俯仰角對(duì)典型水面目標(biāo)散射影響分析*

丁 凡

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

?

俯仰角對(duì)典型水面目標(biāo)散射影響分析*

丁 凡

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

論文研究典型水面目標(biāo)隨俯仰角變化的RCS的空間特性,從艦船散射特點(diǎn)出發(fā),分析不同散射特點(diǎn)的計(jì)算方法,詳細(xì)分析射線追蹤法、物理光學(xué)近似法及等效邊緣電流法對(duì)假定水中艦船目標(biāo)進(jìn)行散射特性仿真計(jì)算,分析俯仰角對(duì)其散射特性的影響,分析典型峰值,得出典型水面目標(biāo)的RCS特性隨俯仰角的改變而發(fā)生改變的結(jié)論,俯仰角的散射量值與船體的構(gòu)型、布局密切相關(guān)。

俯仰角; 雷達(dá)波散射截面; 射線追蹤法; 物理光學(xué)近似法; 等效邊緣電流法

Class Number TP273.2

1 引言

水面艦船是海戰(zhàn)的主要生力軍,其隱身性能對(duì)于提高艦船生命力具有至關(guān)重要的作用。水面艦船尺度基本在100m以上,面臨威脅主要以反艦導(dǎo)彈為主[1]。隨著探測(cè)技術(shù)的發(fā)展,反艦導(dǎo)彈由低空飛行,水平彈道向全方位發(fā)射、遠(yuǎn)程化攻擊、超聲速、彈道機(jī)動(dòng)多變方向發(fā)展,如:白蛉在整個(gè)巡航段做爬升、蛇形機(jī)動(dòng)、俯沖等各種機(jī)動(dòng),或采用大俯沖角攻擊;捕鯨叉大約距目標(biāo)約1.5km處,導(dǎo)彈突然躍升到一定高度,接著以大約30°的俯沖角度直撲目標(biāo),直至將其摧毀;俄羅斯的反沖彈道采取近乎垂直的角度高馬赫速度直沖目標(biāo),現(xiàn)有的防空武器系統(tǒng)無法攔截[2]。目前常規(guī)水面艦船RCS評(píng)估主要針對(duì)反艦導(dǎo)彈掠入射、水平彈道威脅[3],反艦導(dǎo)彈的飛速發(fā)展,意味著未來艦船隱身是基于多入射角下的目標(biāo)特征控制。

本文以典型水面目標(biāo)為例,首先分析該目標(biāo)的雷達(dá)波散射特點(diǎn),基于其面臨威脅的雷達(dá)探測(cè)頻率、極化形式及角域,選用射線追蹤法及物理光學(xué)近似法計(jì)算該典型水面目標(biāo)的雷達(dá)波散射特性,分析其散射特性隨方位角、俯仰角變化分布規(guī)律,可用于指導(dǎo)同類水面目標(biāo)的雷達(dá)波散射特征控制[4～6]。

2 典型目標(biāo)雷達(dá)波散射特點(diǎn)

假設(shè)有水面目標(biāo)尺度大于100m,船寬20m,為外飄型單體船,上層建筑由艏部上層建筑、舯部上層建筑、艉部上層建筑三部分組成,上層建筑各側(cè)壁均設(shè)置一定傾斜角。分艏部桅桿和艉部桅桿,桅桿尺度相同,側(cè)壁均設(shè)置一定傾斜角。舯部上層建筑上設(shè)置由兩座四方體煙囪排風(fēng)口。該水面目標(biāo)右舷有小艇收放部位開口,艏部甲板布置一座武器發(fā)射裝置,艉部甲板上布有兩座武器發(fā)射裝置。

圖1 假想艦船目標(biāo)幾何模型

艦船散射根據(jù)其散射原理劃分,主要以鏡面反射、腔體散射、耦合散射、邊緣散射等組成。本文基于三角平面元網(wǎng)格模型,采用物理光學(xué)近似法(Physical Optics,PO)計(jì)算鏡面散射貢獻(xiàn),采用射線追蹤法(Shooting and Bouncing Ray,SBR)計(jì)算腔體散射、耦合散射散射貢獻(xiàn),采用等效邊緣流法(Equivalent Edge Current,EEC)計(jì)算目標(biāo)邊緣散射貢獻(xiàn)。

