李強(qiáng)兵，劉桂山，熊傳志

(中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

無人潛航器從20世紀(jì)60年代的遙控潛器到無人無纜、具有自主功能的AUV（autonomous underwater vehicle），經(jīng)歷了長(zhǎng)足發(fā)展[1]。無人潛航器（UUV）可搭載各種傳感器和任務(wù)載荷，執(zhí)行特定的使命任務(wù)，隨著鋰電池能源技術(shù)、智能控制技術(shù)等發(fā)展，無人潛航器在海洋環(huán)境調(diào)查與研究、海底管道與電纜維護(hù)、海洋通信中繼、水下目標(biāo)偵察與監(jiān)視、反水雷、水聲對(duì)抗、時(shí)敏打擊等軍事和民用領(lǐng)域應(yīng)用越來越多[2]。相對(duì)于潛艇、水面艦艇等有人平臺(tái)，無人潛航器由于其結(jié)構(gòu)尺寸、材料、推進(jìn)技術(shù)等綜合隱身性能優(yōu)，作為一種海上力量倍增器[3]，可以極大地利用隱身性好的優(yōu)勢(shì)從而顯著提高其生存力和戰(zhàn)斗力。

無人潛航器布放入水后戰(zhàn)場(chǎng)情況可能瞬息萬變，若無人潛航器執(zhí)行任務(wù)期間全程保持通信緘默，僅根據(jù)任務(wù)計(jì)劃執(zhí)行任務(wù)，無法體現(xiàn)無人潛航器機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，難以充分發(fā)揮無人潛航器的作戰(zhàn)效能。無人潛航器執(zhí)行任務(wù)時(shí)面臨的導(dǎo)航與通信需要主要包括：1)需要定期上浮獲取衛(wèi)星定位信息和授時(shí)信號(hào)，用于時(shí)統(tǒng)和慣性導(dǎo)航裝置校準(zhǔn)消除導(dǎo)航誤差；2）需要定時(shí)定點(diǎn)或緊急回傳任務(wù)信息和自身狀態(tài)信息，使后方指揮中心及時(shí)掌握戰(zhàn)場(chǎng)情況和航行器自身運(yùn)行情況，為其判斷決策提供支撐；3)指揮中心需要指揮無人潛航器，變更任務(wù)、下達(dá)指令或傳輸情報(bào)/戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)；4 )無人潛航器需要與其他無人潛航器、水面艦艇、潛艇、飛機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同通信，共同執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)[4]。

目前探測(cè)無人潛航器可以分為噪聲特性探測(cè)、電場(chǎng)特性探測(cè)、磁場(chǎng)特性探測(cè)、水聲目標(biāo)強(qiáng)度探測(cè)、雷達(dá)散射特性探測(cè)等[5]，無人潛航器隱身性能研究主要集中在噪聲特性、電場(chǎng)特性、磁場(chǎng)特性、水聲目標(biāo)強(qiáng)度四4個(gè)方面，對(duì)無人潛航器雷達(dá)散射特性相關(guān)研究開展較少。隨著無人潛航器越來越多用于在無制海權(quán)和制空權(quán)的防區(qū)外執(zhí)行任務(wù)，無人潛航器水面或近水面航行時(shí)若被敵反潛飛機(jī)探測(cè)到的概率和被摧毀概率高于無人潛航器在水中航行，因此應(yīng)對(duì)無人潛航器雷達(dá)散射特性隱身性能進(jìn)行研究與分析。無人潛航器導(dǎo)航通信桅桿是無人潛航器在水面導(dǎo)航通信、漂泊待命等任務(wù)階段唯一浮出水面的結(jié)構(gòu)，其雷達(dá)散射特性關(guān)系到無人潛航器使用安全性。

1 雷達(dá)散射特性分析方法

RCS數(shù)值計(jì)算方法主要分成頻域和時(shí)域方法，在工程應(yīng)用中經(jīng)常使用物理光學(xué)法（physical optics，PO），但物理光學(xué)法存在的主要問題是對(duì)尖角、棱邊、凸起等物體表面計(jì)算效果較差，而等效電磁流法可以較好地解決不連續(xù)表面RCS的計(jì)算問題[6]。因此，本文無人潛航器導(dǎo)航通信桅桿雷達(dá)散射特性計(jì)算采用物理光學(xué)法+等效電磁流法的綜合分析方法，通過物理光學(xué)法計(jì)算導(dǎo)航通信桅桿的一次散射，同時(shí)對(duì)導(dǎo)航通信桅桿的棱邊、尖角等表面采用等效電磁流法計(jì)算其電磁散射，最后根據(jù)一次散射和電磁散射的相位疊加合成為無人潛航器導(dǎo)航通信桅桿雷達(dá)散射截面積RCS。

