初步設(shè)計(jì)階段桅桿外形的隱身性評(píng)估與改進(jìn)

杜曉佳，崔玫

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

初步設(shè)計(jì)階段桅桿外形的隱身性評(píng)估與改進(jìn)

杜曉佳，崔玫

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

桅桿作為重要的雷達(dá)波散射源，將直接影響到整個(gè)艦船的隱身性。在艦船設(shè)計(jì)初期，如何評(píng)估和改進(jìn)桅桿的隱身性顯得十分重要。以一個(gè)典型的封閉式桅桿為研究對(duì)象，分析評(píng)估參數(shù)對(duì)隱身性計(jì)算結(jié)果的影響，得到該桅桿的主要反射機(jī)制，識(shí)別出桅桿大部分RCS峰值是由單次反射引起，并給出桅桿外形隱身調(diào)整建議。結(jié)果顯示，若發(fā)生橫搖，附屬平臺(tái)和桅桿主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的二面角效應(yīng)會(huì)增強(qiáng)，所得結(jié)論可為初步設(shè)計(jì)階段艦船桅桿的隱身性評(píng)估和改進(jìn)提供參考。

桅桿；雷達(dá)散射截面積；評(píng)估；隱身性

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引用格式：杜曉佳，崔玫.初步設(shè)計(jì)階段桅桿外形的隱身性評(píng)估與改進(jìn)［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（2）：127-132.

DU Xiaojia，CUI Mei.Stealth evaluation and improvement of mast configuration in the preliminary design stage［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（2）：127-132.

0　引　言

隱身技術(shù)是通過(guò)降低目標(biāo)在特定區(qū)域內(nèi)的可探測(cè)信號(hào)，進(jìn)而降低敵方設(shè)備探測(cè)概率的一項(xiàng)綜合技術(shù)［1-2］。在所有可探測(cè)的艦船信號(hào)中，雷達(dá)反射是水面艦船最主要的威脅之一。因此，艦船的雷達(dá)隱身性成為提升艦船在戰(zhàn)場(chǎng)上的突襲能力和生存能力的重要指標(biāo)之一［3-4］。

受地球曲率的限制，桅桿系統(tǒng)外形設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接影響到全艦雷達(dá)隱身性［5］。目前，艦船的隱身性設(shè)計(jì)采用的是全艦雷達(dá)散射截面積（RCS）指標(biāo)分配方法，一般是將桅桿作為獨(dú)立的部件進(jìn)行隱身性研究［6-7］。在設(shè)計(jì)時(shí)，桅桿外形必須達(dá)到被分配的隱身性指標(biāo)要求。因此，有必要單獨(dú)針對(duì)桅桿隱身性開(kāi)展研究。

1　RCS高頻計(jì)算方法

艦船的RCS量級(jí)較高，而直接采用應(yīng)用于飛行器行業(yè)的高精度RCS計(jì)算方法會(huì)帶來(lái)極大的計(jì)算工作量。在艦船封閉式桅桿設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)者更注重其主要反射原因的分析和隱身性的改進(jìn)，這就允許設(shè)計(jì)者在計(jì)算精準(zhǔn)度與工作量上進(jìn)行平衡。

桅桿的特征尺寸遠(yuǎn)大于雷達(dá)波長(zhǎng)，其RCS計(jì)算問(wèn)題屬于電大尺寸問(wèn)題，可以用高頻近似計(jì)算方法來(lái)處理此類(lèi)問(wèn)題。本文將選取幾何/物理光學(xué)混合法作為桅桿的RCS計(jì)算方法。

幾何光學(xué)法（GO）由傳統(tǒng)的光學(xué)規(guī)律推導(dǎo)而來(lái)。幾何光學(xué)近似假定雷達(dá)波主要沿著射線路徑的特殊軌跡進(jìn)行傳播［8］。雷達(dá)波入射到物體表面上的行為可用Snell定律來(lái)表述，此時(shí)，后向雷達(dá)截面積可表述為

