甲板舾裝件雷達波隱身分析與工藝優(yōu)化

曹 峰， 陶江平， 王 波

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032 )

0 引 言

隱身性設計是通過減小或改變自身的物理特性(如雷達、聲、光電、磁和紅外輻射等)來降低被敵方探測設備發(fā)現(xiàn)或被武器追蹤命中的概率。隨著電子技術的發(fā)展，艦船面臨著越來越嚴重的雷達、聲、光電和熱制導反艦武器的威脅。隱身性優(yōu)劣關系著艦船的生存能力，因此對隱身性提出更高的要求，其中雷達波隱身和聲隱身是艦船隱身設計的關鍵[1]。

雷達散射截面(Radar Cross Section， RCS)是表征目標雷達波隱身性能的特征值。減小目標RCS的方法有:外形優(yōu)化設計、隱身材料、有源對消和無源對消。其中，外形優(yōu)化設計是利用不同外形具有不同雷達波散射性的特點來減小目標威脅方向上雷達散射截面，是艦艇雷達波隱身的重要手段，利用隱身材料吸收雷達波能量取得隱身效果[2]。

艦船為系統(tǒng)工程，涵蓋功能各異的設備。通常不會直接對船舶整體進行隱身設計，而是將其拆分成不同部分，針對不同部分分別進行雷達波隱身設計[3]。由于甲板上布置較多功能性舾裝件，若布置及工藝處理不合理，會形成較大的雷達散射截面，影響整船的隱身性。從船舶建造工藝的角度，對甲板舾裝件進行工藝優(yōu)化，降低舾裝件的雷達散射截面，提高整船的隱身性。

1 雷達散射截面計算方法

RCS是用于描述目標散射體電磁特性的一個重要指標，其定義式為

(1)

式中：σ為雷達散射截面；R為目標到雷達接收器的距離；Es為散射電場；Hs為散射磁場;Ei為入射電場；Hi為入射磁場。

雷達散射截面不僅與物體的大小、形狀、結構和材料等有關，而且與入射電磁波的頻率、極化以及波形等特性也有關。RCS 是標量，其單位是m2，又由于目標的RCS 動態(tài)變化范圍很大，常用其對于1 m2的分貝數(shù)來表達，即dBm2，符號為

σdBm2=10lgσ(2)

雷達散射截面的數(shù)值計算方法主要有矩量法、多層快速多極子法、有限元法、時域有限差分法、高頻近似方法和混合方法等。

按目標的特征尺寸相對于電磁波波長的大小，可以將目標散射特性分成3個區(qū)：瑞利區(qū)(低頻區(qū))、諧振區(qū)(中頻區(qū))和光學區(qū)(高頻區(qū))。本船目標散射特性為光學區(qū)，計算采用高頻近似算法。高頻近似算法包括幾何光學法、物理光學法、幾何繞射理論等。

FEKO軟件以矩量法、多層快速多極子法、高頻精確算法和近似算法為主，配以求解復雜介質(zhì)體的有限元方法，并具有矩量法和高頻近似算法相結合的混合算法，在保證精度的前提下提高了計算規(guī)模及計算效率，適合求解電大尺寸等復雜的電磁問題[4]。

2 雷達散射截面計算與分析

2.1 雷達散射截面計算流程

基于典型舾裝件的結構尺寸、布置及常用探測雷達技術參數(shù)，按照以下流程進行仿真分析：

(1) 幾何模型。利用三維建模軟件，完成舾裝件的幾何建模，模型比例為1∶1，且y軸指向船首方向，x軸指向右舷方向，z軸指向上層建筑方向。

(2) 網(wǎng)格模型。利用網(wǎng)格劃分軟件完成舾裝件的表面網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型為三角形面網(wǎng)格，標準網(wǎng)格單元大小取入射雷達波波長的1/3。

