靶機(jī)掛載可變RCS龍勃透鏡時(shí)的RCS起伏特性

章 輝，陳召濤，許盼福

（南京模擬技術(shù)研究所，江蘇 南京 210016）

靶機(jī)作為構(gòu)設(shè)空軍藍(lán)軍的關(guān)鍵要素，廣泛應(yīng)用于軍隊(duì)的武器裝備試驗(yàn)及軍事訓(xùn)練，從武器裝備考核出發(fā)，要求空中靶機(jī)雷達(dá)散射特性與真實(shí)敵機(jī)盡可能相近。作為訓(xùn)練耗材，靶機(jī)尺寸通常小于常規(guī)敵機(jī)，因而靶機(jī)自身的RCS 比真實(shí)敵機(jī)要小。為了更加準(zhǔn)確地模擬真實(shí)敵機(jī)的RCS特性，在靶機(jī)機(jī)頭和翼下掛載了可變RCS的龍勃透鏡，以此模擬真實(shí)敵機(jī)周向RCS起伏特性。

龍勃透鏡的概念于1944 年被R.K.Luneberg 提出。經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)更新后，這種具備低制造成本、高增益的非均勻介質(zhì)球被廣泛應(yīng)用于航空、航海等領(lǐng)域[1-7]。但目前靶機(jī)掛載的龍勃透鏡一般為固定龍勃透鏡，即球體和反射面連成一體，用于RCS 增強(qiáng)時(shí)，只能定向增強(qiáng)，調(diào)整起伏特性時(shí)須重新拆裝，更換不同尺寸龍勃透鏡費(fèi)時(shí)費(fèi)力。針對(duì)目前龍勃透鏡用作RCS定向增強(qiáng)時(shí)使用不便等問(wèn)題，本文提出了1種反射面可調(diào)的龍勃透鏡，通過(guò)控制反射面來(lái)徑向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)靶機(jī)RCS 數(shù)值的變化。相較傳統(tǒng)固定龍勃透鏡的安裝方式，此種方式可以根據(jù)不同敵機(jī)的RCS數(shù)值及起伏特性，自由組合各龍勃透鏡反射面徑向位置和所在方位，使掛載可調(diào)RCS龍勃透鏡的靶機(jī)能更加真實(shí)地模擬敵機(jī)的RCS 特性，且具備無(wú)須重新拆裝、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

1 可變RCS龍勃透鏡特性

龍勃透鏡一般由不同介電常數(shù)發(fā)泡材質(zhì)組成的介質(zhì)球、反射面2 部分組成。入射電磁波經(jīng)過(guò)介質(zhì)球折射后匯聚于反射面，之后形成強(qiáng)的后向散射，龍勃透鏡便具備了RCS增強(qiáng)效果。

1.1 龍勃透鏡本體RCS特性

龍勃透鏡包括介質(zhì)球、反射面2 部分，詳見(jiàn)圖1。通過(guò)改變反射面相對(duì)多層介質(zhì)球的徑向位置，可實(shí)現(xiàn)龍勃透鏡RCS 起伏特性的調(diào)節(jié)。介質(zhì)球材料屬性為發(fā)泡材質(zhì)聚氨基甲酸酯，反射面為金屬面。

圖1 龍勃透鏡構(gòu)型Fig.1 Structure of Luneberg lens

介質(zhì)球由介電常數(shù)依次改變的多層介質(zhì)層組成，示例3層介質(zhì)球由內(nèi)部介質(zhì)層、中間介質(zhì)層、外部介質(zhì)層組成，相對(duì)介電常數(shù)依次為1.96、1.79 和1.48，球體半徑依次為22 mm、36 mm 和52 mm。初始狀態(tài)介質(zhì)球和金屬反射面相距8 mm，金屬面構(gòu)成的球體半徑為60 mm，金屬面覆蓋區(qū)域?qū)?yīng)的球心角為120°。通過(guò)電磁散射仿真軟件進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算參數(shù)設(shè)置。為方便計(jì)算，模型略去相關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，取對(duì)RCS占主要貢獻(xiàn)的球體和反射面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 龍勃透鏡模型網(wǎng)格Fig.2 Mesh of Luneberg lens model

