體目標(biāo)水面雷達(dá)靶的設(shè)計與實現(xiàn)*

王海濤 付 軍 劉華軍

(91550部隊93分隊 大連 116023)

體目標(biāo)水面雷達(dá)靶的設(shè)計與實現(xiàn)*

王海濤 付 軍 劉華軍

(91550部隊93分隊 大連 116023)

體目標(biāo)水面雷達(dá)靶可以真實地模擬海上目標(biāo)的電磁散射特性。介紹了特定水面艦艇的模型CAD設(shè)計、模型制作和幾何建模方法,對縮微模型室內(nèi)電磁散射測量和理論計算結(jié)果進(jìn)行了比對。體目標(biāo)雷達(dá)靶使用多個各類反射器實現(xiàn)特定目標(biāo)的RCS模擬,給出了海上測試與理論計算的比對結(jié)果。體目標(biāo)雷達(dá)靶具有模擬目標(biāo)種類多、操作簡單和維修性好等優(yōu)點,在實際靶場使用中取得了較好效果。

水面靶標(biāo);體目標(biāo);雷達(dá)散射截面;模擬

Class NumberTP391.9

1 引言

海上水面雷達(dá)靶的目標(biāo)模擬特性是衡量反艦武器系統(tǒng)在實戰(zhàn)條件下作戰(zhàn)效能如何的一個重要尺度?，F(xiàn)代水面作戰(zhàn)艦艇具有機(jī)動和隱身性能好、抗打擊手段多等特點,要求靶標(biāo)建設(shè)從實戰(zhàn)出發(fā),提高模擬真實目標(biāo)的能力,以全面檢驗和考核反艦武器系統(tǒng)的實戰(zhàn)性能[1]。

現(xiàn)役水面雷達(dá)靶,模擬目標(biāo)散射特性的手段是采用一個中心反射體,模擬的目標(biāo)特性為點目標(biāo),只是從目標(biāo)散射能量上模擬真實目標(biāo)。點靶由于散射中心及能量集中在一點,使得反艦武器命中精度相對很高,卻無法考核反艦武器制導(dǎo)系統(tǒng)存在目標(biāo)角閃爍情況下的命中精度。

體目標(biāo)雷達(dá)靶是根據(jù)典型水面艦艇目標(biāo)的幾何形狀及構(gòu)造,對其散射特性進(jìn)行測量和分析,確定其雷達(dá)散射特性。然后利用各種反射器,在船體上按照真實目標(biāo)的散射特性分布規(guī)律進(jìn)行組合拼裝,以實現(xiàn)雷達(dá)靶與模擬對象在雷達(dá)散射特性上的一致性。由于體目標(biāo)雷達(dá)靶是對真實目標(biāo)散射能量、散射中心分布及形體等多個特征進(jìn)行模擬,因此在實際使用效果上,體目標(biāo)靶要優(yōu)于點靶。

2 真實目標(biāo)水面艦船雷達(dá)散射特性實驗室建模與計算

現(xiàn)代水面艦船外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜,雷達(dá)散射特性由多個散射中心產(chǎn)生,并隨來襲武器的方位、俯仰的不同隨時變化[2]。要真實模擬水面艦船目標(biāo),首先必須獲得其真實的雷達(dá)散射特性。但是對于大多數(shù)艦船,尤其是敵方艦船來說,海上實際RCS測試的方式并不可行。目前主要還是采用實驗室CAD設(shè)計與模型制作、幾何建模、模型室內(nèi)電磁散射測量、建模模型理論計算分析等方法進(jìn)行。

2.1 真實目標(biāo)水面艦艇模型CAD設(shè)計與模型制作

在搜集整理真實目標(biāo)水面艦艇詳盡資料的基礎(chǔ)上,繪制船體型線圖和總布置圖的CAD圖。在上述基礎(chǔ)上,完成艦炮、導(dǎo)彈發(fā)射架、魚雷發(fā)射管、艦載雷達(dá)、舾裝等部分的制圖。然后在計算機(jī)上,將船體及上層建筑沿基線方向進(jìn)行了一定密度的剖分(20～60站不等),記錄每個剖面上的特征點坐標(biāo),再結(jié)合各種艦船水面上建筑的表面特征,以ASCII碼的形式匯總,便形成了完整的艦船外形參數(shù),將艦體特點及其總布置全貌做出準(zhǔn)確的、全面的描述。