(3) 物理模型。將網(wǎng)格模型導入FEKO軟件中，基于以下參數(shù)建立物理模型，完成雷達散射截面仿真[5]。

① 雷達波散射特點：單站散射。

② 雷達波頻率：9 GHz。

③ 雷達波仰角：4°。

④ 雷達波水平方位角：0°～360°。

⑤ 雷達波類型：平面波。

⑥ 舾裝件材料：金屬。

⑦ 計算算法：物理光學法。

2.2 雷達散射截面仿真計算與分析

選取典型舾裝件：索道牽引車、梯子、露天部位水龍帶箱和天線基座(面板、肘板)，基于2.1節(jié)的計算流程，對典型舾裝件進行雷達散射截面計算及分析。

2.2.1 索道牽引車

基于雷達散射截面仿真流程，對索道牽引車進行仿真分析。索道牽引車的幾何模型如圖1所示，網(wǎng)格模型如圖2所示，仿真計算結果如圖3所示。

圖1 索道牽引車幾何模型

圖2 索道牽引車網(wǎng)格模型

圖3 索道牽引車雷達散射截面

根據(jù)計算結果可知：索道牽引車的最大雷達散射截面為15.20 dBm2，出現(xiàn)在水平方位角90°和270°處。

索道牽引車為功能性機器設備，其布置位置及外形均難以改變。同時,索道牽引車的使用頻率相對較低，因此考慮設置雷達隱身罩。當索道牽引車不工作時，用雷達隱身罩遮蔽索道牽引車；當需要索道牽引車工作時，移除雷達隱身罩。采用高效隱身罩，可使雷達散射截面縮小80%[6]。

考慮到牽引車工作時需移除雷達隱身罩，隱身罩的重量不能過重且應便于拆裝。隱身罩材料可選擇密度較輕的玻璃纖維復合材料和PVC結構泡沫。同時，在隱身罩上設置螺栓孔，通過鉸鏈與索道牽引車基座固定。隱身罩采用2段式，隱身罩底部設置滾輪，嵌入底部軌道中。牽引車工作時，解除隱身罩的固定，將隱身罩分離為2部分，露出牽引車工作部位；當牽引車不工作時，合攏隱身罩并固定。

2.2.2 梯子

基于雷達散射截面仿真流程，對梯子進行仿真分析。梯子的幾何模型如圖4所示，網(wǎng)格模型如圖5所示，計算結果如圖6所示。

圖4 梯子幾何模型

圖5 梯子網(wǎng)格模型

圖6 梯子雷達散射截面

根據(jù)計算結果可知：梯子的最大雷達散射截面為13.55 dBm2，出現(xiàn)在水平方位角121°和239°處。

梯子為標準舾裝件，其外形及尺寸須滿足標準要求，同時梯子具有功能性需求，難以改變安裝位置，因此考慮在梯子上涂覆吸波材料。根據(jù)文獻資料信息，高效吸波材料可使雷達散射截面縮小80%[7]。

常用的雷達波吸波材料有橡膠涂層、鐵氧體吸波材料、多晶鐵纖維吸收劑及納米隱身材料等?？紤]到梯子的使用頻率較高，選擇吸波材料時，需要考慮材料的耐磨性。

考慮到梯子的最大雷達散射截面均在水平方位角121°和239°處，在進行梯子安裝時，如有可能，盡量使梯子在這2個水平方位角處，處于遮蔽狀態(tài)。

2.2.3 露天部位水龍帶箱

基于雷達散射截面仿真流程，對水龍帶箱進行仿真分析。水龍帶箱的幾何模型如圖7所示，網(wǎng)格模型如圖8所示，仿真計算結果如圖9所示。

圖7 水龍帶箱幾何模型

圖8 水龍帶箱網(wǎng)格模型

圖9 天線基座雷達散射截面

水龍帶箱的最大雷達散射截面為23.60 dBm2，出現(xiàn)在水平方位角0°和180°處。

水龍帶箱的形狀比較規(guī)整，當雷達波照射時，會發(fā)生雷達波鏡面反射，雷達散射截面較大。為滿足功能性要求，水龍帶箱的形狀無法改變，但改變其布置位置，對功能性沒有影響，因此可進行嵌入式安裝。將水龍帶箱內(nèi)嵌在艙壁上，水龍帶箱表面與艙壁平齊，只有水龍帶箱門會產(chǎn)生雷達散射截面。