式中，ρ1和 ρ2為物體表面在反射點(diǎn)處曲線的雙曲率半徑。當(dāng)曲線半徑無(wú)限大時(shí)，便無(wú)法使用幾何光學(xué)法。

物理光學(xué)法（PO）推導(dǎo)的出發(fā)點(diǎn)為Stratton-Chu射場(chǎng)積分公式［9］。物理光學(xué)法設(shè)定陰影邊界的電流為0，在偏離入射方向較大角處或陰影區(qū)域內(nèi)的散射場(chǎng)積分是不準(zhǔn)確的。當(dāng)計(jì)算多次反射時(shí)，反射每多增加一次，物理光學(xué)積分就會(huì)多增加兩重積分，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間急劇增加，因此，物理光學(xué)法不適于計(jì)算多次反射。

幾何/物理光學(xué)混合法則是通過(guò)幾何光學(xué)方法計(jì)算目標(biāo)被雷達(dá)照亮區(qū)域和雷達(dá)波沿目標(biāo)的傳播途徑，利用物理光學(xué)法來(lái)計(jì)算照亮區(qū)域的RCS，因此，該方法能夠避免幾何光學(xué)法和物理光學(xué)法的主要缺點(diǎn)。

2　桅桿隱身性評(píng)估參數(shù)設(shè)定

選取與“地平線”級(jí)驅(qū)逐艦相似的桅桿作為外形隱身評(píng)估的幾何模型。在建模時(shí)，對(duì)桅桿進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，忽略安裝在桅桿上的雷達(dá)和通訊等電子設(shè)備（圖1），其中桅桿主體和雷達(dá)平臺(tái)均為四面體，大多數(shù)面板與垂直面的夾角為7°～8°。鋼材和頻率選擇表面（FSS）材料是艦船桅桿的主要材料?？紤]到外形隱身是本文的主要研究目的，因此，將桅桿視為理想導(dǎo)體，桅桿的內(nèi)部電場(chǎng)為0。

考慮到反艦雷達(dá)和早期預(yù)警雷達(dá)的應(yīng)用性能，本文考慮L，S，C，X和Ku波段中心頻率下桅桿的隱身性，對(duì)應(yīng)的雷達(dá)波波長(zhǎng)為20，10，5，3和2 cm。艦船所要面對(duì)的探測(cè)環(huán)境主要來(lái)自敵方單個(gè)艦船或空中武器平臺(tái)，在海軍領(lǐng)域，單站隱身性更為重要。

艦船RCS是隨照射角度的變化而急劇變化，要在所有角度上實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波隱身是不可行的，隱身設(shè)計(jì)的目的應(yīng)是降低在雷達(dá)危險(xiǎn)區(qū)域的RCS［10］。因此，設(shè)定桅桿的雷達(dá)波威脅區(qū)域仰角為0°，水平角為0°～360°。

圖1　桅桿幾何模型Fig.1　Geometric model of the mast

3　桅桿隱身性影響因素分析

3.1雷達(dá)波參數(shù)的影響

研究桅桿RCS與雷達(dá)波的頻率和水平角的關(guān)系。桅桿面對(duì)不同頻率（垂直極化）雷達(dá)波時(shí)的RCS分布如圖2所示，其頻率間隔為1 GHz。由圖2可知：在不同頻率雷達(dá)波的照射下，桅桿的“亮點(diǎn)”位置不變；頻率越高，RCS值分布超過(guò)30 dBm2的區(qū)域就越小，即RCS峰值區(qū)域隨頻率的升高而減小；桅桿在0°和180°附近區(qū)域的雷達(dá)波反射總是最大。如果敵人的雷達(dá)位于船舶的正前方或正后方，則此時(shí)桅桿的反射能量是最強(qiáng)的。當(dāng)入射方向在接近90°和270°的水平角時(shí)，各個(gè)頻率下RCS的強(qiáng)度也很高。

