飛機(jī)運(yùn)動特征對動態(tài)RCS序列的影響分析?

劉萬萌，童創(chuàng)明，王 童，翟夕陽

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安 710051）

飛機(jī)運(yùn)動特征對動態(tài)RCS序列的影響分析?

劉萬萌，童創(chuàng)明，王 童，翟夕陽

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安 710051）

針對超音速隱身飛機(jī)難以探測的問題，仿真分析了F-22飛機(jī)在不同運(yùn)動特征下的動態(tài)RCS，并對其頻率響應(yīng)和極化響應(yīng)特性做進(jìn)一步的研究。首先設(shè)定飛行航跡，并考慮實(shí)際中隨機(jī)抖動的影響，獲取時(shí)變的雷達(dá)視線姿態(tài)角；其次應(yīng)用物理光學(xué)并結(jié)合等效電磁流的方法，計(jì)算分析了飛機(jī)以不同的速度沿不同航跡飛行時(shí)的動態(tài)RCS。對于使飛機(jī)動態(tài)RCS變化最明顯的運(yùn)動特征，仿真計(jì)算了其在不同頻段、不同極化下的動態(tài)RCS。仿真結(jié)果表明：在不同航跡下，飛機(jī)速度對其動態(tài)RCS的影響程度不同，且當(dāng)飛機(jī)沿小航路捷徑低速或者高速飛行時(shí)，其RCS值減小最為明顯，利用極化響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性可以有效地削弱這一影響。研究成果對于超音速隱身飛機(jī)目標(biāo)的預(yù)警探測具有重要意義。

運(yùn)動特征，速度，超音速隱身目標(biāo)，動態(tài)RCS

0 引言

雷達(dá)散射截面（RCS）是用來度量目標(biāo)對照射電磁波散射能力的物理量，與入射電磁波的頻率、極化方式和雷達(dá)的視線角變化有關(guān)［1］。

目前研究目標(biāo)的動態(tài)散射特性比較常用的方法包括外場測量和仿真計(jì)算［2］，但是外場測量的成本高，且對場地有較高的要求，因此，許多專家學(xué)者更傾向于選擇電磁計(jì)算仿真來研究目標(biāo)的動態(tài)RCS特性，見文獻(xiàn)［3-8］。

隨著飛機(jī)性能的提高，現(xiàn)在已有不少隱身飛機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)超音速飛行，然而涉及飛機(jī)速度對其動態(tài)RCS影響的文獻(xiàn)少之又少。本文將采用準(zhǔn)靜態(tài)法獲取目標(biāo)動態(tài)RCS序列，以能實(shí)現(xiàn)超音速飛行的典型隱身飛機(jī)目標(biāo)F-22為研究對象，研究F-22目標(biāo)沿不同航路捷徑和高度，以不同的速度飛行時(shí)，其動態(tài)RCS的頻率響應(yīng)和極化響應(yīng)特性，為雷達(dá)探測超音速隱身飛機(jī)目標(biāo)提供了仿真依據(jù)。

1 動態(tài)RCS仿真分析

1.1 飛行航跡設(shè)定

為研究超音速隱身目標(biāo)的飛行速度、高度以及航路捷徑對其動態(tài)散射特性的影響，本文將設(shè)定飛機(jī)進(jìn)行側(cè)站定常平飛機(jī)動。在側(cè)站平飛過程中，航跡偏轉(zhuǎn)角保持不變，航跡傾角為零，且速度滾轉(zhuǎn)角也是零［4］。以雷達(dá)所在位置為原點(diǎn)，建立地面雷達(dá)坐標(biāo)系 OXgYgZg［7］，飛機(jī)沿OXg軸負(fù)向做側(cè)站平飛機(jī)動，則在雷達(dá)坐標(biāo)系中，依據(jù)空氣動力學(xué)原理可得：

式中，V為飛機(jī)側(cè)站平飛速度；P為發(fā)動機(jī)推力；G為飛機(jī)重力；α為迎角；X和Z分別為空氣阻力和升力?；谏鲜?，對側(cè)站平飛的航跡建模并求解，求得迎角α≈5°，在飛行過程中飛機(jī)保持姿態(tài)不變。在側(cè)站定常平飛航跡中，當(dāng)巡航高度H=6 km時(shí)，大航路捷徑和小航路捷徑分別選取CS=90km和CS=10km；航路捷徑為40 km時(shí)，高度選取H=3 km和H=10 km的兩種情況。隱身飛機(jī)的突防起點(diǎn)均選取與雷達(dá)站水平距離x=100 km處。在以上設(shè)定的每一條航跡中，采用準(zhǔn)靜態(tài)法獲取超音速隱身目標(biāo)的速度為0.5 Ma、1.1 Ma和1.7 Ma時(shí)的動態(tài)RCS，對比分析飛行速度在不同航路捷徑和高度下對其動態(tài)RCS的影響。

