艦船外形隱身改進(jìn)的電磁散射特性影響分析

劉戰(zhàn)合，王 菁，郭 樂，周 鵬，姬金祖

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 航空工程學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 電子通信工程學(xué)院，河南 鄭州 450046；3.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

0 引 言

從可探測(cè)角度來說，水面艦船面臨的威脅來自于水面、空中甚至水下，即艦船、飛行器、潛艇等，探測(cè)信號(hào)包含雷達(dá)（電磁波）、聲、紅外、磁等信號(hào)。依據(jù)實(shí)際任務(wù)需求，不同的雷達(dá)工作頻率有所不同，以艦載雷達(dá)為例，用于探測(cè)、跟蹤、識(shí)別等作用的雷達(dá)頻率主要為L(zhǎng)、S、C、X 波段，這一波段也同時(shí)包含了較多的機(jī)載雷達(dá)。

為降低艦船的雷達(dá)散射截面，采用多種措施的艦船隱身化是其重要途徑[1,5]，就當(dāng)前現(xiàn)狀來看，與飛行器電磁隱身技術(shù)類似，艦船隱身也可以通過外形隱身改進(jìn)或設(shè)計(jì)、吸波材料等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。艦船艦載雷達(dá)、天線本身是較大電磁散射源[6-8]，在雷達(dá)技術(shù)提高基礎(chǔ)上，經(jīng)過頻率選擇表面技術(shù)（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）[9-10]的模塊化處理，可有效降低其電磁散射信號(hào)，同時(shí)也為采用外形隱身技術(shù)改進(jìn)提供了可能。當(dāng)前主要對(duì)艦船上層建筑結(jié)構(gòu)、桅桿等局部部件的隱身特性及技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究，但從艦船總體出發(fā)來對(duì)比研究艦船外形隱身技術(shù)文獻(xiàn)較少，也缺乏相關(guān)散射特性影響和規(guī)律結(jié)果。

本文從艦船面臨的主要威脅頻段（L，S，C，X）出發(fā)，以2 種不同外形布局的艦船為研究對(duì)象，采用物理光學(xué)法，數(shù)值計(jì)算了2 種艦船電磁模型的不同入射角、不同角域的RCS（Radar Cross Section）[11-12]曲線，以分析外形隱身改進(jìn)措施對(duì)艦船電磁散射特性的影響特性，重點(diǎn)研究了外形隱身的多頻散射特性、不同角域電磁散射變化特點(diǎn)，對(duì)提高艦船電磁隱身性能及生存力有重要影響意義。

1 艦船電磁模型

為研究外形隱身改進(jìn)措施對(duì)艦船電磁散射特性的影響，分別以英國(guó)45 型驅(qū)逐艦[5]、美國(guó)DDG1000 驅(qū)逐艦為基礎(chǔ)，建立2 種艦船的電磁數(shù)值計(jì)算模型。45 型、DDG1000 均采用模塊式雷達(dá)、天線整合方式，與常規(guī)水面戰(zhàn)艦相比，其上層建筑、艦橋、桅桿等進(jìn)行了大量集成化處理與改進(jìn)，有效降低了艦船表面的散射結(jié)構(gòu)，提高了隱身性能。但相對(duì)來講，美國(guó)隱身驅(qū)逐艦DDG1000 全面采用隱身技術(shù)，船體設(shè)計(jì)新穎，表現(xiàn)出優(yōu)秀的隱身特性，本文分別以這2 種實(shí)際艦船為基礎(chǔ)模型，研究外形隱身對(duì)艦船電磁散射特性影響規(guī)律。