仿真參數(shù)設(shè)置為X 波段（10 GHz），俯仰角為-10°、0°、10°，極化方式為VV 極化。由于龍勃透鏡具有對(duì)稱性，方位角取一半計(jì)算，即0°～90°，具體角度定義參照軟件說(shuō)明[8-15]。計(jì)算采用MLFMM 快速多層多極子方法，計(jì)算后繪制龍勃透鏡的起伏特性曲線如圖3所示。

圖3 不同俯仰角下龍勃透鏡RCS對(duì)比圖Fig.3 Comparison of RCS of Luneberg lens at different pitch angles

在-10°～10°俯仰角下的龍勃透鏡RCS起伏特性曲線幾乎重合，表明在此俯仰角域區(qū)間內(nèi)，龍勃透鏡的增強(qiáng)效果具有一致性，且可實(shí)現(xiàn)±55°角域內(nèi)的穩(wěn)定增強(qiáng)，也驗(yàn)證了龍勃透鏡在實(shí)際應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定大角域范圍增強(qiáng)。

表1匯總了前向±30°角域內(nèi)的RCS均值。龍勃透鏡本體反射面未徑向移動(dòng)，角域?yàn)榍跋颉?0°，俯仰角為-10°～10°，RCS均值為1.539 m2。

表1 龍勃透鏡不同俯仰角下前向±30°的RCS均值Tab.1 RCS mean values for forward ±30°of Luneberg lens at different pitch angles

1.2 龍勃透鏡反射面調(diào)節(jié)時(shí)RCS特性

當(dāng)反射面沿著遠(yuǎn)離球體方向向外徑向移動(dòng)時(shí)，入射電磁波經(jīng)過(guò)介質(zhì)球折射后并非匯聚于反射面。因此，其RCS散射特性會(huì)發(fā)生改變。在初始位置上反射面沿徑向后移5 mm、10 mm、20 mm這3 種狀態(tài)，為了方便觀察略去了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，移動(dòng)后狀態(tài)圖，如圖4所示（3種狀態(tài)分別標(biāo)注為1、2和3）。

圖4 反射面移動(dòng)狀態(tài)Fig.4 Movement state of reflecting surface

取俯仰角為0°，計(jì)算狀態(tài)同龍勃透鏡初始狀態(tài)，RCS曲線如圖5所示。

圖5 龍勃透鏡反射面在不同位置時(shí)RCS對(duì)比Fig.5 Comparison of reflection surface of Luneberg lens at different positions

當(dāng)反射面向遠(yuǎn)離介質(zhì)球方向移動(dòng)后，龍勃透鏡的雷達(dá)散射強(qiáng)度和強(qiáng)散射區(qū)域都發(fā)生了改變，移動(dòng)后龍勃透鏡的RCS強(qiáng)度減小了，強(qiáng)散射區(qū)域也縮小了。當(dāng)反射面沿徑向移動(dòng)20 mm 后，穩(wěn)定增強(qiáng)的角域從±55°縮小到±40°。

前向±30°RCS平均值匯總?cè)绫?所示。

表2 龍勃透鏡反射面在不同位置前向±30°的RCS均值Tab.2 RCS mean values for forward ±30° of reflecting surface of Luneberg lens at different positions

文中的龍勃透鏡反射面移動(dòng)20 mm后，前向±30°角域內(nèi)RCS均值從1.544 m2減小到0.419 m2。這也證明：反射面的移動(dòng)可以改變單個(gè)龍勃透鏡3 dB波束寬度和RCS均值。