1.2 雷達(dá)視線角解算

在飛機(jī)航跡設(shè)定中已經(jīng)建立了地面雷達(dá)坐標(biāo)系，下面將建立機(jī)體坐標(biāo)系并定義雷達(dá)視線姿態(tài)角，如圖2所示。

圖1 預(yù)設(shè)飛行航跡

圖2 機(jī)體坐標(biāo)系下雷達(dá)視線姿態(tài)角

空間中任一點(diǎn)P在地面雷達(dá)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為，定義φ、η和γ分別為偏航角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，通過這3個(gè)角度可以建立點(diǎn)P在雷達(dá)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)與其在機(jī)體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)之間的關(guān)系［1，9］：

飛機(jī)在飛行過程中難以避免風(fēng)向、氣流等自然因素的影響，會產(chǎn)生隨機(jī)抖動，這是一個(gè)隨機(jī)過程，其最終結(jié)果是導(dǎo)致雷達(dá)視線角的隨機(jī)抖動，因此，在解算雷達(dá)視線角時(shí)疊加隨機(jī)抖動的影響更加符合實(shí)際情況。本文采用如下的隨機(jī)抖動模型［10］對這種姿態(tài)抖動的影響進(jìn)行描述：

圖3 H=6 km，CS=10 km的雷達(dá)視線角

1.3 目標(biāo)RCS計(jì)算

1.3.1 RCS計(jì)算方法

物理光學(xué)法（PO）是用散射體表面的感應(yīng)電流取代散射體本身，通過對表面感應(yīng)場的近似和積分而求得散射場，其出發(fā)點(diǎn)是Stratton-Chu散射場積分方程。在平面波入射情況下，物體表面遠(yuǎn)區(qū)散射場可寫為［12］：

等效電磁流法（MEC）是對棱邊的繞射計(jì)算［13］，該方法的基本點(diǎn)是假設(shè)在圍繞奇異性（邊緣回路）的各點(diǎn)處存在線電流和線磁流，并以遠(yuǎn)場輻射積分的形式對它們求和，克服了焦散問題。對于邊緣為C的任意劈邊，它的遠(yuǎn)區(qū)邊緣繞射場可表示為：

1.3.2 算法有效性驗(yàn)證

這里采用等效電磁流棱邊修正的物理光學(xué)法和FEKO中的快速多極子（MLFMM）對F-22目標(biāo)模型的后向散射進(jìn)行計(jì)算，圖4中0°對應(yīng)機(jī)頭方向，入射波頻率為3 GHz，水平極化，俯仰角為90°?？梢钥闯觯撍惴ㄓ?jì)算結(jié)果與商用軟件計(jì)算結(jié)果吻合的很好，證明了該算法的正確性。從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨方位角變化，F(xiàn)22的RCS值起伏較大，最大值和最小值之差達(dá)到50 dB，而且在正前鼻錐方向水平±45°和正后方±30°范圍內(nèi)RCS值普遍較小，其平均值分別為-17 dB和-5 dB，隱身效果較為明顯，但F-22超音速隱身飛機(jī)的側(cè)向RCS值較大。

圖4 f=3 GHz時(shí)F22的RCS特性曲線

1.4 動態(tài)RCS序列仿真分析

下面將對比分析F-22隱身飛機(jī)沿不同的航路捷徑和高度，以不同速度飛行時(shí)的動態(tài)RCS時(shí)間序列特性，入射波頻率為3 GHz。首先分析F-22隱身飛機(jī)沿不同的航路捷徑，以不同的速度飛行時(shí)的動態(tài)RCS序列特性，仿真結(jié)果見下頁圖5。