通過調(diào)整艦船船體、上層建筑結(jié)構(gòu)的面元方向，模塊化設(shè)計(jì)散射結(jié)構(gòu)，可將電磁散射幅值、方向等進(jìn)行有針對(duì)性的控制，提高隱身性能?；谝陨峡紤]，分別將以上2 種艦船電磁模型分別定義為電磁模型A（Type45）和B（DDG1000），為消除幾何尺寸帶來的影響，A、B 模型艦船典型幾何尺寸盡量一致，A 電磁模型基本參數(shù)為船長(zhǎng)151.9 m、船寬21.1 m、高42.0 m，B 電磁模型基本參數(shù)為船長(zhǎng)143.8 m、船寬24.3 m、高34.0 m。2 種電磁模型如圖1 所示。

圖1 2 種艦船電磁計(jì)算模型Fig.1 Electromagnetic computation models of ships

以圖1 艦船電磁模型為研究對(duì)象，結(jié)合水面艦艇實(shí)際威脅探測(cè)手段，為對(duì)比研究外形隱身改進(jìn)措施的電磁散射特性影響，入射電磁波頻率分別為（0.5，1、3，6，10）GHz，涵蓋L，S，C，X 探測(cè)波段，電磁波入射角（對(duì)艦船來說可以理解為方位角）范圍為0°～360°，計(jì)算仰角分別為：-15°，-10°，-5°，0°，5°，10°，15°。

研究過程中，定義艦船頭向30°角域（記為H-30）為艦船正頭向左右各15°電磁波入射角范圍，相應(yīng)的可定義頭向60°角度（記為H-60）、側(cè)向60°角域（記為S-60）、后向30°角域（記為T-30）、周向360°角域（記為W-360），以對(duì)應(yīng)角域內(nèi)RCS 算術(shù)均值為分析依據(jù)，研究其波峰幅值變化關(guān)系及該角域內(nèi)的隱身特性。

式中： Rmn為m個(gè)事物n維復(fù)合模糊物元； Mi為第i個(gè)事物， i= 1,2,…,m； Cj為第j項(xiàng)特征，j= 1,2,…,n；xij為第i個(gè)事物的第j項(xiàng)特征對(duì)應(yīng)的模糊量值，即隸屬度.

2 RCS 計(jì)算方法及精度驗(yàn)證

從電尺寸角度來講，在研究頻率內(nèi)，大于240（0.5 GHz），處于典型的高頻散射區(qū)域，文中的電磁模型可視為金屬目標(biāo)，可采用金屬目標(biāo)RCS 計(jì)算方法[13-14]。一般的，RCS 數(shù)值方法從頻率角度來看分為低頻和高頻計(jì)算方法，低頻方法如基于矩量法（Method of Moments，MoM）[12]的多層快速多極子算法（Multilevel Fast Multipole Algorithm，MLFMA）[13]、時(shí)域有限差分法等，對(duì)本文電大尺寸目標(biāo)來說，占用內(nèi)存較大，計(jì)算速度慢，嚴(yán)重影響分析效率；而高頻算法如物理光學(xué)法（Physical Optics，PO）、等效電流方法、物理繞射方法等，具有較高的計(jì)算效率，同時(shí)在高頻區(qū)可得到滿意的計(jì)算精度，可用于分析本文的電大尺寸艦船電磁模型。

嚴(yán)格來講，PO 方法基于Stratton-Chu 積分方程，與MLFMA[13,14]基本方程一致，區(qū)別于MLFMA，PO 方法僅考慮面元自身耦合作用，而將目標(biāo)各部分之間的耦合作用忽略，以提高電大尺寸目標(biāo)RCS 求解效率，而本文研究目標(biāo)表面光滑，局部結(jié)構(gòu)之間的影響可略去，適合采用PO 方法計(jì)算。采用切平面近似，得到面元上的RCS 平方根為：

基于目標(biāo)網(wǎng)格劃分，對(duì)所有散射面元求和，按相位疊加得到：

為驗(yàn)證本文采用的PO 方法數(shù)值結(jié)果正確性，以邊長(zhǎng)為1 m 的等邊三角形金屬柱為計(jì)算分析對(duì)象，入射電磁波波長(zhǎng)0.1 m，俯仰角0°。分別采用PO 和高精度MOM 方法計(jì)算，RCS 曲線對(duì)比結(jié)果見圖2，由于為等邊三角形，僅計(jì)算了0°～60°角域范圍。

