基于電磁建模的艦船雷達(dá)波隱身技術(shù)

余定峰，耿 攀，徐正喜，陳 濤

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢430064)

0 引 言

艦船的雷達(dá)目標(biāo)特性研究已成為電磁場(chǎng)軍事應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要議題，在艦船目標(biāo)的雷達(dá)探測(cè)及雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)等方面有著非常重要的意義?，F(xiàn)有的關(guān)于艦船雷達(dá)目標(biāo)特性的研究大多針對(duì)水面艦船［1－3］，幾乎未涉及水下航行目標(biāo)。由于各種反艦作戰(zhàn)平臺(tái)、反艦作戰(zhàn)武器和反艦偵查系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，形成了水面、水下、空中、陸基、太空多位一體的綜合反艦作戰(zhàn)體系，給艦船的作戰(zhàn)和生存帶來(lái)了極大的危脅。多年來(lái)，水下航行器隱身技術(shù)發(fā)展主要集中在聲隱身［4］領(lǐng)域，隨著探潛技術(shù)的不斷發(fā)展，以磁隱身［5－6］、電場(chǎng)隱身［7－8］以及雷達(dá)波隱身為代表的非聲隱身近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。為了提高艦船的生存能力，保持其戰(zhàn)場(chǎng)威懾力量，研究艦船的雷達(dá)波隱身技術(shù)至關(guān)重要。

典型的雷達(dá)目標(biāo)特性主要包括雷達(dá)散射截面、高分辨率一維距離像和二維聚束SAR 成像［9］。目標(biāo)高頻雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section，RCS)可精確給出目標(biāo)對(duì)雷達(dá)波的散射強(qiáng)度信息，并粗略反映目標(biāo)的幾何尺度變化，是進(jìn)行一維距離像和二維聚束SAR 成像仿真的基礎(chǔ)。高分辨率距離像體現(xiàn)目標(biāo)的散射中心在探測(cè)方向上的投影分布，反映目標(biāo)在雷達(dá)探測(cè)方向上幾何形狀和結(jié)構(gòu)上的差異。而二維聚束成像含目標(biāo)散射中心多，而且效果直觀，便于簡(jiǎn)單分析。綜合考察艦船的RCS、HRRP和SAR成像，是進(jìn)行艦船的雷達(dá)波隱身技術(shù)研究的重要手段。

高頻雷達(dá)目標(biāo)特性仿真對(duì)于艦船的雷達(dá)波隱身技術(shù)研究至關(guān)重要，也是雷達(dá)目標(biāo)特性研究領(lǐng)域關(guān)心的課題。對(duì)艦船進(jìn)行三維幾何建模，采用基于等效電磁流的高頻電磁算法仿真計(jì)算了自由空間中艦船簡(jiǎn)化模型的雷達(dá)散射截面、高分辨率一維距離像和二維聚束合成孔徑雷達(dá)成像。通過(guò)幾個(gè)典型數(shù)值算例分析了圍殼外形構(gòu)造和吸波材料參數(shù)對(duì)艦船雷達(dá)目標(biāo)特性帶來(lái)的影響，為基于雷達(dá)目標(biāo)特性的艦船隱身技術(shù)研究提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，為新型艦船的雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

1 艦船目標(biāo)電磁建模

1.1 艦船目標(biāo)幾何建模

采用電磁分析軟件Ansys 的幾何建模模塊建立艦船目標(biāo)的簡(jiǎn)化三維幾何模型，艇長(zhǎng)約100 m，寬約10 m，高約15m。對(duì)目標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)精度的三角形平面元均勻剖分，得到適于仿真計(jì)算的網(wǎng)格，再提取目標(biāo)模型的網(wǎng)格信息，用OpenGL 重構(gòu)并進(jìn)行消隱等處理，并識(shí)別、提取目標(biāo)模型上的劈邊緣。

