靶機機頭和翼下掛載了可變RCS的龍勃透鏡，以此模擬真實敵機周向RCS起伏特性。

龍勃透鏡的概念于1944 年被R.K.Luneberg 提出。經過幾十年的技術更新后，這種具備低制造成本、高增益的非均勻介質球被廣泛應用于航空、航海等領域[1-7]。但目前靶機掛載的龍勃透鏡一般為固定龍勃透鏡，即球體和反射面連成一體，用于RCS 增強時，只能定向增強，調整起伏特性時須重新拆裝，更換不同尺寸龍勃透鏡費時費力。針對目前龍勃透鏡用作RCS定向增強時使用不便等問題，本文提出了1種反射面可調的龍勃透鏡，通過控制反射面來徑向移動實現靶機RCS 數值的變化。相較傳統(tǒng)固定龍勃透鏡的安裝方式，此種方式可以根據不同敵機的RCS數值及起伏特性，自由組合各龍勃透鏡反射面徑向位置和所在方位，使掛載可調RCS龍勃透鏡的靶機能更加真實地模擬敵機的RCS 特性，且具備無須重新拆裝、使用簡便等優(yōu)點。

1 可變RCS龍勃透鏡特性

龍勃透鏡一般由不同介電常數發(fā)泡材質組成的介質球、反射面2 部分組成。入射電磁波經過介質球折射后匯聚于反射面，之后形成強的后向散射，龍勃透鏡便具備了RCS增強效果。

1.1 龍勃透鏡本體RCS特性

龍勃透鏡包括介質球、反射面2 部分，詳見圖1。通過改變反射面相對多層介質球的徑向位置，可實現龍勃透鏡RCS 起伏特性的調節(jié)。介質球材料屬性為發(fā)泡材質聚氨基甲酸酯，反射面為金屬面。

圖1 龍勃透鏡構型Fig.1 Structure of Luneberg lens

介質球由介電常數依次改變的多層介質層組成，示例3層介質球由內部介質層、中間介質層、外部介質層組成，相對介電常數依次為1.96、1.79 和1.48，球體半徑依次為22 mm、36 mm 和52 mm。初始狀態(tài)介質球和金屬反射面相距8 mm，金屬面構成的球體半徑為60 mm，金屬面覆蓋區(qū)域對應的球心角為120°。通過電磁散射仿真軟件進行建模、網格劃分，并進行相關計算參數設置。為方便計算，模型略去相關調節(jié)機構，取對RCS占主要貢獻的球體和反射面進行網格劃分，網格如圖2所示。

圖2 龍勃透鏡模型網格Fig.2 Mesh of Luneberg lens model

仿真參數設置為X 波段（10 GHz），俯仰角為-10°、0°、10°，極化方式為VV 極化。由于龍勃透鏡具有對稱性，方位角取一半計算，即0°～90°，具體角度定義參照軟件說明[8-15]。計算采用MLFMM 快速多層多極子方法，計算后繪制龍勃透鏡的起伏特性曲線如圖3所示。

圖3 不同俯仰角下龍勃透鏡RCS對比圖Fig.3 Comparison of RCS of Luneberg lens at different pitch angles

在-10°～10°俯仰角下的龍勃透鏡RCS起伏特性曲線幾乎重合，表明在此俯仰角域區(qū)間內，龍勃透鏡的增強效果具有一致性，且可實現±55°角域內的穩(wěn)定增強，也驗證了龍勃透鏡在實際應用中可實現穩(wěn)定大角域范圍增強。

表1匯總了前向±30°角域內的RCS均值。龍勃透鏡本體反射面未徑向移動，角域為前向±30°，俯仰角為-10°～10°，RCS均值為1.539 m2。

表1 龍勃透鏡不同俯仰角下前向±30°的RCS均值Tab.1 RCS mean values for forward ±30°of Luneberg lens at different pitch angles