圖2 金屬柱RCS 計(jì)算對(duì)比曲線Fig.2 RCS comparison curves of metal pillar

由圖2 可以看出，2 種方法RCS 計(jì)算曲線基本一致，0°～60°角域算術(shù)均值分別為0.819 0，0.894 4 dBsm，誤差為0.075 4 dB，說明本文PO 方法有足夠好的計(jì)算精度，可滿足本文研究對(duì)象和計(jì)算頻率。

3 艦船模型電磁散射特性

3.1 RCS 曲線分布特性

對(duì)A，B 兩種電磁模型，分別研究0°俯仰角下的RCS 散射曲線分布特點(diǎn)，入射頻率0.5 GHz 時(shí)的RCS 曲線如圖3 所示。

圖3 兩艦船模型RCS 計(jì)算對(duì)比（0.5 GHz）Fig.3 RCS Comparison of 2 ship models （0.5 GHz）

入射頻率為0.5 GHz 時(shí)，對(duì)2 種電磁模型，依然處于高頻區(qū)（A，B 模型電尺寸分別為253，240）。由圖3 可以看出，RCS 分布形式與艦船外形有較大關(guān)系，對(duì)艦船A 電磁模型，前向30°角域有一較大波峰，為船體前端、上層建筑在前向接近鏡面散射疊加，同時(shí)該波峰較寬，除0°左右尖銳散射波峰外，在前向60°角域也表現(xiàn)為較強(qiáng)較寬的散射波峰。前向左右60°和90°附近的波峰是船體上層建筑側(cè)向及相應(yīng)模塊綜合散射效果。同時(shí)，其后向也存在一波峰，為船體后端面、上層建筑在此方向的各部件耦合效果。

對(duì)B 艦船模型，由于在船體、上層建筑采用了外形隱身處理技術(shù)，并綜合考慮平臺(tái)模塊化，其對(duì)應(yīng)前向30°、60°角域的前向峰值獲得極大降低，證明了外形隱身的有效性。在前向左右60°方位角附近的峰值向側(cè)向移動(dòng)，進(jìn)一步提高了前向大范圍的隱身性能，側(cè)向、后向2 個(gè)波峰為船體和上層建筑對(duì)應(yīng)截面的鏡面散射，而外形隱身在后部其他角域也有一定貢獻(xiàn)。此外，從周向RCS 曲線分布來看，除側(cè)向和后向波峰變化較小外，采外形隱身改進(jìn)措施的B 艦船模型在其他角域內(nèi)的RCS 向內(nèi)收縮，提高了隱身性能。

3.2 RCS 曲線俯仰角特性

由于A，B 模型電磁散射特性類似，因此在討論RCS 曲線俯仰角和頻率特性時(shí)，分別以A 和B 模型為對(duì)象研究，同時(shí)，選擇了典型狀態(tài)曲線進(jìn)行分析，俯仰角選擇-10°，0°，10°，頻率為0.5，3，10 GHz。圖4為A 模型1 GHz 下不同俯仰角的RCS 曲線對(duì)比。

圖4 A 模型不同俯仰角RCS 計(jì)算曲線Fig.4 RCS curves in different pitch angles of model A

艦船在執(zhí)行任務(wù)過程中，將面臨來自水面、水下和空中探測(cè)器、武器系統(tǒng)的威脅，可以俯仰角和方位角來分析期影響。由圖4 可以看出，俯仰角的變化會(huì)對(duì)RCS 曲線分布形式產(chǎn)生影響，-10°和10°時(shí)，前向30°，60°角域的RCS 峰值有較大降低，分析原因是在0°入射時(shí)，艦船和上層建筑的電磁散射為鏡面散射疊加，而有迎角時(shí)船體表面、結(jié)構(gòu)等為非鏡面散射，將明顯降低電磁散射強(qiáng)度；后向波峰變化趨勢(shì)及原因與前向類似，但正側(cè)向變化不大，這是因?yàn)橛堑淖兓粫?huì)引起側(cè)向鏡面散射機(jī)理的變化。同時(shí)，迎角為正時(shí)，即電磁波由水面上方入射至艦船，在前向60°方位角左右有一散射波峰，該波峰隨著迎角增大而后移，這一特性可提高其隱身性能。