由圖5（a）可以看出，當(dāng)F-22隱身飛機(jī)采取低速（V=0.5 Ma）飛行時(shí)，只有在 375 s～450 s時(shí)間段內(nèi)，其RCS值比V=1.1 Ma時(shí)較大些，其余時(shí)間段內(nèi)均偏??；當(dāng)飛機(jī)采取高速（V=1.7 Ma）飛行時(shí)，只有在125 s～200 s時(shí)間段內(nèi)，其RCS值比V=1.1 Ma時(shí)較大些，其余時(shí)間段內(nèi)均偏小，而且飛機(jī)高速飛行時(shí)的動態(tài)RCS時(shí)間序列起伏劇烈。這是因?yàn)楫?dāng)航路捷徑較小時(shí)，只有飛機(jī)飛行到雷達(dá)站附近時(shí)，其側(cè)面才會較多地暴露在雷達(dá)探測范圍之內(nèi)。如果飛機(jī)低速飛行，則在較長的時(shí)間內(nèi)是機(jī)頭方向暴露在雷達(dá)的探測范圍之內(nèi)；如果飛機(jī)高速飛行，則飛機(jī)在雷達(dá)站附近飛行的時(shí)間很短，在較長的時(shí)間內(nèi)是機(jī)頭或機(jī)尾方向暴露在雷達(dá)探測范圍之內(nèi)。因此，當(dāng)飛機(jī)采取高速和低速飛行時(shí)，都會對這段時(shí)間內(nèi)的動態(tài)RCS序列產(chǎn)生很大的影響。從圖5（b）可以看出，飛機(jī)沿大航路捷徑飛行時(shí)，其RCS起伏偏差并不如小航路捷徑時(shí)那么明顯。原因是當(dāng)航路捷徑較大時(shí)，即使飛機(jī)采取高速飛行，其雷達(dá)視線角的變化范圍仍不會很大，這種情況可以理解為大航路捷徑“削弱”了飛機(jī)飛行速度對其動態(tài)RCS的影響。進(jìn)一步比較圖5可以看出，當(dāng)飛機(jī)沿小航路捷徑飛行時(shí)，其RCS值起伏劇烈。

圖6是F-22隱身飛機(jī)以不同的速度沿不同高度飛行時(shí)的動態(tài)RCS序列。由圖6（a）可以得出，F(xiàn)-22目標(biāo)沿大高度飛行過程中，當(dāng)采取低速飛行時(shí)，在400 s～500 s時(shí)間段內(nèi)，其RCS值比速度適中時(shí)較大些；當(dāng)采取高速飛行時(shí)，在125 s～200 s時(shí)間段內(nèi)，其RCS值比速度V=1.1 Ma時(shí)較大些，這與飛機(jī)沿小航路捷徑飛行時(shí)的現(xiàn)象類似，那么原因也是相似的。從圖6（b）中可以看出，飛機(jī)沿小高度飛行過程中，不論其速度是多少，其動態(tài)RCS起伏偏差均不大，這是因?yàn)楫?dāng)飛行高度較低時(shí)，雷達(dá)視線角變化范圍并不大。同樣，這種情況可以理解為小高度“削弱”了飛機(jī)飛行速度對其動態(tài)RCS時(shí)間序列的影響。比較圖6，兩圖中的動態(tài)RCS序列變化趨勢差別并不明顯，由此可以得出飛行高度對飛機(jī)動態(tài)RCS序列的影響并不大。

圖5 不同航路捷徑的動態(tài)RCS序列

圖6 不同高度的動態(tài)RCS序列

2 動態(tài)RCS頻率響應(yīng)和極化響應(yīng)特性分析

上述分析表明，當(dāng)飛機(jī)沿小航路捷徑（CS=10km）飛行時(shí)，若其速度偏低或者偏高，均對其動態(tài)RCS序列產(chǎn)生很大的影響。現(xiàn)以F-22隱身目標(biāo)為研究對象，分析目標(biāo)沿小航路捷徑飛行過程中，采取低速或高速飛行時(shí)的動態(tài)RCS頻率響應(yīng)和極化響應(yīng)特性。

2.1 低速飛行時(shí)動態(tài)RCS頻率響應(yīng)和極化響應(yīng)特性分析

當(dāng)F-22隱身目標(biāo)采取較低速度（V=0.5 Ma）沿小航路捷徑（CS=10 km）飛行時(shí)，在VHF頻段、L頻段和X頻段兩種極化的動態(tài)RCS時(shí)間序列如圖7所示，動態(tài)RCS的均值和中值如表1。

圖7 V=0.5 Ma時(shí)不同頻段和極化通道的動態(tài)RCS序列

表1 動態(tài)RCS的統(tǒng)計(jì)參數(shù)（單位：dBsm）

由圖7和表1可得，目標(biāo)RCS值隨頻率的降低而增大，這是因?yàn)樵诿撞ǘ螘r(shí)，目標(biāo)尺寸與電磁波波長在同一數(shù)量級，目標(biāo)產(chǎn)生了諧振現(xiàn)象。同時(shí)還可以看出，水平極化的RCS值普遍大于垂直極化的RCS值，這是因?yàn)樗綐O化的入射波電場方向與飛機(jī)平飛平面平行，飛機(jī)在電場方向的投影長度增大導(dǎo)致RCS值增大。仿真結(jié)果說明，當(dāng)隱身目標(biāo)沿小航路捷徑低速飛行時(shí)，采用水平極化的米波段電磁波探測，可以有效地削弱飛機(jī)這一運(yùn)動特征對動態(tài)RCS的影響。