1.2 龍勃透鏡反射面調節(jié)時RCS特性

當反射面沿著遠離球體方向向外徑向移動時，入射電磁波經過介質球折射后并非匯聚于反射面。因此，其RCS散射特性會發(fā)生改變。在初始位置上反射面沿徑向后移5 mm、10 mm、20 mm這3 種狀態(tài)，為了方便觀察略去了調節(jié)機構，移動后狀態(tài)圖，如圖4所示（3種狀態(tài)分別標注為1、2和3）。

圖4 反射面移動狀態(tài)Fig.4 Movement state of reflecting surface

取俯仰角為0°，計算狀態(tài)同龍勃透鏡初始狀態(tài)，RCS曲線如圖5所示。

圖5 龍勃透鏡反射面在不同位置時RCS對比Fig.5 Comparison of reflection surface of Luneberg lens at different positions

當反射面向遠離介質球方向移動后，龍勃透鏡的雷達散射強度和強散射區(qū)域都發(fā)生了改變，移動后龍勃透鏡的RCS強度減小了，強散射區(qū)域也縮小了。當反射面沿徑向移動20 mm 后，穩(wěn)定增強的角域從±55°縮小到±40°。

前向±30°RCS平均值匯總如表2所示。

表2 龍勃透鏡反射面在不同位置前向±30°的RCS均值Tab.2 RCS mean values for forward ±30° of reflecting surface of Luneberg lens at different positions

文中的龍勃透鏡反射面移動20 mm后，前向±30°角域內RCS均值從1.544 m2減小到0.419 m2。這也證明：反射面的移動可以改變單個龍勃透鏡3 dB波束寬度和RCS均值。

2 靶機掛載龍勃透鏡RCS特性

根據模擬敵機的RCS起伏特性需求，可在靶機頭部、翼下布置可調RCS 龍勃透鏡。實戰(zhàn)中，可通過實時調節(jié)龍勃透鏡反射面的位置來實現靶機RCS 值的改變，從而達到迷惑地面防空武器的效果[16-20]。靶機掛載可變RCS龍勃透鏡時，選取多個反射面不同方位角和徑向移動量的組合，可模擬出不同敵機的RCS特性曲線，為地面防空作戰(zhàn)提供高逼真度的訓練靶機。

2.1 靶機掛載龍勃透鏡RCS計算狀態(tài)

目前，機體前向和后向RCS增強是軍方的一大需求。作為前期研究，本文將靶機掛載龍勃透鏡后RCS研究的角域取前向±30°，后向角域研究思路與前向類同。相關靶機外形和計算角域方位圖，如圖6所示，靶機命名為A靶機。

圖6 靶機計算角域Fig.6 Calculation angle domain of drone aircraft

靶機掛載龍勃透鏡仿真參數設置同上述龍勃透鏡模型，靶機尾噴口進行修型處理，仿真設置：靶機表面為電良導體，計算中勾選“Combined field”選項，其余設置同龍勃透鏡模型。

2.2 靶機前向增強時RCS起伏特性

可變RCS 龍勃透鏡的掛載模式為頭部1 枚，兩側翼下各1枚，具體模型如圖7所示。

圖7 靶機前向增強模型Fig.7 Forward RCS enhancement model of drone aircraft

文中對比研究了靶機未掛載龍勃透鏡和掛載龍勃透鏡時反射面正對機頭無徑向移動和反射面正對機頭徑向后移動10 mm、20 mm相應狀態(tài)下的RCS特性，特性曲線匯總如圖8 所示。靶機掛載可調龍勃透鏡后，RCS起伏特性曲線與單獨龍勃透鏡反射面徑向后移的變化規(guī)律一致，隨著龍勃透鏡反射面徑向后移，靶機前向RCS 增強效果減弱。這也證明：通過反射面的徑向移動可實現掛載可變RCS 龍勃透鏡靶機RCS起伏特性曲線改變。