圖2 艦船散射示意圖

本文重點(diǎn)考慮水面艦船面臨反艦導(dǎo)彈攻擊,以空中威脅為主,威脅頻率主要集中在X波段,實(shí)際作戰(zhàn)時(shí),水面艦船面臨威脅區(qū)域?yàn)槠湔麄€(gè)上半平面,俯仰角覆蓋范圍為0°～90°。

3 計(jì)算分析方法

3.1 物理光學(xué)近似法

根據(jù)物理光學(xué)法,目標(biāo)某一面元上的電磁場(chǎng)是入射到其上的場(chǎng)和按幾何光學(xué)定律從面元反射出的場(chǎng)的向量和。

(1)

3.2 射線追蹤法

別純真年代了。你能離開許振平？離開你的寶貝許康？你們的分手不就是因?yàn)楸舜说睦⒕螁?？你?yīng)該知道，人都是自己內(nèi)心的囚徒。不管走再遠(yuǎn)，不管沿途風(fēng)景多么美麗，最終都會(huì)疲憊地回到原地。

射線追蹤法基于幾何光學(xué)原理,將入射的均勻平面波劃分為密集的射線管,高頻電磁波的能量沿著細(xì)長(zhǎng)射線管傳播,每個(gè)射線管在腔體內(nèi)經(jīng)多次反射,最終返回口徑處。射線經(jīng)n次反射并積分后等到總的散射遠(yuǎn)場(chǎng)為

(2)

式中,ΔA為第i個(gè)射線管在積分面上的投影面積。

3.3 等效邊緣電流法

邊緣的EEC繞射場(chǎng)可表示為

(3)

圖3 電磁散射計(jì)算過程示意圖

4 計(jì)算實(shí)例與結(jié)果分析

4.1 計(jì)算實(shí)例

RCS仿真較為重要的一個(gè)步驟就是網(wǎng)格剖分。本文采用通用有限元網(wǎng)格處理軟件hypermesh,對(duì)數(shù)字模型剖分為網(wǎng)格模型,再進(jìn)行仿真計(jì)算,以減少仿真計(jì)算過程中對(duì)內(nèi)存的消耗[7]。

圖4 假想艦船目標(biāo)計(jì)算網(wǎng)格模型

4.2 結(jié)果分析

圖5 散射球形圖

按照HJB180-1998,對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并將0°～360°方位角艦船目標(biāo)RCS值(dBsm)轉(zhuǎn)換成m2求算數(shù)平均值[8～10],分析該艦船隨俯仰角變化的RCS值變化,如圖7所示。

由圖6可以看出,該艦船RCS的平均值在0°～5°呈增大趨勢(shì),由0°俯仰角的24dB增加為5°俯仰角的49dB;6°～7°呈下降趨勢(shì),下降為29dB量值;8°～9°呈上升趨勢(shì),由38dB增至64dB量值;隨著入射角的增加,在10°～44°俯仰角的區(qū)間RCS呈下降趨勢(shì),其中25°俯仰角時(shí),RCS量值突增為31dB;45°～81°時(shí)RCS呈上升趨勢(shì),其中81°俯仰角是量值增加至33°;在81°～89°略有振蕩;90°時(shí)量值突增至110dB。90°俯仰角的散射峰值是由于甲板大平板結(jié)構(gòu)、上層建筑頂部平面結(jié)構(gòu)造成的。對(duì)俯仰角9°、25°下散射量值較大的原因進(jìn)行分析。

圖6 典型水面目標(biāo)隨俯仰角的變化規(guī)律示意圖

圖7 10GHz、VV極化、9°俯仰角RCS曲線圖

由圖7可以看出,9°俯仰角時(shí)在±45°、±135°方位角產(chǎn)生散射峰值較大,超過80dB;在-135°～-45°方位角之間散射量值,量級(jí)在30dB左右;選取典型方位角-45°、-60°分析其表面電流分布。