研究RCS與雷達(dá)波波長(zhǎng)及極化方向的關(guān)系。不同極化下威脅區(qū)域內(nèi)RCS計(jì)算結(jié)果平均值和最大值的變化曲線如圖3所示。在水平極化和垂直極化模式下，RCS隨頻率的變化趨勢(shì)相似，極化方向?qū)Ψ亲畲笾档慕嵌扔绊懜蟆?/p>

RCS平均值和最大值隨頻率的變化規(guī)律是復(fù)雜的，即使是相同的極化方向，也會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。但平均值和最大值有相似的變化趨勢(shì)，這是因?yàn)镽CS最大值一般都遠(yuǎn)大于其他角度的RCS值，故最大值在平均值中占有很大的比重。

圖2　不同頻率和角度的桅桿RCS分布Fig.2　RCS distribution of mast in different frequencies and angles

圖3　極化/波長(zhǎng)的影響Fig.3　Influences of wavelength and polarization

3.2船體搖動(dòng)的影響

受波浪和風(fēng)的影響，艦船的搖動(dòng)不可避免，因此有必要研究艦船橫搖對(duì)桅桿RCS的影響［11］。將該艦船橫搖角范圍設(shè)置為±30°，橫搖角采樣間隔為5°，桅桿RCS分布計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4　隨船體搖動(dòng)的RCS分布Fig.4　Variations of RCS with ship rolling

雖然發(fā)生了橫搖，但桅桿在前方或后方的橫截面幾乎沒(méi)有變化，在0°和180°附近的RCS值基本穩(wěn)定；當(dāng)橫搖角小于10°時(shí)，桅桿RCS峰值區(qū)域基本沒(méi)有變化，即小角度橫搖時(shí)對(duì)桅桿RCS的影響較??；當(dāng)桅桿發(fā)生大角度的橫搖時(shí)，RCS峰值區(qū)域有較明顯的變化，特別是在右傾情況下，形成了一個(gè)較大的散射峰值區(qū)域。由于RCS的上升是區(qū)域性的，故可判斷為由多次反射造成。與幾何模型進(jìn)行對(duì)比，可判別這些峰值區(qū)域是由桅桿外伸的承載雷達(dá)基座與桅桿主結(jié)構(gòu)組成的二面角所引起。可見(jiàn)，艦船橫搖會(huì)增加桅桿的二面角效應(yīng)。

4　雷達(dá)反射特征分析

雷達(dá)反射特征分析的主要目的是了解桅桿反射雷達(dá)波的主要特性，為桅桿隱身性的評(píng)估和改進(jìn)提供支撐?？赏ㄟ^(guò)反射機(jī)制分析和主要反射源分析這2部分的研究來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。本節(jié)選取的評(píng)估雷達(dá)波為垂直極化的X波段雷達(dá)波。

4.1桅桿雷達(dá)波反射機(jī)制分析

桅桿單次/兩次反射雷達(dá)波反射的RCS計(jì)算結(jié)果如圖5所示。計(jì)入二次反射后，大多數(shù)角度的RCS峰值沒(méi)有明顯變化，桅桿大部分RCS峰值主要由單次反射引起。當(dāng)入射波為0°時(shí)RCS值最大，在單次反射時(shí)為22.5 dBm2，二次反射時(shí)增長(zhǎng)到46.6 dBm2。在這個(gè)入射角度下，二次反射比單次反射更為強(qiáng)烈。二次反射帶來(lái)的是區(qū)域角度的RCS變化。

圖5　單次/二次反射計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.5　Comparison of the specular/double reflection

對(duì)比RCS峰值角度和桅桿幾何模型，可以得到如下判斷：二次反射是由桅桿外伸結(jié)構(gòu)和桅桿主體結(jié)構(gòu)組成的二面角所產(chǎn)生。在下一小節(jié)也將證明這一結(jié)論。

圖6為分別計(jì)入二次/三次反射后的RCS計(jì)算結(jié)果對(duì)比。由圖可看出，兩條曲線僅在少數(shù)角度上有微小的差別，且在一定程度上可被忽略。故在威脅區(qū)域內(nèi)，桅桿對(duì)雷達(dá)波的第3次反射非常小，由此可判定第4次反射的影響將會(huì)更小。當(dāng)使用GO/PO法計(jì)算桅桿RCS時(shí)，一般三次反射計(jì)算結(jié)果即能滿足計(jì)算需求。