2 靶機(jī)掛載龍勃透鏡RCS特性

根據(jù)模擬敵機(jī)的RCS起伏特性需求，可在靶機(jī)頭部、翼下布置可調(diào)RCS 龍勃透鏡。實(shí)戰(zhàn)中，可通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)龍勃透鏡反射面的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)靶機(jī)RCS 值的改變，從而達(dá)到迷惑地面防空武器的效果[16-20]。靶機(jī)掛載可變RCS龍勃透鏡時(shí)，選取多個(gè)反射面不同方位角和徑向移動(dòng)量的組合，可模擬出不同敵機(jī)的RCS特性曲線，為地面防空作戰(zhàn)提供高逼真度的訓(xùn)練靶機(jī)。

2.1 靶機(jī)掛載龍勃透鏡RCS計(jì)算狀態(tài)

目前，機(jī)體前向和后向RCS增強(qiáng)是軍方的一大需求。作為前期研究，本文將靶機(jī)掛載龍勃透鏡后RCS研究的角域取前向±30°，后向角域研究思路與前向類同。相關(guān)靶機(jī)外形和計(jì)算角域方位圖，如圖6所示，靶機(jī)命名為A靶機(jī)。

圖6 靶機(jī)計(jì)算角域Fig.6 Calculation angle domain of drone aircraft

靶機(jī)掛載龍勃透鏡仿真參數(shù)設(shè)置同上述龍勃透鏡模型，靶機(jī)尾噴口進(jìn)行修型處理，仿真設(shè)置：靶機(jī)表面為電良導(dǎo)體，計(jì)算中勾選“Combined field”選項(xiàng)，其余設(shè)置同龍勃透鏡模型。

2.2 靶機(jī)前向增強(qiáng)時(shí)RCS起伏特性

可變RCS 龍勃透鏡的掛載模式為頭部1 枚，兩側(cè)翼下各1枚，具體模型如圖7所示。

圖7 靶機(jī)前向增強(qiáng)模型Fig.7 Forward RCS enhancement model of drone aircraft

文中對(duì)比研究了靶機(jī)未掛載龍勃透鏡和掛載龍勃透鏡時(shí)反射面正對(duì)機(jī)頭無(wú)徑向移動(dòng)和反射面正對(duì)機(jī)頭徑向后移動(dòng)10 mm、20 mm相應(yīng)狀態(tài)下的RCS特性，特性曲線匯總?cè)鐖D8 所示。靶機(jī)掛載可調(diào)龍勃透鏡后，RCS起伏特性曲線與單獨(dú)龍勃透鏡反射面徑向后移的變化規(guī)律一致，隨著龍勃透鏡反射面徑向后移，靶機(jī)前向RCS 增強(qiáng)效果減弱。這也證明：通過(guò)反射面的徑向移動(dòng)可實(shí)現(xiàn)掛載可變RCS 龍勃透鏡靶機(jī)RCS起伏特性曲線改變。

圖8 反射面不同徑向位置靶機(jī)前向±30°RCS起伏曲線Fig.8 RCS fluctuation curve for forward±30°of drone aircraft at different positions of reflection surface

前向增強(qiáng)狀態(tài)下RCS均值見(jiàn)表3。靶機(jī)裸機(jī)前向±30°RCS 均值為0.021 4 m2，掛載龍勃透鏡反射面后移20 mm 時(shí)前向±30°RCS 均值為1.275 m2，反射面未后移時(shí)前向±30°RCS 均值為4.509 m2。說(shuō)明反射面的不同徑向移動(dòng)組合可實(shí)現(xiàn)A靶機(jī)前向±30°RCS均值在0.021 4～4.50 9 m2內(nèi)可調(diào)。

表3 靶機(jī)前向增強(qiáng)狀態(tài)下前向±30°的RCS均值Tab.3 RCS mean values for±30°forward of drone aircraft at forward enhancement mode

