超電大尺寸目標(biāo)的電磁散射預(yù)報技術(shù)

方重華，吳 楠，宋東安，黃 瓊，鄭生全

（1.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 043000；2.國防科技電磁兼容性重點(diǎn)實驗室，湖北武漢 043000）

超電大尺寸目標(biāo)的電磁散射預(yù)報技術(shù)

方重華，吳 楠，宋東安，黃 瓊，鄭生全

（1.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 043000；2.國防科技電磁兼容性重點(diǎn)實驗室，湖北武漢 043000）

面向艦船等武器平臺的電磁隱身設(shè)計與預(yù)報，近年來，深入開展超電大尺寸目標(biāo)的電磁散射預(yù)報關(guān)鍵技術(shù)研究，綜合運(yùn)用計算電磁學(xué)、電磁散射理論和相關(guān)波動理論，開展超電大尺寸目標(biāo)電磁散射仿真與測試等相關(guān)技術(shù)研究，技術(shù)成果成功應(yīng)用于多項工程的電磁散射預(yù)報與設(shè)計。

超電大尺寸目標(biāo)；電磁散射；預(yù)報

隨著軍事科學(xué)技術(shù)水平的飛速發(fā)展，現(xiàn)在與未來的海戰(zhàn)形式發(fā)生了急劇的變化，艦艇等超電大尺寸目標(biāo)的電磁散射預(yù)報對目標(biāo)的隱身設(shè)計意義重大。

筆者近年來一直將超電大尺寸目標(biāo)的電磁散射預(yù)報技術(shù)作為實驗室科研的研究重點(diǎn)方向之一，針對超電大尺寸目標(biāo)的電磁散射仿真、測試及預(yù)報新方法等技術(shù)難題開展了大量探索性、創(chuàng)新性研究，本文主要從以下幾個方面對研究進(jìn)展加以介紹。

1 超電大尺寸目標(biāo)的電磁散射仿真

艦船等超電大尺寸目標(biāo)不僅具有極其復(fù)雜的多區(qū)域外形和多尺度結(jié)構(gòu)，而且具有更為復(fù)雜的海洋背景環(huán)境，多種材料的加載、艦載天線的加載散射等復(fù)雜情況均使其電磁散射仿真存在較大難度。因此，在仿真建模中必須將上述因素充分考慮進(jìn)來以保證仿真計算結(jié)果的工程適用性。

筆者在仿真建模技術(shù)方面采用了NURBS曲面和平面元逼近相結(jié)合的方法構(gòu)建了超電大尺寸目標(biāo)模型，結(jié)合面元優(yōu)化準(zhǔn)則和基于Oslo算法的光順處理，顯著提高網(wǎng)格質(zhì)量，又適應(yīng)高頻方法對遮擋和消隱等精確射線追蹤問題的處理（見圖1）。在材料方面，采用阻抗表面等效技術(shù)與多層介質(zhì)空間格林函數(shù)技術(shù)解決了metamaterial、FSS等復(fù)雜新型材料上艦導(dǎo)致的復(fù)雜介質(zhì)與導(dǎo)體共存求解難題。在天線加載散射方面，基于多端口陣列天線理論，結(jié)合場路協(xié)仿技術(shù)可以有效處理相控陣、卡塞格倫等天線上艦對全艦RCS的影響計算分析問題（見圖2）。

在海面的模擬方面，基于國際廣泛使用的改進(jìn)Pierson海面波譜，采用蒙特卡羅方法與最大似然估計法獲取了海雜波的概率分布模型，結(jié)合 Weierstrass分形模擬技術(shù)，建立了多級海況下的海面模型，并通過IEEE實測數(shù)據(jù)的校驗，較好地確保了海面建模的準(zhǔn)確性與有效性，為艦－海復(fù)合正、逆散射求解奠定了技術(shù)基礎(chǔ)（見圖3）。

圖1 美國宙斯盾驅(qū)逐艦幾何模型

圖2 美國宙斯盾驅(qū)逐艦RCS結(jié)果比較

圖3 海面的電磁散射結(jié)果與IEEE實測結(jié)果比較

2 超電大尺寸目標(biāo)的電磁散射測試

近年來，筆者針對艦船類超電大尺寸目標(biāo)RCS的測試特點(diǎn)，通過條件保障建設(shè)等渠道建立了艦船目標(biāo)天線／RCS試驗場，測試設(shè)備和技術(shù)指標(biāo)具有亞洲一流水平。試驗場擁有6 m直徑銅面轉(zhuǎn)臺、50 m直徑防銹鋁網(wǎng)海水模擬圈、43 m長旋臂塔，配置100 MHz～18 GHz頻率范圍的RCS測試系統(tǒng)（見圖4），較好地滿足了中小型艦船目標(biāo)或局部目標(biāo)的RCS測試需求?；跁r域、頻域?qū)ο夹g(shù)將背景雜波顯著降低，大大拓展測試系統(tǒng)的動態(tài)范圍。針對艦船類超電大尺寸目標(biāo)的散射機(jī)理，采用時域波門技術(shù)和低副瓣Hamming窗函數(shù)截取技術(shù)，既能保證目標(biāo)散射信號的充分接收，又有效降低轉(zhuǎn)臺區(qū)域之外的雜波的影響，顯著擴(kuò)展頻域RCS的可信范圍。針對大型艦船目標(biāo)的測試需求，參考美國國立目標(biāo)特性測試場（Ratscat）的技術(shù)指標(biāo)，還將建設(shè)更為大型的超電大尺寸目標(biāo)測試場地與裝置，結(jié)合海面的替代模擬技術(shù)，以滿足海戰(zhàn)場條件下超電大尺寸目標(biāo)多頻段的電磁散射測試需求。

圖4 艦船目標(biāo)RCS測試系統(tǒng)組成原理圖

3 超電大尺寸目標(biāo)的電磁散射預(yù)報新方法

超電大尺寸目標(biāo)的電磁散射預(yù)報一般存在頻率受限的難題。針對超電大尺寸目標(biāo)的電磁散射預(yù)報的這一特殊性，首次針對激光散射與電磁波散射相關(guān)性開展研究，建立了2種散射相似理論，為該技術(shù)的實用打下理論基礎(chǔ)。此外，還研究了聲波散射與電磁波散射相關(guān)性，并利用現(xiàn)有實驗設(shè)施開展水聲RCS測試研究，提出新的聲波模擬電磁波散射的理論和實驗方法。這2種方法為超電大尺寸目標(biāo)的電磁散射預(yù)報提供了新思維。

圖5 水聲RCS測試原理圖

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TN97

A

1008-1542（2011）12-0018-03

2011-06-20；責(zé)任編輯：王海云

方重華（1980-），男，湖北武漢人，工程師，博士，主要從事艦船散射特性方面的研究。