葉文娟，朱林寰，蘇飛

（1.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241000；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

1 概述

隨著航空工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性成為了關(guān)注的焦點(diǎn)，然而，飛機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)其電磁散射性能的作用影響非常大，因此，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生的電磁散射性能影響的評(píng)估研究具有非常重要的實(shí)際意義。局部電磁散射評(píng)估技術(shù)是一種高效、便捷、有效的非破壞性檢測(cè)方法，本研究將對(duì)飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)缺陷的局部電磁散射特性測(cè)試評(píng)估流程進(jìn)行概述。

根據(jù)電磁場(chǎng)基礎(chǔ)理論及研究成果可知，電磁散射測(cè)量誤差可表示為：，式中，δ 為實(shí)測(cè)值，δ0為最優(yōu)估計(jì)值（理論值），?δ 為誤差。在IEEE 1507-2007 標(biāo)準(zhǔn)中指出，每個(gè)電磁散射測(cè)試場(chǎng)都有其獨(dú)特性，電磁散射測(cè)試數(shù)據(jù)處理算法不能夠完全覆蓋測(cè)試中所有可能存在的影響因素，必需在電磁散射測(cè)量工程實(shí)踐中不斷完善、改進(jìn)和研究新方法來(lái)處理測(cè)量誤差問(wèn)題。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，通過(guò)誤差分析與估算以提高數(shù)據(jù)的置信度。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法研究，可以準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)缺陷所產(chǎn)生的電磁散射特性，并通過(guò)散射幅度、相位和頻譜等參數(shù)對(duì)缺陷進(jìn)行影響評(píng)估。應(yīng)用局部電磁散射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)、評(píng)估和故障診斷，為飛行安全提供重要支持。本研究的目標(biāo)電磁散射性能測(cè)量采用同地同時(shí)定標(biāo)方式測(cè)量目標(biāo)電磁散射地面平面場(chǎng)，在保證其他誤差影響因素均一致的前提下，分析2 種測(cè)試流程下目標(biāo)電磁散射結(jié)果，即背景-目標(biāo)耦合對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果的影響，從而構(gòu)建科學(xué)、合理、可行的局部電磁散射檢測(cè)流程。

2 低散射載體及測(cè)試流程

在研究結(jié)構(gòu)缺陷損傷評(píng)估時(shí)，由于被測(cè)部件損傷部分散射特性可能小于部件本身的散射特性，從而導(dǎo)致部件損傷細(xì)節(jié)散射特性堙沒(méi)于本身散射中而無(wú)法獲取本身散射的有用信息特征，所以采用低散射載體來(lái)承載被測(cè)部件來(lái)開(kāi)展電磁散射特性測(cè)試，以降低部件不連續(xù)結(jié)構(gòu)造成無(wú)法獲取被測(cè)件的電磁散射特性。低散射載體可實(shí)現(xiàn)其自身的散射水平低于被測(cè)部件1 ～2 個(gè)散射量級(jí)，從而體現(xiàn)被測(cè)部件的損傷細(xì)節(jié)散射特性。

由于低散射載體的散射水平較低，且外形通常不能用簡(jiǎn)單的曲面方程加以描述，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)其電磁散射的預(yù)估可采用多層快速多極子方法，保證仿真計(jì)算精度的同時(shí)提高仿真效率。本文中所設(shè)計(jì)的載體外形結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其安裝接口如圖2 所示。被測(cè)部件外形為盾形，與低散射載體通過(guò)止口定位連接，尺寸精度需要較高，安裝之后縫隙小于0.2mm，安裝完后采用相應(yīng)的鋁箔或吸波膠條將安裝螺絲和縫隙黏接，以確保電性能連續(xù)。被測(cè)樣件如圖3 所示，被測(cè)樣件安裝方式如圖4 所示。

圖1 載體外形示意圖

圖3 被測(cè)樣件

圖4 被測(cè)樣件安裝方式

外形為盾形，與低散射載體通過(guò)止口定位連接，尺寸精度需要較高，安裝之后縫隙小于0.2mm，安裝完后采用相應(yīng)的鋁箔或吸波膠條將安裝螺絲和縫隙黏接，以確保電性能連續(xù)。