2.3 MQ-1前向起伏特性的擬合

美國(guó)MQ-1 無(wú)人機(jī)是一款高空長(zhǎng)航時(shí)察打一體無(wú)人機(jī)，是各國(guó)軍事競(jìng)賽中的強(qiáng)大作戰(zhàn)武器[21]。MQ-1 無(wú)人機(jī)機(jī)長(zhǎng)8.75 m，翼展14.85 m，而靶機(jī)長(zhǎng)為3 m，翼展為1.6 m。為了更加貼近該型無(wú)人機(jī)的RCS起伏特性，靶機(jī)在機(jī)頭和翼下掛載可變RCS 龍勃透鏡，機(jī)頭龍勃透鏡反射面正對(duì)機(jī)頭，翼下兩側(cè)的龍勃透鏡反射面正對(duì)兩側(cè)，反射面無(wú)徑向后移。MQ-1 無(wú)人機(jī)和靶機(jī)如圖9所示。

圖9 2種機(jī)型模型Fig.9 Two aircraft models

利用仿真軟件計(jì)算MQ-1 無(wú)人機(jī)和靶機(jī)RCS 前向起伏特性。仿真時(shí)，參數(shù)設(shè)置為C波段（5.6 GHz），俯仰角為0°，極化方式為VV 極化，計(jì)算角域?yàn)榍跋颉?0°。MQ-1 機(jī)體尺寸較大，劃分網(wǎng)格數(shù)目為77萬(wàn)。為了快速計(jì)算，采用PO方法，靶機(jī)掛載龍勃透鏡計(jì)算采用MLFMM方法。

RCS起伏特性仿真曲線如圖10所示。

圖10 MQ-1無(wú)人機(jī)和靶機(jī)前向RCS起伏曲線對(duì)比Fig.10 RCS fluctuation curve for forward±30°of MQ-1 UAV and drone aircraft

當(dāng)靶機(jī)未掛載龍勃透鏡時(shí)，由于機(jī)體尺寸上的差異，靶機(jī)的RCS 起伏曲線遠(yuǎn)低于MQ-1 無(wú)人機(jī)本體；當(dāng)靶機(jī)掛載龍勃透鏡后，除在前向±5°內(nèi)，MQ-1 無(wú)人機(jī)RCS存在較強(qiáng)散射，有3個(gè)尖峰，其余方位角內(nèi)掛載龍勃透鏡靶機(jī)RCS 曲線和MQ-1 無(wú)人機(jī)的可基本吻合。RCS 統(tǒng)計(jì)均值如表4 所示。靶機(jī)本體RCS 均值為0.024 9 m2，遠(yuǎn)小于MQ-1 無(wú)人機(jī)的0.513 m2。掛載可變RCS 龍勃透鏡靶機(jī)RCS 的均值為0.516 m2，與MQ-1 誤差小于1%。兩者起伏特性曲線和RCS 均值相吻合，從原理也可說(shuō)明靶機(jī)掛載可變RCS龍勃透鏡模擬作戰(zhàn)飛機(jī)方法是可行的。

表4 MQ-1無(wú)人機(jī)和靶機(jī)前向±30°的RCS均值Tab.4 RCS mean values for ±30°of MQ-1 UAV and drone aircraft

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了反射面沿徑向移動(dòng)的可調(diào)RCS 龍勃透鏡的RCS 起伏特性，對(duì)比分析了A 靶機(jī)掛載可變RCS 龍勃透鏡時(shí)的前向RCS 起伏特性。計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了反射面的徑向后移可降低靶機(jī)的RCS 數(shù)值。因?yàn)榉瓷涿嫜貜较蚝笠?，雷達(dá)波匯集于發(fā)射面之前，反射波回波強(qiáng)度變?nèi)酢?/p>

靶機(jī)掛載可變RCS龍勃透鏡時(shí)，選取反射面不同徑向值的組合，可模擬出不同作戰(zhàn)飛機(jī)的RCS特性曲線。本文采用靶機(jī)掛載可變RCS 龍勃透鏡對(duì)美軍MQ-1無(wú)人機(jī)前向RCS起伏特性進(jìn)行了模擬，為采用靶機(jī)掛載可變RCS 龍勃透鏡模擬作戰(zhàn)飛機(jī)RCS 起伏特性奠定了基礎(chǔ)。