圖8 10GHz、VV極化、9°俯仰角、-45°方位角表面電流圖

圖9 10GHz、VV極化、9°俯仰角、-60°方位角表面電流圖

由圖8、圖9表面電流圖可以看出,±45°、±135°方位角的散射峰值是以上層建筑側(cè)壁的鏡面散射為主,小艇收放部位的腔體結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)了一部分量值。-135°～-45°方位角的散射峰值主要是由于小艇收放部位開口、及上層建筑邊緣散射造成的。

圖10 10GHz、VV極化、25°俯仰角RCS曲線圖

由圖10可以看出,25°俯仰角時(shí),除特征方向峰值外,在±47°方位角產(chǎn)生散射峰值較大,超過50dB。選取典型方位角-47°分析其表面電流分布。

圖11 10GHz、VV極化、25°俯仰角、-47°方位角表面電流圖

由圖11表面電流看出,25°俯仰角、-47°方位角的散射峰值主要是由于桅桿的鏡面散射、小艇收放部位的腔體散射以及艏部上層建筑與甲板形成的角反射體結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。

5 結(jié)語

通過上述分析計(jì)算可以看出,典型水面目標(biāo)的RCS特性隨俯仰角的改變而發(fā)生改變,在90°俯仰角時(shí),散射量值達(dá)到最大,而其他俯仰角的散射量值與船體的構(gòu)型、布局密切相關(guān)。艦船的雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì),主要以提升電子對(duì)抗能力,保證生命力的。對(duì)于反艦導(dǎo)彈多變的攻擊形式,需要明確威脅的特定角域范圍,從構(gòu)型、艦面布置等方面開展隱身設(shè)計(jì)。

[1] 張友益,張殿友.艦艇雷達(dá)波隱身技術(shù)研究綜述[J].艦船電子對(duì)抗,2007,30(2):5-11.

[2] 王金云,魏素軍.美俄反艦導(dǎo)彈技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)及特點(diǎn)分析[J].飛航導(dǎo)彈,2012(8):37-41.

[3] 肖芳,李永新,李鳴.水面艦艇雷達(dá)隱身技術(shù)[J].艦船電子對(duì)抗,2009,32(2):35-27.

[4] 劉佳,渠慎豐,王寶發(fā).基于GRECO的復(fù)雜目標(biāo)多次散射RCS計(jì)算[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2010,36(5):614-616.

[5] Burkholder R J, Lundin T. Forward backward iterative physical optics algortithm for computing the RCS of open-ended cavities[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2005,53(2):793-799.

[6] Bhalla R, Moore J, Ling Hao. A golobal scattering center representation of complex targets using the shooting and bouncing ray techique[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1997,45(12):1850-18562.

[7] 方重華,宋東安,王志熊.利用hypermesh和feko軟件來仿真艦船RCS[J].裝備環(huán)境工程,2008,5(5):61-64.

[8] 李杰,郭立新,何瓊,等.復(fù)合電磁散射分析中的精確幾何建模[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,39(6):92-98.

[9] 黃培康,殷紅成,許小劍.雷達(dá)目標(biāo)特性[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:30-60.

[10] 丁鷺飛,耿富錄.雷達(dá)原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006.

Varying Regularity of Scattering Characteristics of Pitch Angle on Typical Warship Target

DING Fan

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

The electromagnetic computation data under different pitch angles was processed by using physical optics(PO)、 shooting and bouncing ray(SBR) and equivalent edge current(EEC) method. The varying relations between the typical warship target and the pitch angle was studied. Some scattering characteristics of the peak value are acquired through computation data analysis. Further discussions about the application prospects of the varying regularity in the ship design, which are much useful.

pitch angle, radar cross section(RCS), SBR, PO, EEC

2014年11月6日,

2014年12月17日

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):61303238)資助 作者簡(jiǎn)介:丁凡,女,博士,工程師,研究方向:艦船總體設(shè)計(jì)。

TP273.2

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.038