3.3 RCS 曲線頻率特性

B 模型0°俯仰角時(shí)多頻RCS 曲線如圖5 所示。

圖5 B 模型多頻RCS 計(jì)算曲線Fig.5 RCS curves with different frequencies of model B

可以看出，電磁波入射頻率變化時(shí)，不會(huì)引起RCS 曲線分布形式的較大變化，但會(huì)對(duì)RCS 幅值和震蕩趨勢(shì)有一定影響。頻率由0.5 增至10 GHz 時(shí)，表現(xiàn)在2 個(gè)方面，一是曲線震蕩更加明顯，波峰變窄；二是散射曲線內(nèi)陷，即RCS 曲線幅值降低。就曲線震蕩趨勢(shì)來看，主要集中在艦船前向和后向一定角域，說明頻率高時(shí)，艦船各部件或各部分的散射疊加較為明顯，震蕩加劇但振幅變小，而側(cè)向角域的2 個(gè)波峰變化較?。煌瑫r(shí)，前向和后向波峰變得更為尖銳。與上類似，除側(cè)向角域外，前向和后向角域的RCS 幅值隨頻率增加而減小。

4 外形隱身改進(jìn)散射影響分析

4.1 外形隱身電磁散射影響分析方法

從當(dāng)前艦船技術(shù)發(fā)展來看，外形隱身及改進(jìn)是降低其重點(diǎn)威脅角域RCS 的重要技術(shù)方法，首先，結(jié)合RCS 計(jì)算曲線分布特點(diǎn)，通過2 個(gè)模型RCS 曲線對(duì)比，從波峰大小、位置等與艦船外形結(jié)構(gòu)的關(guān)系及變化特點(diǎn)，來研究外形隱身改進(jìn)的影響性能。

其次，基于2 種艦船電磁計(jì)算模型，在重點(diǎn)威脅角域內(nèi)，以外形隱身前后2 種電磁模型為目標(biāo)，以二者多個(gè)角域內(nèi)RCS 算術(shù)均值及算術(shù)均值差異來研究外形隱身措施帶來的電磁散射特性影響。

定義2 種艦船電磁模型RCS 相對(duì)增值為：

其中：σA，σB分別為A，B 電磁模型在相應(yīng)威脅研究角域內(nèi)的RCS 算術(shù)均值；G 為RCS 相對(duì)增值，dB。如該值大于0，則說明外形隱身有效，值越大，隱身效果越明顯。

4.2 電磁散射特性影響分析

水面艦船在執(zhí)行巡航、偵察、作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，面臨各種武器平臺(tái)的威脅，表現(xiàn)為不同角域、不同頻率下電磁波探測(cè)、識(shí)別、跟蹤等，基于上述RCS 相對(duì)增值，從不同頻率、不同角域的變化情況進(jìn)行分析。重點(diǎn)關(guān)注艦船頭向、尾向及周向各角域內(nèi)的RCS 幅值大小，可采用算術(shù)均值表示。不同角域內(nèi)RCS 相對(duì)增值隨頻率變化的響應(yīng)曲線（俯仰角0°）見圖6，隨俯仰角變化的響應(yīng)曲線（入射頻率1 GHz）見圖7。值得一提的是，如前所述，相對(duì)增值越大，說明對(duì)應(yīng)角域內(nèi)的外形隱身改進(jìn)的效果越好，如該值接近或小于0，則無隱身改進(jìn)效果。