典型艦體物理模型及所有零部件按比例縮微1∶50,依照圖紙制作。艦身、甲板、艦橋、導(dǎo)彈發(fā)射架、炮塔、桅桿及艦載雷達(dá)等的制作材料全部按照實際情況模擬,采用金屬制作;其中艦載雷達(dá)罩采用透波材料制作,以達(dá)到仿真效果。各組件均固定在艦體上。模型表面按實際顏色涂金屬色漆。艦體內(nèi)部相應(yīng)地做防銹處理。

圖1 真實目標(biāo)幾何模型

2.2 真實目標(biāo)水面艦艇模型幾何建模

在計算機(jī)上針對水面艦艇船體和上層建筑復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及眾多的艦上裝備,對真實幾何模型結(jié)構(gòu)提出分級描述的方法,即按船體及艦上裝備的不同外形結(jié)構(gòu),先對整艦進(jìn)行分解,分解成若干個組件,諸如船體、艦橋、艦載雷達(dá)、導(dǎo)彈發(fā)射架、桅桿等,而上述組件中有的又可分解成各種幾何單元。通常是在組件或組件的幾何單元上進(jìn)行網(wǎng)格劃分,這樣建模即方便又準(zhǔn)確。這個方法把真實目標(biāo)水面艦艇幾何模型結(jié)構(gòu)分成以下三級:

·目標(biāo)級外形結(jié)構(gòu)是指整艦;

·組件級外形結(jié)構(gòu)是指艦橋、艦載雷達(dá)、桅桿等;

·單元級外形結(jié)構(gòu)是指導(dǎo)彈的底座、發(fā)射架等。

對水面艦艇的組件級和單元級的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖分,在其中形成若干剖面。然后在每個剖面上,根據(jù)外形結(jié)構(gòu)的特點確定若干形值點,給定這些形值點的坐標(biāo)值。依照該艦的特定結(jié)構(gòu),把拆解的組件搭建成整艦,由組件上形值點數(shù)據(jù)的總和就形成了該艦幾何模型的剖面數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上,對組件級幾何外形表面上進(jìn)行網(wǎng)格劃分,形成網(wǎng)格的幾何模型。采用UG技術(shù)對該級艦進(jìn)行三維造型。圖1給出了真實目標(biāo)幾何模型在一個觀察方向上的三維造型。

2.3 艦船電磁散射計算方法

對艦表面上的一次散射,用面元法進(jìn)行分析與計算。先用外形剖分形成的網(wǎng)格模型的頂點構(gòu)成三邊形面元,再通過物理光學(xué)理論來求解面元的散射場。物理光學(xué)理論通過雷達(dá)照射目標(biāo)產(chǎn)生的表面電流感應(yīng)場的物理光學(xué)積分而求得散射場,物理光學(xué)積分可以變換為圍線積分進(jìn)行數(shù)值計算。

對于艦表面上的M個面元,其總散射場是通過M個面元經(jīng)遮擋計算后的若干面元的散射場在目標(biāo)坐標(biāo)系進(jìn)行矢量疊加。

對艦上凸凹部位的多次散射,用若干個諸如兩面角、三面角、頂帽、淺底空腔和深底空腔的體素進(jìn)行分析與計算。多次散射場是通過N個體素經(jīng)遮擋計算后的若干體素的散射場在目標(biāo)坐標(biāo)系進(jìn)行矢量疊加。

把艦表面的一次散射場與艦上的多次散射場進(jìn)行疊加,得到目標(biāo)艦船的總散射場。在上述理論分析的一次散射計算中計及了幾十個組件,多次散射計算中采用了各個不同組件及其不同部位上的上百個體素[3]。

