隱身桅桿與主船體耦合RCS特性研究

程子君 吳啟華

1海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧大連 116001

2中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

隱身桅桿與主船體耦合RCS特性研究

程子君1吳啟華2

1海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧大連 116001

2中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

隱身桅桿技術(shù)是艦船隱身技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，影響隱身桅桿RCS的因素很多，其中，隱身桅桿與主船體間的耦合直接影響RCS的考核結(jié)果。首次提出了隱身桅桿與主船體耦合RCS相對增加量的概念，并用以表征其與主船體的耦合特性。采用基于矩量法理論分析桅桿與主船體的耦合影響，研究結(jié)果可應(yīng)用于隱身桅桿RCS綜合評價(jià)。

隱身桅桿；RCS；耦合

1 引言

高性能雷達(dá)是現(xiàn)代艦船等武器平臺必不可少的傳感器，雷達(dá)通過接收并分析回波中包含的特征信息來探測和識別目標(biāo)。迫于軍事需求和武器裝備的發(fā)展，各種軍事目標(biāo)為了在復(fù)雜戰(zhàn)爭環(huán)境下不易被敵方雷達(dá)偵察到以提高自身的生存能力和突防能力，采用了諸多雷達(dá)隱身技術(shù)，艦船隱身技術(shù)也相應(yīng)得到了迅猛發(fā)展，已發(fā)展到指標(biāo)分配階段。隱身桅桿作為現(xiàn)代艦船的技術(shù)亮點(diǎn)，逐漸成為艦船隱身技術(shù)發(fā)展的重要方向之一［1－3］。很多國家投入大量的人力和物力，將隱身桅桿作為獨(dú)立部件開展綜合研究，研制出一大批具有實(shí)戰(zhàn)意義的艦船隱身桅桿產(chǎn)品。

隱身桅桿研究的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容是RCS考核，隱身桅桿由于其獨(dú)有的特性，即與主船體的耦合特性。在現(xiàn)有的考核試驗(yàn)中，往往把隱身桅桿作為獨(dú)立部件進(jìn)行考核，尚未表述與主船體的耦合特性，考核的結(jié)果不能準(zhǔn)確說明隱身桅桿裝艦后的隱身效果。

2 研究方法有效性驗(yàn)證

理論分析認(rèn)為，RCS是入射波返回功率的量度，它是方位角、散射體形狀、頻率、發(fā)射和接收天線極化特性的函數(shù)。RCS所關(guān)注的散射場是由入射波在散射體上感應(yīng)電流的二次輻射引起的。因此，目標(biāo)形體的變化對于同一雷達(dá)入射波的散射機(jī)理、回波功率是不同的，所呈現(xiàn)的散射截面也有差異，如何表征目標(biāo)形體的變化與目標(biāo)RCS的變化關(guān)系是重要的研究課題。

首先，我們應(yīng)用RCS分析軟件計(jì)算金屬平板和金屬立方體的單站RCS，并將結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證本文分析手段的有效性。圖1和圖3所示分別為邊長a＝b＝0.165 m的金屬平板和邊長為1 cm的金屬立方體在單位平面波照射下的計(jì)算結(jié)果，單位平面波波長λ＝0.034 m。入射場E→i沿 x 軸方向極化，即E→i＝exp［jk0（ysinθ＋zcosθ）］x^，k0＝2π／λ 為自由空間的波數(shù)。 圖 2 所示為相關(guān)文獻(xiàn)［4］采用矩量法計(jì)算結(jié)果，圖4所示為相關(guān)文獻(xiàn)［5］用AWE方法計(jì)算的結(jié)果。對比分析計(jì)算結(jié)果可知，采用本文的研究方法獲得的金屬平板和金屬立方體單站RCS結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)的結(jié)果十分吻合，證明該方法在分析金屬平板和金屬立方體單站RCS是可靠的，適用于由簡單面體構(gòu)成的抽象隱身桅桿模型RCS研究。

3 簡單復(fù)合形體耦合RCS特性

借用“散射中心”的概念分析討論簡單復(fù)合體的散射特性，會使分析問題的思路簡潔清晰，尤其可以借用前面的簡單形體如平板、立方體等的散射特性分析簡單復(fù)合形體的散射特性。下面討論球－錐－球體組合的散射特性。

球－錐－球體由2個(gè)半徑分別為a和b的2個(gè)球體與1個(gè)截錐體組成，顯然該復(fù)合體的兩個(gè)連接處是散射中心，產(chǎn)生繞射相象，兩個(gè)球體和截錐體的表面在不同的視角方向上會產(chǎn)生強(qiáng)的鏡面反射，同時(shí)在復(fù)合體表面還存在爬行波。