1.2 艦船的高頻電磁散射特性仿真算法

以目標(biāo)幾何中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，其中x，y，z 軸分別對(duì)應(yīng)目標(biāo)的長(zhǎng)度、寬度和高度。R 為雷達(dá)到目標(biāo)中心的距離，θ 為雷達(dá)波探測(cè)方向與z 軸夾角，φ 為雷達(dá)相對(duì)于目標(biāo)的方位角。

雷達(dá)主動(dòng)向目標(biāo)發(fā)射電磁波，利用接收到的目標(biāo)散射回波信號(hào)進(jìn)行特征提取。若雷達(dá)波為單頻平面波，探測(cè)方向發(fā)生變化即可獲取目標(biāo)的全方位雷達(dá)散射截面。若雷達(dá)波采用步進(jìn)頻率信號(hào)來(lái)簡(jiǎn)單模擬，則對(duì)回波數(shù)據(jù)作離散傅里葉逆變換即得目標(biāo)的一維距離像。若雷達(dá)波頻率步進(jìn)的同時(shí)，探測(cè)方向也按預(yù)設(shè)值進(jìn)行小角度變化，即取θ 固定，方位角φ 在小角度范圍內(nèi)變化，則仿真回波數(shù)據(jù)按轉(zhuǎn)角間隔采集，在每個(gè)采樣點(diǎn)又按頻率進(jìn)行采樣，即頻率步進(jìn)采樣。在直角坐標(biāo)系下，采樣數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)著一個(gè)扇形區(qū)域，通過(guò)對(duì)扇形區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行二維插值，即可得到矩形區(qū)域內(nèi)均勻采樣的回波數(shù)據(jù)。對(duì)矩形區(qū)域的二維數(shù)據(jù)進(jìn)行二維離散傅里葉逆變換，經(jīng)布萊克曼窗函數(shù)濾波處理，即可得到目標(biāo)的清晰二維像。

針對(duì)電大尺寸目標(biāo)，基于電磁流的高頻方法將目標(biāo)的電磁散射貢獻(xiàn)劃分為占主要地位的面散射貢獻(xiàn)和占次要地位的邊緣繞射貢獻(xiàn)。采用物理光學(xué)算法可求解電大目標(biāo)表面面元的直接散射，以及面元之間的多路徑耦合散射貢獻(xiàn)。計(jì)入劈邊緣的繞射，從而以邊緣波場(chǎng)修正物理光學(xué)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)高頻電磁散射的有效計(jì)算［10－13］。目標(biāo)在高頻雷達(dá)波探測(cè)下的散射總場(chǎng)即為物理光學(xué)散射場(chǎng)與邊緣波散射場(chǎng)的疊加:

通過(guò)基于電磁流的高頻方法可數(shù)值計(jì)算出艦船模型在雷達(dá)波照射下的回波信號(hào)，從而得到復(fù)數(shù)RCS 為:

式中:σ 為對(duì)應(yīng)某個(gè)固定頻率、固定探測(cè)方向的目標(biāo)RCS 值;為散射方向單位矢量;k0為自由空間傳播常數(shù)。指數(shù)ejkR用于去掉由雷達(dá)到目標(biāo)中心傳播路徑造成的相位依賴關(guān)系，從而突出目標(biāo)本身帶來(lái)的相位差。

2 艦船雷達(dá)目標(biāo)特性分析

2.1 外形輪廓影響艦船的雷達(dá)目標(biāo)特性

對(duì)于水下航行艦船，可能露出水面部分一般為圍殼、通信及電子偵察設(shè)備等部件，但考慮到目標(biāo)的各組成部分不是孤立的，在雷達(dá)波照射下會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的電磁相互耦合作用，單獨(dú)考察各部件的雷達(dá)目標(biāo)特性顯得不太合理，必須系統(tǒng)級(jí)考慮圍殼等部件的外形構(gòu)造對(duì)艦船的雷達(dá)目標(biāo)特性的影響。如圖1所示，以圍殼分別為垂向投影面積相近的方形、橢圓柱和橢球形結(jié)構(gòu)為例，考察艦船的雷達(dá)目標(biāo)特性。