水龍帶箱內(nèi)嵌安裝時，須根據(jù)艙壁角度，改變水龍帶箱的角度，避免凸起破壞艙壁的雷達散射截面。同時，水龍帶箱門的打開方式可改為推壓反彈方式打開，取消水龍帶箱門的把手。

2.2.4 天線基座(面板、肘板)

基于雷達散射截面仿真流程，分別對優(yōu)化前后的天線基座進行仿真分析。優(yōu)化前后的網(wǎng)格模型如圖10和圖11所示，仿真計算結果如圖12所示。

圖10 天線基座網(wǎng)格模型(優(yōu)化前)

圖11 天線基座網(wǎng)格模型(優(yōu)化后)

天線基座(面板、肘板)的最大雷達散射截面為15.90 dBm2，分別出現(xiàn)在水平方位角35°和215°處。

天線基座(面板、肘板)具有較多二面角，容易發(fā)生二面角反射，產(chǎn)生較大雷達散射截面。建議采用結構遮蔽的方式，對基座的外形結構進行優(yōu)化，優(yōu)化前后的幾何外形如圖13和圖14所示。

優(yōu)化前天線基座(面板、肘板)的最大雷達散射截面為15.90 dBm2，優(yōu)化后天線基座(面板，肘板)的最大雷達散射截面為5.97 dBm2，分別出現(xiàn)在水平方位角35°和215°處，天線基座的雷達散射截面降低了62%。采用結構遮蔽的方法，不出現(xiàn)二面角結構形式，有效降低天線基座(面板、肘板)的雷達散射截面。

圖12 天線基座雷達散射截面(優(yōu)化前后)

圖13 天線基座幾何模型(優(yōu)化前)

圖14 天線基座幾何模型(優(yōu)化后)

基座肘板圍板可采用薄鋼板或復合材料進行遮蔽，以盡量減輕重量。

考慮到優(yōu)化前后天線基座的最大雷達散射截面均在水平方位角35°和215°處，因此在進行天線基座布置時，如有可能，盡量使天線基座在這2個水平方位角處，處于遮蔽狀態(tài)。

3 結 語

根據(jù)舾裝件特點，目標雷達散射類型中的鏡面反射、二面角反射及凹腔反射等反射強度較高，在進行采購或制作時要盡量避免這些情況。對于舾裝件，可在不改變其性能、綜合可靠性及價格的基礎上，對舾裝件進行優(yōu)化，降低其雷達散射截面，提高艦船隱身性。

通過以上幾種典型舾裝件雷達散射截面仿真計算分析，對于降低舾裝件RCS值有如下建議：

(1) 對于機器類舾裝件，建議在不影響其功能使用的前提下，設置隱身罩。例如前甲板三滾柱導纜器、海補裝置索道牽引絞車等舾裝件。

(2) 對于易發(fā)生雷達波反射，布置和外形難以改變，且由于功能性要求不便采用隱身罩的舾裝件，建議涂覆吸波材料。例如室外梯子、透氣帽(管)、欄桿扶手等。

(3) 對于易發(fā)生雷達波反射(鏡面反射、二面角反射等)，且改變布置不影響其功能性要求的舾裝件，建議進行嵌入式安裝。例如露天部位水龍帶箱、露天消防栓、露天部位聲力電話等舾裝件。

(4) 對于易發(fā)生雷達波反射(鏡面反射、二面角反射等)，但為滿足功能性要求布置無法變動的舾裝件，建議進行結構遮蔽。例如天線基座等小型電氣基座。