圖6　兩次/三次反射對(duì)比Fig.6　Comparison of the double/triple reflection

4.2桅桿雷達(dá)波反射源分析

為了找到桅桿的主要反射源，將桅桿的附屬雷達(dá)平臺(tái)分為了6個(gè)部分，標(biāo)號(hào)如圖7所示。圖8所示為分別去除6個(gè)雷達(dá)承載平臺(tái)后的RCS計(jì)算結(jié)果。從圖8（a）中可以看出，去除#1雷達(dá)承載平臺(tái)后，桅桿RCS在23°，67°，111°，157°，202°，243° 和337°附近處的峰值點(diǎn)消失。而在圖5所示的桅桿單次反射RCS計(jì)算結(jié)果中，這些峰值點(diǎn)是存在的。鑒于這些入射角度與#1雷達(dá)承載平臺(tái)的幾何關(guān)系，可以推得這些峰值點(diǎn)是由#1雷達(dá)承載平臺(tái)的單次反射所造成。

圖7　附屬雷達(dá)基座示意圖Fig.7　Schematic diagram of subsidiary radar base label

圖8　分別去除附屬平臺(tái)前、后的RCS計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.8　Comparisons of RCS computing results with and without subsidiary base，individually

#2，#5和#6附屬平臺(tái)為在桅桿前面突出的矩形體。從圖8（b）和圖8（e）可以看到，#2和#5結(jié)構(gòu)只影響到了桅桿正前方角的RCS值，未影響到其他角度。去除#5附屬平臺(tái)后，0°方向的RCS峰值從45.5 dBm2下降到了30.9 dBm2，可見(jiàn)#5結(jié)構(gòu)為桅桿0°方向雷達(dá)波反射的一個(gè)主要源。在圖8（f）中，去除#6平臺(tái)后，桅桿RCS在283°～344°區(qū)域內(nèi)顯著減少，而其他角度的影響可以忽略，經(jīng)與幾何模型對(duì)比，可判定這是由#6平臺(tái)右側(cè)板與主桅體組成的二面角所產(chǎn)生的效果。因此，可判定#2平臺(tái)的設(shè)計(jì)較好，#5平臺(tái)的前側(cè)板和#6平臺(tái)的右側(cè)板需進(jìn)行調(diào)整，建議加大其與桅桿主體結(jié)構(gòu)的夾角。

從圖8（c）可以看到，去除#3附屬平臺(tái)后，當(dāng)入射方向處于在97°，180°和223°附近時(shí)，RCS峰值有較明顯的降低，可判定#3平臺(tái)前側(cè)板和左、右側(cè)板設(shè)計(jì)不佳，建議增大前側(cè)板與垂直面的夾角，增大與桅桿主體結(jié)構(gòu)的夾角。

從圖8（d）可以看出，去除#4結(jié)構(gòu)后，將顯著降低40°和230°處的RCS，但是對(duì)其他角度的影響較小，可忽略。由于多次反射效應(yīng)往往是區(qū)域性的，經(jīng)與幾何模型對(duì)比，可判定這2個(gè)峰值是由#4結(jié)構(gòu)兩側(cè)面板的單次反射所造成，建議增大這2個(gè)板與垂直面的夾角。

由于所有的附屬平臺(tái)對(duì)0°，45°，90°，135°，180°，225°和270°處的RCS峰值影響不大，故可判斷這些角度的峰值是由桅桿主體結(jié)構(gòu)單次反射產(chǎn)生的?？梢酝ㄟ^(guò)改變桅桿主體結(jié)構(gòu)傾角來(lái)改善這些角度的RCS峰值。