圖1 圍殼形狀示意Fig.1 Sails of different shape

若取入射角度φ=0°，電場(chǎng)垂直極化，雷達(dá)波頻率取X 波段f=10 GHz，給出平面波照射下艦船子午面RCS 分布如圖2所示，角度0° ～360°分別對(duì)應(yīng)雷達(dá)波垂直照射艇首→艇腹部→艇尾→艇頂部→艇首。

圖2 圍殼形狀不同的艦船子午面RCSFig.2 Vertical RCS of ship with different sails

若取入射角度θ=90°，φ=0° ～360°，電場(chǎng)水平極化，雷達(dá)波頻率取X 波段f=10 GHz，給出平面波照射下艦船水平面RCS 分布如圖3所示，角度0° ～360°分別對(duì)應(yīng)雷達(dá)波垂直照射艇首→艇左舷→艇尾→艇右舷→艇首。

圖3 圍殼形狀不同的艦船水平面RCSFig.3 Horizontal RCS of ship with different sails

由仿真結(jié)果可知，圍殼外形對(duì)艦船的RCS 產(chǎn)生較大影響。對(duì)子午面RCS 的影響主要體現(xiàn)在雷達(dá)波從艦船上方照射的角度范圍，雷達(dá)波從下方照射的角度范圍與現(xiàn)實(shí)情況不符，且從理論研究的角度來(lái)看，圍殼被艇體遮擋而對(duì)RCS 近乎無(wú)貢獻(xiàn)。此時(shí)方形圍殼前后2 個(gè)截面分別于艇體上表面形成二面角強(qiáng)散射中心，面－面耦合作用貢獻(xiàn)導(dǎo)致其RCS 幅度遠(yuǎn)大于橢圓柱、橢球圍殼情形。雷達(dá)波探測(cè)方向從艇尾變化到艇頂部過(guò)程中，橢圓柱縱向柱面與艇體后半段的上表面形成少量二面角，使其RCS 稍大于橢球圍殼情形。雷達(dá)波探測(cè)方向從艇頂部變化到艇首過(guò)程中，由于圍殼位置較靠近艇首，與艇體前半段的上表面耦合效果較弱，而該橢圓柱圍殼與橢球圍殼投影面積相近，因此兩者的RCS 在該段近乎重合。對(duì)水平面RCS 的影響主要體現(xiàn)在雷達(dá)波從艦船兩側(cè)照射的角度范圍，此時(shí)橢圓柱圍殼兩側(cè)面始終有大量被雷達(dá)波垂直照射的區(qū)域，形成鏡面反射效應(yīng)，導(dǎo)致其RCS 幅度在較大角度范圍明顯大于方形圍殼、橢球圍殼情形。但由于方形圍殼側(cè)面的正投影面積最大，故其φ=90°和φ=270°對(duì)應(yīng)的RCS 峰值最大。綜合分析可知，橢球圍殼情形使艦船的子午面和水平面RCS 幅度均較小，可實(shí)現(xiàn)較好的雷達(dá)波隱身效果。

若雷達(dá)波為步進(jìn)頻率信號(hào)，取X 波段頻率范圍f=9.75 ～10.25 GHz，則頻帶寬度為BW=500 MHz，頻率步進(jìn)Δf=1 MHz，不模糊距離為Rx=150 m，分辨率Δx=0.3 m，電場(chǎng)水平極化。若取入射角度θ=50°，φ=0°，得到艦船的前向一維距離像結(jié)果及取對(duì)數(shù)處理后的結(jié)果如圖4所示。若取入射角度θ=50°，φ=90°，得到艦船的側(cè)向一維距離像結(jié)果如圖5所示。