1.1 物理光學(xué)法

物理光學(xué)法的主要依據(jù)是Stratton-Chu散射場(chǎng)積分方程，該方法在高頻場(chǎng)局部性原理的基礎(chǔ)上忽略感應(yīng)電流之間的相互影響，通過入射場(chǎng)單獨(dú)近似地計(jì)算散射體表面感應(yīng)電流。目前主要采用遠(yuǎn)場(chǎng)近似和切平面近似這2種近似方法以簡(jiǎn)化表面感應(yīng)電流的積分運(yùn)算，遠(yuǎn)場(chǎng)近似假設(shè)遠(yuǎn)場(chǎng)觀察點(diǎn)與散射體的距離R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該散射體的三維尺度；切平面近似假定散射體表面電流值為積分面元dS處（理想光滑表面）的電流值，因此R CS平方根的物理光學(xué)表達(dá)式為[7]：

式中：下標(biāo)i和s分別為入射波和散射波；j為正旋場(chǎng)的復(fù)數(shù)表示；為電磁波入射方向的單位矢量；為散射方向的單位矢量；為散射體表面的外法向矢量；為電極化方向的單位矢量；為 磁場(chǎng)極化方向的單位矢量；k=2π/λ為自由空間波數(shù)，其中λ為波長(zhǎng)；r為散射體表面任意面元dS的位置矢量。

復(fù)雜散射體表面RCS可以通過散射體面元相位疊加合成得到：

采用三角形小平板近似逼近模擬各種形狀的散射體，一個(gè)頂點(diǎn)為P1，P2，P3三角形單元的RCS表達(dá)式為：

式中：r0取邊中點(diǎn)的位置矢量，只要適當(dāng)?shù)亟M織實(shí)體造型點(diǎn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式，就可以通過式(2)和式(3)很方便地用物理光學(xué)法近似計(jì)算復(fù)雜目標(biāo)的RCS，并達(dá)到可視化計(jì)算的目的。

1.2 等效電磁流法

等效電磁流法的基本原理是：在遠(yuǎn)離散射體的焦散區(qū)之外采用PTD計(jì)算尖角、棱邊、凸起等物體表面的等效電流和等效磁流，而焦散區(qū)內(nèi)的等效電流和等效磁流輻射場(chǎng)可以采用輻射積分計(jì)算得出。等效電磁流計(jì)算尖角、棱邊、凸起等物體表面的散射特性表達(dá)式為[8]：

式中：t為強(qiáng)制邊緣單位矢量方向；θ為入射線i與強(qiáng)制邊緣單位矢量方向t的夾角，其他參數(shù)見文獻(xiàn)[9]。

2 通信導(dǎo)航桅桿計(jì)算模型

某型無人潛航器導(dǎo)航通信桅桿上部結(jié)構(gòu)為纖維增強(qiáng)塑料，下部分為不銹鋼金屬材料，內(nèi)部電氣設(shè)備材料主要為增強(qiáng)尼龍、樹脂、增強(qiáng)材料以及絕緣基板，尾部為電纜。纖維增強(qiáng)塑料、增強(qiáng)尼龍、樹脂、增強(qiáng)材料以及絕緣基板、電纜等材料具有很強(qiáng)的透波性不反射雷達(dá)波，因此在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)主要考慮導(dǎo)航通信桅桿下半部份不銹鋼金屬材料的雷達(dá)散射特性，其計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 導(dǎo)航通信桅桿結(jié)構(gòu)示意圖及計(jì)算模型Fig.1 Navigation communication mast structure and calculation model view

3 RCS仿真評(píng)估

3.1 仿真模型

該型無人潛航器在近水面進(jìn)行導(dǎo)航與通信時(shí)導(dǎo)航通信桅桿浮出水面約0.5 m，導(dǎo)航通信桅桿不銹鋼金屬外部分處于海面下，因此計(jì)算時(shí)將導(dǎo)航通信桅桿外表面設(shè)置為海水介質(zhì)的電磁參數(shù)：εr=81，μr=1，σ=4S/m，采用電磁場(chǎng)仿真軟件FEKO計(jì)算導(dǎo)航通信桅桿RCS，導(dǎo)航通信桅桿內(nèi)表面設(shè)置為理想金屬材料。