2.4 目標(biāo)艦物理模型電磁散射測量和計算結(jié)果分

析比對

在微波暗室對目標(biāo)艦物理模型進(jìn)行了點頻RCS的測量,測量頻率為35GHz,擦地角分別為0°、20°、30°、40°,方位角范圍是 0°～360°,方位角間隔為0.2°。在同樣的測量參數(shù)和目標(biāo)尺寸下用目標(biāo)艦理論模型進(jìn)行計算[4]。對擦地角為 0°、20°、30°、40°四種狀態(tài)下的計算和測量的各四組數(shù)據(jù)(每組1801個數(shù)據(jù)),按照GJB3830-99《目標(biāo)雷達(dá)散射截面數(shù)據(jù)格式要求》,對計算數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行窗口長度為5°、滑動步長為1°的平滑處理,得到四種狀態(tài)下的的計算和測量的各四種均值數(shù)據(jù)(每組361個均值數(shù)據(jù)),對四種狀態(tài)下的計算和測量的均值數(shù)據(jù)做點對點均方根處理,得到四種狀態(tài)下的均方根誤差值,如表1所示。

表1 目標(biāo)艦實驗室測試值與理論計算值均方根誤差(dB)

把上面對比結(jié)果直接作為模型的精度來驗證理論模型有其局限性。對于1∶50物理模型,如果做精度意義下的校模,那么按照縮比定律,測試頻率應(yīng)達(dá)到850GHz以上,在目前測試條件下是不可能實現(xiàn)的。然而,目標(biāo)艦1∶50模型長約3m,測試Ka波段的波長為毫米級,目標(biāo)尺寸遠(yuǎn)大于測試波段波長,仍為電大尺寸,所以1∶50模型的測試與計算結(jié)果仍能體現(xiàn)該目標(biāo)的高頻電磁散射特點。在此前提下,室內(nèi)測試結(jié)果對理論計算進(jìn)行驗證具有一定的參照意義,意義在于通過這樣的比對,有助于分析并找出艦上哪些是強(qiáng)散射中心,及這些強(qiáng)散射中心在艦上的分布,這樣可對建模方法做有效的檢驗,使理論模型更接近于目標(biāo)電磁散射的實際情況。由于點頻RCS測試與計算的結(jié)果主要反映了該目標(biāo)上強(qiáng)散射中心的幅度變化,就目標(biāo)艦1∶50模型頻率點35GHz的測試與計算的對比結(jié)果數(shù)據(jù)說明:理論模型準(zhǔn)確地反映了該艦上的強(qiáng)散射中心。

圖2 RCS計算與測量的均值對比曲線(頻率 35GHz,擦地角 0°)

根據(jù)以上工作,可得到典型目標(biāo) RCS數(shù)學(xué)模型,主要包括目標(biāo)船主要散射中心分布、RCS分布特性分析預(yù)估、縮比模型測量數(shù)據(jù)及分析結(jié)果。

3 體目標(biāo)雷達(dá)靶模擬的實現(xiàn)與海上測試

3.1 雷達(dá)靶單元模擬器組合方案設(shè)計

體目標(biāo)雷達(dá)靶采用的反射器單元類型有三角形三面角反射器、圓角形三面角反射器、正方形三面角反射器、帶調(diào)接板的正方形三面角反射器及其組合:八聯(lián)裝的三角形三面角反射器或八聯(lián)裝的正方形三面角反射器。各種角反射器各有其特點,比如正方形三面角反射器的優(yōu)點是在直角邊長相同的條件下正方形三面角反射器的RCS值最大因而體積較小重量較輕,但缺點是使用中較易發(fā)生變形。實際使用可根據(jù)需要選用。

體目標(biāo)雷達(dá)靶的散射特性模擬由上述不同種類和數(shù)量的反射器單元組成。根據(jù)目標(biāo)艦RCS數(shù)學(xué)模型,首先利用目標(biāo)特性分析設(shè)計軟件得出特定目標(biāo)的靶標(biāo)反射器組合方案庫,包括使用的反射器單元的種類、數(shù)量和各自室的空間分布。然后根據(jù)反射器組合方案庫,將各種規(guī)格的模擬單元安裝在雷達(dá)靶的靶桿或支架上。模擬器單元的安裝接口采用模塊化設(shè)計,便于組合拼裝和使用,具有良好的互換性。圖3所示為組裝完畢的一種體目標(biāo)雷達(dá)靶反射器組合。