在同一測(cè)試環(huán)境中，目標(biāo)-載體耦合來(lái)源于目標(biāo)的散射和載體的再散射。根據(jù)目標(biāo)雷達(dá)散射特性測(cè)量與處理技術(shù)，目標(biāo)-載體耦合的影響很難完全采用解析的方法來(lái)分析和解決，一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量來(lái)研究不同目標(biāo)-載體的耦合散射。

為研究目標(biāo)-載體耦合對(duì)目標(biāo)散射性能測(cè)量結(jié)果誤差影響，本文采用將載體置于支架上作為背景的一部分進(jìn)行背景電平測(cè)試和將載體移出測(cè)試區(qū)進(jìn)行背景測(cè)試兩種方案進(jìn)行結(jié)果對(duì)比分析（如圖5）。

圖5 測(cè)試流程示意圖

由于載體是金屬結(jié)構(gòu)，當(dāng)被測(cè)目標(biāo)安裝在載體上時(shí)，目標(biāo)與載體之間是導(dǎo)電的，那么，載體和目標(biāo)的表面感應(yīng)電流激發(fā)了目標(biāo)和載體之間耦合散射作用。

在電磁散射測(cè)試中，由于金屬載體的特殊外形以及目標(biāo)-載體間的幾何關(guān)系，入射場(chǎng)在目標(biāo)表面激發(fā)的表面電流將流向金屬載體。圖6 和圖7 分別表示VV 極化和HH 極化情況下目標(biāo)表面行波傳導(dǎo)至金屬載體的耦合電流方向。在VV 極化時(shí)，所激發(fā)的表面行波既傳導(dǎo)到載體前沿尖劈，也傳導(dǎo)到載體的側(cè)向；而在HH 極化情況下，主要激發(fā)表面行波傳導(dǎo)至載體兩側(cè)。由于金屬載體的特殊散射結(jié)構(gòu)，流經(jīng)金屬載體前沿的表面波更容易對(duì)目標(biāo)自身散射回波產(chǎn)生干擾。

圖6 VV 極化時(shí)目標(biāo)與載體產(chǎn)生的耦合電流

圖7 HH 極化時(shí)目標(biāo)與載體產(chǎn)生的耦合電流

3 測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)于低電磁散射目標(biāo)而言，因?yàn)楸砻婵p隙、臺(tái)階等弱散射源極易出現(xiàn)問(wèn)題且數(shù)量多，因此，這些弱散射源是重要的雷達(dá)后向散射源。本文采用典型缺陷縫隙型樣件進(jìn)行驗(yàn)證電磁散射特性評(píng)估系統(tǒng)的合理性和可靠性。如圖8 所示，典型縫隙缺陷樣件。圖9 ～11 所示為測(cè)試結(jié)果。

圖8 被測(cè)典型缺陷樣件

圖9 俯角為15°

從圖8 ～10 可以看出，樣件實(shí)物和測(cè)試結(jié)果在距離和缺陷尺寸上能夠體現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而驗(yàn)證測(cè)試流程的可行性和有效性。

X 波段，HH 極化情況下，激發(fā)表面行波傳導(dǎo)至載體，由于載體的特殊散射結(jié)構(gòu)，流經(jīng)載體的表面波更容易對(duì)目標(biāo)自身散射回波產(chǎn)生干擾。HH 極化耦合電流強(qiáng)，目標(biāo)散射信號(hào)被淹沒(méi)，提取不到目標(biāo)散射信號(hào)。

由于目標(biāo)支架高度超過(guò)目標(biāo)尺寸，且目標(biāo)區(qū)地面采取了整形措施，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，載體與目標(biāo)之間電磁耦合引起典型缺陷樣件電磁散射差值約為1.4dBsm，建議對(duì)于散射特性量級(jí)較小的目標(biāo)測(cè)試時(shí)，將載體移除測(cè)試區(qū)域以減小背景-目標(biāo)耦合的影響，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的置信度。

優(yōu)化流程前vv 測(cè)試結(jié)果件圖9。

優(yōu)化流程后vv 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 俯角為15°

優(yōu)化流程前，HH 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 測(cè)試結(jié)果圖

優(yōu)化流程后，HH 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 測(cè)試結(jié)果圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于結(jié)構(gòu)的典型縫隙缺陷樣件電磁散射特性測(cè)試試驗(yàn)研究構(gòu)建了測(cè)試工藝流程并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行理論分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比評(píng)估，從而驗(yàn)證了測(cè)試流程的合理性和有效性。