圖5所示為在垂直極化入射情況下，一個(gè)ka＝1.5（a／λ＝0.24）的球－錐－球體的 RCS 隨方向角變化的理論和實(shí)驗(yàn)曲線。

我們知道，在高頻區(qū)，金屬球單站RCS趨近于幾何光學(xué)值πa2，金屬圓錐的單站RCS基本上是來自錐底邊緣的繞射，而錐頂?shù)睦@射則很弱。當(dāng)觀測角增加時(shí)，錐的斜邊將產(chǎn)生強(qiáng)的鏡面反射尖峰。從上圖可以看出，球－錐－球體的單RCS曲線較單一錐體或球體的RCS曲線發(fā)生了顯著變化，雖然峰值出現(xiàn)的規(guī)律與錐體的變化趨勢基本接近，而波峰和波谷的形狀有較大差異，其直接影響平均值。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)入射波方位角變化時(shí)，由兩個(gè)球體產(chǎn)生的鏡面反射在同相時(shí)相加，反相時(shí)相減而造成的，并不進(jìn)行簡單的數(shù)學(xué)疊加。

4 隱身桅桿與主船體耦合特性

4.1 問題定義

隱身桅桿作為現(xiàn)代艦船獨(dú)立研究部件，其RCS指標(biāo)均被分配為指定值。在隱身桅桿RCS考核試驗(yàn)中，隱身桅桿與測試支撐物或艦船平臺耦合，耦合后會出現(xiàn)多個(gè)散射中心，各個(gè)散射中心的散射特性及連接處的散射特性對隱身桅桿RCS有不同貢獻(xiàn)，耦合后整體RCS是否簡單地等于各個(gè)部分RCS代數(shù)和，是否可以認(rèn)為隱身桅桿RCS得到有效控制就一定能改善全艦的隱身性能，在考核過程中又如何選擇合適的耦合物平衡測量結(jié)果，這些都是值得研究的。

首先定義一組參數(shù)表征耦合特性指標(biāo)，用下式表示：

式中，RCS增為隱身桅桿耦合后RCS相對增加量；RCS桅為隱身桅桿在某測量角度范圍內(nèi)的RCS平均值；RCS耦為耦合物RCS在相同的角度范圍內(nèi)RCS平均值；RCS合為耦合后整體RCS平均值（測試條件相同）。

由式（1）分析可知，如果RCS增值太大，則說明耦合物對隱身桅桿RCS的測量結(jié)果影響嚴(yán)重；若RCS增小，則可以認(rèn)為耦合物對隱身桅桿RCS的測量結(jié)果影響不大。

通過隱身桅桿模型與典型物體的垂直耦合、水平耦合，研究耦合特性指標(biāo)RCS增、RCS相對量與隱身桅桿模型、耦合物的關(guān)系，分析耦合物的物理狀態(tài)對隱身桅桿考核結(jié)果的影響，為隱身桅桿理論研究和現(xiàn)有考核標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的擴(kuò)展提供技術(shù)支撐。

4.2 垂直耦合

試驗(yàn)外場測試或?qū)嵈瑴y試時(shí)，桅桿一般都不是以一個(gè)獨(dú)立部件參加考核，都與一些物體如轉(zhuǎn)臺支架、艦船上層建筑等垂直耦合在一起，其周圍可能還會有煙囪等金屬物，這些目標(biāo)對桅桿RCS的考核結(jié)果是有影響的。

本文選擇的角度間隔選擇為0.2°，考核頻率為9.4 GHz和15.2 GHz。 分析桅桿與長方體的耦合結(jié)果，長方體的高度在不斷變化，研究耦合物長方體對桅桿RCS考核結(jié)果的影響，模型如圖6所示。

進(jìn)行分析時(shí)，首先分別計(jì)算桅桿和長方體的單站 RCS，方位角度間隔為 0.2°，仰角 0°，入射平面波的頻率為9.4 GHz和15.2 GHz， 在完成桅桿與長方體各自單站RCS計(jì)算之后，計(jì)算二者耦合后的總RCS，在0°～360°內(nèi)求平均值，研究已定義的相對增加量。

從表1和圖7可以看出，在垂直耦合情況下，耦合后整體散射特性是由桅桿和長方體兩種散射特性綜合而成，二者的貢獻(xiàn)大小將隨觀測角（方位角）而變化?？梢杂蒙⑸渲行牡母拍钣懻撨@個(gè)問題，桅桿側(cè)板和連接處都是散射中心。耦合后的整體RCS平均值不是簡單地等于長方體和桅桿RCS的代數(shù)和，耦合后RCS平均值大于桅桿的RCS平均值，出現(xiàn)一個(gè)增加量，而且，隨著耦合長方體高度的增加，這個(gè)增加量變化更加顯著。從RCS相對量來看，在長方體高度不大的情況下，長方體對隱身桅桿的隱身性能影響不顯著，而隨著長方體高度增加，其RCS值對耦合后整體RCS平均值影響非常明顯。