圖6 不同角域RCS 相對(duì)增值頻率響應(yīng)曲線（俯仰角0°）Fig.6 Curves of RCS relative values with different frequencies in different angular domains （with pitch angle of 0°）

圖7 不同角域RCS 相對(duì)增值俯仰角響應(yīng)曲線（1 GHz）Fig.7 Curves of RCS relative values with different pitch angles in different angular domains （with frequency of 1 GHz）

由圖6 可以看出，頻率由0.5 GHz 提高至10 GHz時(shí)，各角域內(nèi)的相對(duì)增值均有所增加，說明通過對(duì)船體和上層建筑的外形隱身改進(jìn)，可有效提高艦船隱身性能。圖6 也表明，外形隱身在艦船各角域上的影響各異，前向30°和60°角域RCS 相對(duì)增值最高，之后依次為周向、后向30°角域、側(cè)向60°角域；前向相對(duì)增值較大（10 GHz 時(shí)前向30°角域達(dá)46.734 0 dB），是由于通過艦船結(jié)構(gòu)修形，前向的鏡面散射或接近鏡面散射的船體結(jié)構(gòu)傾斜或融合過渡后，有效降低了前向峰值；而側(cè)向，主要受限于船體、艦橋、隱身桅桿等上層建筑側(cè)向鏡面散射的影響，導(dǎo)致外形隱身效果較差；后向角域相對(duì)增值變化規(guī)律及產(chǎn)生機(jī)理與前向類似。

圖7 相對(duì)增值曲線表明，俯仰角變化時(shí)，相對(duì)增值在俯仰角較低時(shí)較大，此時(shí)也是外形隱身設(shè)計(jì)的主要研究和改進(jìn)狀態(tài)，通過外形設(shè)計(jì)，將鏡面散射波峰外移，減低前向波峰大小，甚至使其消失，而當(dāng)俯仰角增大（正向或負(fù)向）時(shí)，采用外形隱身技術(shù)的一些結(jié)構(gòu)模塊表面的散射將會(huì)逐漸增加，從而降低外形隱身效果，表現(xiàn)為相對(duì)增值俯仰角0°附近時(shí)較大（前向30°為33.301 3 dB），兩端減小。此外，與頻率效應(yīng)相似，各不同角域的俯仰角效應(yīng)有一定區(qū)別，依然表現(xiàn)為前向30°和60°角域，RCS 相對(duì)增值較大，其他角域較小，后向30°角域在±15°迎角時(shí)隱身改進(jìn)效果消失。

5 結(jié) 語

針對(duì)2 種艦船模型，采用物理光學(xué)法計(jì)算分析了不同頻率、不同俯仰角下的電磁散射特性，并進(jìn)行對(duì)比性研究，得出以下結(jié)論：

1）艦船RCS 曲線分布特性：曲線波峰及其分布特性與艦船外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有直接關(guān)系，A 電磁模型沿周向?qū)ΨQ分布有強(qiáng)弱散射波峰6 個(gè)，B 模型5 個(gè)波峰，不存在前向波峰，有較好隱身性，2 個(gè)模型各波峰分別對(duì)應(yīng)艦船船體和上層建筑重要部件散射，頭向波峰是鏡面散射的綜合影響。

2）RCS 曲線分布的俯仰角和頻率特性：俯仰角變化會(huì)引起散射波峰的幅值和位置變化；頻率增加時(shí)，曲線震蕩性增加，RCS 減小，但不影響分布特性。

3）外形隱身改進(jìn)影響特性：采用基于RCS 算術(shù)均值的相對(duì)增值來分析，頻率增加時(shí)，各角域相對(duì)增值均有所增加，10 GHz 前向30°角域可達(dá)46.734 0 dB；-15°～15°俯仰角變化時(shí)，相對(duì)增值震蕩變化，0°時(shí)最大，為33.301 3 dB。外形隱身改進(jìn)主要表現(xiàn)在前向角域，頻率和俯仰角變化時(shí)，該部分角域相對(duì)增值最大。