5　桅桿外形隱身性評(píng)估流程分析

從本文的分析和計(jì)算結(jié)果來(lái)看，針對(duì)桅桿這類(lèi)艦船外露結(jié)構(gòu)外形的隱身性評(píng)估和優(yōu)化，其基本流程（圖9）可設(shè)定為：

1）對(duì)桅桿RCS的危險(xiǎn)角度考評(píng)范圍進(jìn)行限定，只針對(duì)單站雷達(dá)進(jìn)行考評(píng)；

2）在計(jì)算量和實(shí)際精度需求上進(jìn)行衡量，選取RCS計(jì)算方法；

3）建立合理的桅桿電磁計(jì)算模型，一般情況下不計(jì)入桅桿上的設(shè)備，對(duì)桅桿結(jié)構(gòu)和材料特性進(jìn)行簡(jiǎn)化；

4）計(jì)算不同雷達(dá)參數(shù)下的桅桿RCS，得到桅桿RCS隨雷達(dá)參數(shù)的變化規(guī)律；

5）選取一典型雷達(dá)參數(shù)，對(duì)該雷達(dá)波參數(shù)下的桅桿RCS進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)比分析單次反射和多次反射的計(jì)算結(jié)果，分析桅桿的主要散射特征；

6）對(duì)比不同桅桿模型下的RCS分布，確定桅桿RCS主要反射源，得出桅桿各部位的設(shè)計(jì)優(yōu)劣，給出外形調(diào)整建議；

7）為下一設(shè)計(jì)階段的桅桿RCS考評(píng)做準(zhǔn)備。

圖9　外形隱身評(píng)估流程Fig.9　The evaluation process of stealth shape

6　結(jié)　論

桅桿作為雷達(dá)反射的重要來(lái)源之一，對(duì)艦船整體的的隱身性有較大影響。本文在對(duì)一個(gè)典型的封閉式桅桿的外形進(jìn)行隱身性評(píng)估與分析后，得出以下結(jié)論：

1）桅桿大部分RCS峰值主要由單次反射引起。多次反射較弱，且為區(qū)域性的。多次反射主要由雷達(dá)平臺(tái)與桅桿主體組成的二面角產(chǎn)生。需調(diào)整#3，#4，#5和#6雷達(dá)承載平臺(tái)部分面板的角度，以獲得更好的隱身效果。

2）對(duì)于水平和垂直極化方式，RCS平均值和最大值隨頻率的增加表現(xiàn)出了相同的變化趨勢(shì)。隨著頻率的增加，RCS峰值區(qū)域被壓縮。若發(fā)生較大橫搖角，RCS的峰值區(qū)域會(huì)發(fā)生明顯變化，主要由附屬平臺(tái)和桅桿主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的二面角效應(yīng)增強(qiáng)所致。

同時(shí)，本文還形成了一套桅桿隱身性評(píng)估和改進(jìn)的流程，通過(guò)該流程，可以輔助指導(dǎo)初步設(shè)計(jì)階段艦船外露結(jié)構(gòu)的隱身性設(shè)計(jì)。

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Stealth evaluation and improvement of mast configuration in the preliminary design stage

DU Xiaojia，CUI Mei
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The stealth performance of warships is directly affected by its mast；therefore，the analysis and evaluation of the stealth performance of the ship's mast in the preliminary design stage is the main research purpose of this paper.By taking a typical enclosed ship mast as the research model，the influences of several important parameters on the stealth performance are analyzed，with the major scattering characteristic of the mast being investigated.It is seen that most of RCS peak points are caused by the specular reflection，and the optimal adjustment of mast configuration is presented.When the ship is rolling，the dihedral angle effect caused by the affiliated platform and main structure would intensify.This paper provides a reference for the stealth performance evaluation and improvement of mast configuration in the preliminary design stage.

warship mast；radar cross section；evaluation；stealthiness

U667.1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.018

2015-06-12網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-3-17 10:56

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

杜曉佳（通信作者），男，1988年生，碩士，助理工程師。研究方向：艦船振動(dòng)與雷達(dá)波隱身優(yōu)化。E-mail：duxiaojia2007@126.com