表1 隱身桅桿與不同高度長方體耦合RCS計(jì)算結(jié)果Tab.1 Computation results of coupled RCS of stealth mast with various heights of cube

4.3 水平耦合

水平耦合研究主要目的是研究隱身桅桿裝船后周圍船體結(jié)構(gòu)如煙囪等對隱身桅桿RCS的影響。影響因素很多，但對于裝船隱身桅桿，各種船體結(jié)構(gòu)距離隱身桅桿的相對位置是固定的，各種船體結(jié)構(gòu)與隱身桅桿水平耦合的狀態(tài)很多，研究每一種狀態(tài)是不現(xiàn)實(shí)的，只能對研究對象進(jìn)行抽象，研究隱身桅桿與長方體的耦合，研究隱身桅桿與物理尺寸為3 m×3 m×2 m（長×寬×高）長方體的不同水平距離的耦合情況，研究方法同垂直耦合，分析模型如圖8所示。

從表2和圖9、圖10可以看出，在水平耦合情況下，耦合后整體散射特性是由桅桿和長方體兩種散射特性綜合而成，二者的貢獻(xiàn)大小將隨著觀測角（方位角）而發(fā)生變化。長方體垂直面的強(qiáng)鏡面反射對計(jì)算結(jié)果影響很大，耦合后的整體RCS平均值也不簡單地等于長方體和桅桿RCS平均值代數(shù)和，耦合后RCS平均值小于桅桿的RCS平均值，但相對于隱身桅桿本身出現(xiàn)了一個(gè)很大的增加量，主要是由長方體的很強(qiáng)的鏡面反射引起的，而且，隨著耦合長方體與隱身桅桿的間距變化，這個(gè)增加量變化也在發(fā)生相應(yīng)變化，長方體與隱身桅桿水平耦合大大影響隱身桅桿RCS的考核結(jié)果。

表2 隱身桅桿與不同高度長方體水平耦合RCS計(jì)算結(jié)果Tab.1 Computation results of plane coupled RCS of stealth mast with various heights of cube

圖9 9.4G 桅桿＋2 m 長方體單站RCS（間距8 m）Fig.9 Single station RCS of 9.4G mast plus 2 m cube（space 8 m）

圖10 15.2G 桅桿＋2 m 長方體單站RCS（間距8 m）Fig.10 Single station RCS of 15.2G mast plus 2 m cube（space 8 m）

5 結(jié)論

通過隱身桅桿與長方體的垂直耦合、水平耦合研究，驗(yàn)證了相對增加量的概念，理論計(jì)算分析隱身桅桿與長方體的多種耦合狀態(tài)。通過分析可知，隱身桅桿在與長方體發(fā)生垂直耦合或水平耦合后，耦合后整體單站RCS并不簡單等于隱身桅桿與長方體單站RCS之和，出現(xiàn)一個(gè)增加量，在隱身桅桿RCS實(shí)際考核試驗(yàn)中，應(yīng)引入適當(dāng)?shù)男拚蜃有拚挝锏饶繕?biāo)的耦合影響，修正后的考核結(jié)果也比較符合實(shí)際情況。

［1］阮穎錚.雷達(dá)截面與隱身技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［2］王沫然.MATLAB與科學(xué)計(jì)算 ［M］.電子工業(yè)出版社，2004.

［3］朱英富，張國良.艦船隱身技術(shù)［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2003.

［4］ROSS R A.Radar cross section of Rectangular flat plates as a function of aspect angle ［J］.IEEE Trans.Antennas Propaget，1966，33（3）：329-335.

［5］REDDY C J，DESHPANDE M D，COCKRELL C R，et al.Fast RCS computation over a frequency band using method of moments in conjunction with asymptotic waveform evaluation technique［J］.IEEE Trans.Antennas Propaget，1998，46（8）：1229-1233.

The RCS Characteristics of Coupling Between Stealth Mast and Main Hull

Cheng Zi-jun1Wu Qi-hua2
1 Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.， Ltd， Dalian 116001，China
2 China Ship Research and Design Center， Wuhan 430064，China

Stealth mast is one of the important elements for developing stealth ship.The characteristics of coupling between stealth mast and structure of main hull depend on many factors that directly influence the radar cross section （RCS）.For describing the coupling characteristics， a concept of relative increment of RCS was proposed to define the coupling of stealth mast and main hull of ship.Additionally，method of moment （MOM） was used to analyze the influence of stealth mast on the hull structure.The results can be applied to a synthesized assessment of actual design.

stealth mast； RCS； coupling

U674.7

A

1673－3185（2011）03－45－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.03.010

2010-04-18

程子君（1964－），男，高級工程師，碩士。研究方向：艦船電磁兼容總體優(yōu)化設(shè)計(jì)。

吳啟華（1974－），男，高級工程師，碩士。研究方向：艦船電磁兼容總體優(yōu)化設(shè)計(jì)。