圖3 體目標(biāo)雷達(dá)靶反射器組合

圖4 雷達(dá)靶岸基海上測試方法幾何俯視圖

3.2 體目標(biāo)雷達(dá)靶海上測試及結(jié)果分析

體目標(biāo)雷達(dá)靶岸基海上雷達(dá)散射特性測試方法具體如圖4所示。θ為RCS測試系統(tǒng)照射天線的3dB寬度,方位角a為艦首方向偏離中心波束的角度,R1為天線到組合靶中心的水平距離,R2為3dB波束在組合靶中心位置的橫向擴(kuò)展線度。測量系統(tǒng)設(shè)在海邊的小山上,海拔高度約在100m。雷達(dá)靶在海上寬闊水域拋錨定位后,測量系統(tǒng)通過同軸光學(xué)儀器對海上目標(biāo)搜索,海上測試時以雷達(dá)靶為中心半徑1000m區(qū)域內(nèi)應(yīng)無其它水面目標(biāo)。雷達(dá)靶船體依靠自身側(cè)推裝置進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)圓周運(yùn)動,船位不能超過雷達(dá)波束的橫向擴(kuò)展線度。帶有GPS測量并采集自身的位置與航向數(shù)據(jù),供事后數(shù)據(jù)處理使用。測試時利用氣球懸掛定標(biāo)球的方式進(jìn)行標(biāo)定[5]。

采用岸基海上測量方式,在俯仰2.5°條件下對雷達(dá)靶進(jìn)行全方位RCS測試,相當(dāng)于俯仰-15°～30°范圍內(nèi)的一個切口數(shù)據(jù),并在該切口進(jìn)行測試與設(shè)計的比較,以驗證設(shè)計的準(zhǔn)確性。在相同狀態(tài)下平滑后的設(shè)計數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)的比對見圖5。從曲線的對比中可以看到,雷達(dá)靶點頻RCS的測量與計算結(jié)果在量級和變化趨勢上基本保持一致。

圖5 雷達(dá)靶一種組合測試數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)平滑前后比較

4 結(jié)語

體目標(biāo)水面雷達(dá)靶克服了點源雷達(dá)靶的缺點,構(gòu)成了多散射中心的分布,提高了模擬逼真度。此雷達(dá)靶已成功地應(yīng)用于某反艦武器試驗,具有模擬目標(biāo)種類多、逼真性高、裝配、拆卸簡單和維修性好等優(yōu)點,在實際靶場使用中取得了良好的效果。

[1]王文斌.海軍裝備試驗靶標(biāo)技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007

[2]黃培康.雷達(dá)目標(biāo)特性[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004

[3]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,1998

[4]張居風(fēng),馮德軍,王雪松.雷達(dá)目標(biāo)動態(tài)RCS仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2005(4)

[5]何國瑜,蘆才成,等.電磁散射的計算和測量[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006

Design and Realization of a Volume Distributive Target Ship

Wang Haitao Fu Jun Liu Huajun
(Unit 93,No.91550 T roops of PLA,Dalian 116023)

Volume distributive target radar vessel can simulate ship's RCS characeristic in a truthful way.A warship size-reduced model CAD design,model fabrication and geometry model method is introduced,the result of the model laboratry RCS range test and computer-based theory calculations is presented.The simulation of volume distributive target radar vessel to the warship is realized by some kinds of radar reflectors,the measurement data of the target vessel RCS range test at open sea is compared with RCS theory calculations.The application of the target ship has the advantage of multi-class maritime targets RCS simulation,simple operation and easy maintaining,it has gained in effect in the course of engineering sea test.

target vessel,volume distributive target,radar cross section,simulation

TP391.9

2010年9月17日,

2010年10月16日

王海濤,男,碩士研究生,高級工程師,研究方向:水面靶標(biāo)技術(shù)。