導(dǎo)航通信桅桿為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，進(jìn)行RCS計(jì)算時(shí)考慮雷達(dá)波入射角θ=0°?90°的情況即可，導(dǎo)航通信桅桿在FEKO中的模型如圖2所示。

圖2 導(dǎo)航通信桅桿仿真模型Fig.2 Sea surface parameter setting and simulation model of navigation communication mast

3.2 計(jì)算內(nèi)容

表1給出了導(dǎo)航通信桅桿的計(jì)算內(nèi)容，包含5個(gè)波段的RCS計(jì)算。

表1 計(jì)算內(nèi)容Tab.1 Calculate content

1）L波段雷達(dá)入射時(shí)的RCS情況

導(dǎo)航通信桅桿在L波段（1.5 GHz）下的RCS仿真結(jié)果如圖3所示。L波段下，導(dǎo)航通信桅桿RCS值在雷達(dá)波垂向沿Z軸入射時(shí)最大，最大值為0.24 m2。

圖3 L波段下的RCS情況Fig.3 RCS situation of navigation communication mast in L-band

2）S波段雷達(dá)入射時(shí)的RCS情況

導(dǎo)航通信桅桿在S波段（3 GHz）下的RCS仿真結(jié)果如圖4所示。S波段下，導(dǎo)航通信桅桿RCS值在雷達(dá)波垂向沿Z軸入射時(shí)最大，最大值為1.3 m2。

圖4 S波段下的RCS情況Fig.4 RCS situation of navigation communication mast in S-band

3）C波段雷達(dá)入射時(shí)的RCS情況

導(dǎo)航通信桅桿在C波段（6 GHz）下的RCS仿真結(jié)果如圖5所示。C波段下，導(dǎo)航通信桅桿RCS值在雷達(dá)波垂向沿Z軸入射時(shí)最大，最大值為2.2 m2。

圖5 C波段下的RCS情況Fig.5 RCS situation of navigation communication mast in C-band

4）X波段雷達(dá)入射時(shí)的RCS情況

導(dǎo)航通信桅桿在X波段（10 GHz）下的RCS仿真結(jié)果如圖6所示。X波段下，導(dǎo)航通信桅桿RCS值在雷達(dá)波垂向沿Z軸入射時(shí)最大，最大值為9.2 m2。

圖6 X波段下的RCS情況Fig.6 RCS situation of navigation communication mast in X-band

5）Ku波段雷達(dá)入射時(shí)的RCS情況

導(dǎo)航通信桅桿在Ku波段（15 GHz）下的RCS仿真結(jié)果如圖7所示。C波段下，導(dǎo)航通信桅桿RCS值在雷達(dá)波垂向沿Z軸入射時(shí)最大，最大值為4.6 m2。

圖7 Ku波段下的RCS情況Fig.7 RCS situation of navigation communication mast in Ku-band

根據(jù)仿真結(jié)果，將RCS值導(dǎo)出處理，結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2和圖8所示。

表2 導(dǎo)航通信桅桿各波段雷達(dá)散射特性仿真計(jì)算值（m2）Tab.2 The RCS value of the navigation communication mast in each frequency band (m2)

圖8 導(dǎo)航通信桅桿表面RCS情況Fig.8 RCS situation on the surface of the navigation communication mast

3.3 強(qiáng)散射源分析

導(dǎo)航通信桅桿的強(qiáng)散射源與雷達(dá)波方位有關(guān)，RCS曲線在圖3～圖7中可以明顯看出峰值方位，強(qiáng)散射源主要在該型無人潛航器導(dǎo)航通信桅桿垂向于Z軸的內(nèi)表面。

4 結(jié) 語

1）本文采用物理光學(xué)法和等效電磁流法結(jié)合的方法，對(duì)無人潛航器導(dǎo)航通信桅桿的雷達(dá)散射特性進(jìn)行分析與研究，通過建立仿真模型進(jìn)行L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段等5個(gè)波段雷達(dá)散射特性計(jì)算，5個(gè)波段下RCS峰值分別為：0.24，1.3，2.2，9.2，4.6，均值分別為0.13，0.15，0.2，0.3，0.2，5個(gè)波段下RCS總均值為0.21。

2）根據(jù)強(qiáng)散射源分析，強(qiáng)散射源主要集中在該型無人潛航器導(dǎo)航通信桅桿垂向于Z軸的金屬內(nèi)表面，后續(xù)設(shè)計(jì)中RCS優(yōu)化應(yīng)考慮盡可能縮小導(dǎo)航通信桅桿內(nèi)表面垂向表面垂向于Z軸的大平面。