圖4 前向距離像Fig.4 HRRP in front direction

圖5 側(cè)向距離像Fig.5 HRRP in left direction

由仿真結(jié)果可知，圍殼外形對(duì)艦船的側(cè)向距離像無(wú)明顯影響，且由于艇體為狹長(zhǎng)圓柱狀外形，直接反射貢獻(xiàn)很小，此時(shí)距離像峰值主要反映圍殼縱向表面與艇體側(cè)面外殼之間的二次相互作用形成的散射中心。

由射線分析可知，由艦船外形結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化的區(qū)域向雷達(dá)波照射路徑上作投影，該投影點(diǎn)位置坐標(biāo)基本與艦船的前向距離像位置坐標(biāo)對(duì)應(yīng)，且最大的峰值對(duì)應(yīng)圍殼縱向表面與艇體上表面形成的二面角散射中心。

若雷達(dá)波為步進(jìn)頻率信號(hào)，同時(shí)，雷達(dá)探測(cè)方向以小角度偏移來(lái)模擬目標(biāo)的轉(zhuǎn)臺(tái)SAR 成像。取X 波段頻率范圍f=9.75 ～10.25 GHz，帶寬BW=500 MHz，頻率步進(jìn)Δf=1 MHz，電場(chǎng)水平極化。取入射角度θ=50°，方位角變化范圍為B(φ)=2.9385°，角度步進(jìn)Δφ=0.005877°，則距離向和方位向不模糊距離均為150 m，分辨率均為Δx=0.3 m。分別考察中心角度φc=30°，φc=90°和φc=150°三種情況，仿真得到艦船的二維聚束SAR 成像結(jié)果如圖6 ～圖8所示。

圖6 圍殼為方形的艦船SARFig.6 SAR of ship with quadrate sail

圖7 圍殼為橢圓柱的艦船SARFig.7 SAR of ship with elliptic-polesail

圖8 圍殼為橢球形的艦船SARFig.8 SAR of ship with ellipsoidal sail

由于艦船模型較為簡(jiǎn)化，未考慮外表面桅桿等細(xì)小零部件，導(dǎo)致在該艦船簡(jiǎn)化模型的二維SAR 像中，艇體中段幾乎無(wú)散射中心。針對(duì)雷達(dá)波探測(cè)方位角掃描范圍為φ=148.530 75° ～151.469 25°，即對(duì)應(yīng)中心角度φc=150°時(shí)的艦船SAR 像，截取圍殼附近區(qū)域作局部放大，并對(duì)圍殼分別為方形、橢圓柱和橢球形3 種情況作對(duì)比分析，如圖9所示。

圖9 φc=150°艦船SAR 圍殼局部放大圖Fig.9 φc=150°magnified SAR of ship

由結(jié)果可知，圍殼外形不同，導(dǎo)致艦船的高分辨SAR 像在該區(qū)域區(qū)別明顯。圍殼為方形時(shí)，強(qiáng)散射中心分布條帶較為平直，而圍殼為橢圓柱和橢球形時(shí)，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)散射中心分布條帶呈現(xiàn)明顯的弧線，且強(qiáng)散射中心數(shù)目明顯少于圍殼為方形情形。

2.2 吸波材料參數(shù)影響艦船的雷達(dá)目標(biāo)特性

根據(jù)等效原理，薄層介質(zhì)涂覆導(dǎo)電目標(biāo)可等效為阻抗目標(biāo)表面等效電流源J和磁流源M 散射電磁場(chǎng)的問(wèn)題，如圖10所示。

圖10 電磁波照射下介質(zhì)涂覆目標(biāo)等效為阻抗目標(biāo)Fig.10 Dielectric coating object is equivalent toimpedance surfaces