2.2 高速飛行時(shí)動態(tài)RCS頻率響應(yīng)和極化響應(yīng)特性分析

設(shè)定F-22目標(biāo)速度為V=1.7 Ma，其他參數(shù)與圖7相同。仿真結(jié)果如圖8，動態(tài)RCS的均值和中值如下頁表2所示。

圖8 V=1.7 Ma時(shí)不同頻段和極化通道的動態(tài)RCS序列

表2 動態(tài)RCS的統(tǒng)計(jì)參數(shù)（單位：dBsm）

由圖8和表2可以看出，當(dāng)超音速隱身飛機(jī)沿小航路捷徑高速飛行時(shí)，其仿真結(jié)果與飛機(jī)低速飛行時(shí)結(jié)果相似。

3 結(jié)論

為充分研究超音速隱身飛機(jī)的運(yùn)動特征對其動態(tài)RCS序列的影響，文中仿真了12組側(cè)站平飛的動態(tài)RCS時(shí)間序列。仿真結(jié)果表明，當(dāng)飛機(jī)沿小航路捷徑低速或者高速飛行時(shí)，均會對其動態(tài)RCS時(shí)間序列產(chǎn)生很大的影響。然后仿真分析了F-22隱身飛機(jī)在這一運(yùn)動特征下的頻率響應(yīng)和極化響應(yīng)特性，得出采用水平極化的米波段電磁波探測，可以有效地削弱飛機(jī)速度偏低或者偏高對其動態(tài)RCS的影響，增強(qiáng)雷達(dá)目標(biāo)檢測的連續(xù)性。研究成果對于動態(tài)RCS時(shí)間序列的測量分析和隱身飛機(jī)的預(yù)警探測有重要意義，尤其是為雷達(dá)探測高性能的超音速隱身飛機(jī)目標(biāo)提供了理論依據(jù)。

［1］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.

［2］胡明春.雷達(dá)目標(biāo)電磁散射特性仿真與測量［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2012，34（10）：1-5.

［3］莊亞強(qiáng)，張晨新.典型隱身飛機(jī)動態(tài)RCS仿真及統(tǒng)計(jì)分析［J］.微波學(xué)報(bào)，2014，30（5）：17-21.

［4］王大朋，張晨新.運(yùn)動特征對飛機(jī)動態(tài)RCS分布特性的影響分析［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，16（4）：19-23.

［5］王明琨，張晨新.典型機(jī)動目標(biāo)動態(tài)RCS特性研究［J］.科技通報(bào)，2015，31（7）：106-111.

［6］蘇東林，曾國奇.運(yùn)動目標(biāo)RCS特性分析［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32（12）：1413-1417.

［7］周超，張小寬.典型隱身飛機(jī)動態(tài)RCS時(shí)間序列研究［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，14（3）：15-18.

［8］周超，張小寬.基于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換目標(biāo)動態(tài)RCS時(shí)間序列研究［J］.火力與指揮控制，2014，39（3）：56-59.

［9］楊建軍，王君.地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)概論［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［10］李民權(quán)，吳先良.飛機(jī)目標(biāo)的抖動及雷達(dá)散射截面計(jì)算［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，26（5）：1021-1024.

［11］羅宏.動態(tài)雷達(dá)目標(biāo)的建模與識別研究［D］.北京：航天總公司第二研究院，1999.

［12］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.

［13］MICHAELI A.Equivalent edge currents for arbitrary aspects of observation ［J］.IEEE Trans.Antennas Propagat，1984，32（3）：252-258.

Analysis of the Impact of Aircraft Movement Feature on Dynamic RCS Series

LIU Wan-meng，TONG Chuang-ming，WANG Tong，ZHAI Xi-yang

（Air and Missile Defense Academy，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

To solve the problem of difficult detection for supersonic speed stealth target，the dynamic RCS of F-22 stealth aircraft at different movement feature is simulated and the further research on the frequency and polarization response characteristics is done in this paper.The flight tracks are set and the real-time angles of radar sight with random jitter are obtained.Subsequently，by using physical optics and method of equivalent currents，the dynamic RCS of different speed aircraft at different flight tracks is simulated and analyzed.As for the movement feature that has the biggest effect on the dynamic RCS，its dynamic RCS on different frequencies and polarizations is simulated.The simulation results show that the flying speed affects dynamic RCS differently at different flight tricks，and the RCS value is lowest when the aircraft flies at small course short-cut at lower or higher speed.By using the frequency and polarization response characteristics can weaken the influence efficiently.The results of this paper are of great significance to the early warning and detection of supersonic speed stealth aircraft.

movement feature，speed，supersonic speed stealth target，dynamic RCS

V212

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.07.008

1002-0640（2017）07-033-06

2016-05-05

2016-07-17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61372033）

劉萬萌（1993- ），男，山東菏澤人，碩士研究生。研究方向：目標(biāo)與環(huán)境散射。