圖8 反射面不同徑向位置靶機前向±30°RCS起伏曲線Fig.8 RCS fluctuation curve for forward±30°of drone aircraft at different positions of reflection surface

前向增強狀態(tài)下RCS均值見表3。靶機裸機前向±30°RCS 均值為0.021 4 m2，掛載龍勃透鏡反射面后移20 mm 時前向±30°RCS 均值為1.275 m2，反射面未后移時前向±30°RCS 均值為4.509 m2。說明反射面的不同徑向移動組合可實現A靶機前向±30°RCS均值在0.021 4～4.50 9 m2內可調。

表3 靶機前向增強狀態(tài)下前向±30°的RCS均值Tab.3 RCS mean values for±30°forward of drone aircraft at forward enhancement mode

2.3 MQ-1前向起伏特性的擬合

美國MQ-1 無人機是一款高空長航時察打一體無人機，是各國軍事競賽中的強大作戰(zhàn)武器[21]。MQ-1 無人機機長8.75 m，翼展14.85 m，而靶機長為3 m，翼展為1.6 m。為了更加貼近該型無人機的RCS起伏特性，靶機在機頭和翼下掛載可變RCS 龍勃透鏡，機頭龍勃透鏡反射面正對機頭，翼下兩側的龍勃透鏡反射面正對兩側，反射面無徑向后移。MQ-1 無人機和靶機如圖9所示。

圖9 2種機型模型Fig.9 Two aircraft models

利用仿真軟件計算MQ-1 無人機和靶機RCS 前向起伏特性。仿真時，參數設置為C波段（5.6 GHz），俯仰角為0°，極化方式為VV 極化，計算角域為前向±30°。MQ-1 機體尺寸較大，劃分網格數目為77萬。為了快速計算，采用PO方法，靶機掛載龍勃透鏡計算采用MLFMM方法。

RCS起伏特性仿真曲線如圖10所示。

圖10 MQ-1無人機和靶機前向RCS起伏曲線對比Fig.10 RCS fluctuation curve for forward±30°of MQ-1 UAV and drone aircraft

當靶機未掛載龍勃透鏡時，由于機體尺寸上的差異，靶機的RCS 起伏曲線遠低于MQ-1 無人機本體；當靶機掛載龍勃透鏡后，除在前向±5°內，MQ-1 無人機RCS存在較強散射，有3個尖峰，其余方位角內掛載龍勃透鏡靶機RCS 曲線和MQ-1 無人機的可基本吻合。RCS 統(tǒng)計均值如表4 所示。靶機本體RCS 均值為0.024 9 m2，遠小于MQ-1 無人機的0.513 m2。掛載可變RCS 龍勃透鏡靶機RCS 的均值為0.516 m2，與MQ-1 誤差小于1%。兩者起伏特性曲線和RCS 均值相吻合，從原理也可說明靶機掛載可變RCS龍勃透鏡模擬作戰(zhàn)飛機方法是可行的。

表4 MQ-1無人機和靶機前向±30°的RCS均值Tab.4 RCS mean values for ±30°of MQ-1 UAV and drone aircraft

3 結束語

本文分析了反射面沿徑向移動的可調RCS 龍勃透鏡的RCS 起伏特性，對比分析了A 靶機掛載可變RCS 龍勃透鏡時的前向RCS 起伏特性。計算結果驗證了反射面的徑向后移可降低靶機的RCS 數值。因為反射面沿徑向后移，雷達波匯集于發(fā)射面之前，反射波回波強度變弱。

靶機掛載可變RCS龍勃透鏡時，選取反射面不同徑向值的組合，可模擬出不同作戰(zhàn)飛機的RCS特性曲線。本文采用靶機掛載可變RCS 龍勃透鏡對美軍MQ-1無人機前向RCS起伏特性進行了模擬，為采用靶機掛載可變RCS 龍勃透鏡模擬作戰(zhàn)飛機RCS 起伏特性奠定了基礎。