由于各向異性材料涂覆導(dǎo)體目標(biāo)電磁散射問(wèn)題過(guò)于復(fù)雜，且材料等效過(guò)程也不成熟，而艦船涂覆吸波材料多為各向同性材料，關(guān)于各向同性材料涂覆導(dǎo)電目標(biāo)的電磁散射特性仿真算法可參考文獻(xiàn)［13］。本文不過(guò)多關(guān)注材料等效問(wèn)題，僅從工程應(yīng)用角度出發(fā)，考慮2 種參數(shù)不同的各向同性介質(zhì)薄層吸波材料涂覆于艦船外表面情形的雷達(dá)目標(biāo)特性研究，以在一定程度上探索吸波材料參數(shù)對(duì)艦船的雷達(dá)目標(biāo)特性影響。第1 種吸波材料參數(shù)為:厚度d=0.04 λ，相對(duì)介電常數(shù)為εr=4－1.5 j，磁導(dǎo)率為μr=2－j，對(duì)應(yīng)表面阻抗η=Z0·(0.4918+0.7353 j);第2 種吸波材料參數(shù)為:厚度d=0.05 λ，相對(duì)介電常數(shù)為εr=7－1.5 j，磁導(dǎo)率為μr=2－j，對(duì)應(yīng)表面阻抗η=Z0·(1.4368+1.0731 j);以圍殼分別為方形、橢圓柱和橢球形結(jié)構(gòu)為例，計(jì)算條件與第2.1 節(jié)相同，仿真得到艦船的高頻雷達(dá)散射截面特性如圖11 ～圖16所示。

圖11 圍殼為方形的艦船子午面RCSFig.11 Vertical RCS of ship with quadrate sail

圖12 圍殼為方形的艦船水平面RCSFig.12 Horizontal RCS of ship with quadrate sail

圖13 圍殼為橢圓柱的艦船子午面RCSFig.13 Vertical RCS of ship with elliptic-pole sail

圖14 圍殼為橢圓柱的艦船水平面RCSFig.14 Horizontal RCS of ship with elliptic-pole sail

圖15 圍殼為橢球形的艦船子午面RCSFig.15 Vertical RCS of ship with ellipsoidal sail

圖16 圍殼為橢球形的艦船水平面RCSFig.16 Horizontal RCS of ship with ellipsoidal sail

由仿真結(jié)果可知，吸波材料涂覆圍殼形狀不同的艦船，可使其子午面和水平面RCS 均得到不同程度的縮減。涂覆第1 種吸波材料時(shí)，可使艦船RCS在較大角度范圍獲得大約10 dBsm 的縮減效果，在一些角度范圍甚至達(dá)到幾十dBsm 的效果。而涂覆第2 種吸波材料，則可使艦船RCS 進(jìn)一步縮減2 ～5 dBsm?？梢?jiàn)，涂覆吸波材料的電磁參數(shù)對(duì)艦船RCS有較大影響，需通過(guò)一定的優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)艦船的雷達(dá)波隱身材料參數(shù)設(shè)計(jì)，且更精細(xì)的電磁建模還需考察吸波材料涂覆位置的影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

將高頻雷達(dá)目標(biāo)特性仿真應(yīng)用到艦船的雷達(dá)波隱身技術(shù)研究中，系統(tǒng)地模擬了艦船的雷達(dá)散射截面、高分辨率一維距離像和二維聚束合成孔徑雷達(dá)成像。作為初步探索研究，考察了圍殼分別為方形、橢圓柱和橢球形結(jié)構(gòu)時(shí)艦船的雷達(dá)目標(biāo)特性，并分析了各向同性介質(zhì)薄層吸波材料對(duì)艦船雷達(dá)目標(biāo)特性的影響，可在一定程度上為艦船的雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)提供理論參考。為了使該研究更加精細(xì)化，在后續(xù)工作中還需進(jìn)一步考慮通信天線、潛望鏡和升降裝置等部件，甚至海洋環(huán)境對(duì)艦船雷達(dá)目標(biāo)特性的影響，以探索更加滿足實(shí)際工程需求的艦船雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)方案。

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