俯仰角對典型水面目標散射影響分析*

丁 凡

(中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

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俯仰角對典型水面目標散射影響分析*

丁 凡

(中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

論文研究典型水面目標隨俯仰角變化的RCS的空間特性,從艦船散射特點出發,分析不同散射特點的計算方法,詳細分析射線追蹤法、物理光學近似法及等效邊緣電流法對假定水中艦船目標進行散射特性仿真計算,分析俯仰角對其散射特性的影響,分析典型峰值,得出典型水面目標的RCS特性隨俯仰角的改變而發生改變的結論,俯仰角的散射量值與船體的構型、布局密切相關。

俯仰角; 雷達波散射截面; 射線追蹤法; 物理光學近似法; 等效邊緣電流法

Class Number TP273.2

1 引言

水面艦船是海戰的主要生力軍,其隱身性能對于提高艦船生命力具有至關重要的作用。水面艦船尺度基本在100m以上,面臨威脅主要以反艦導彈為主[1]。隨著探測技術的發展,反艦導彈由低空飛行,水平彈道向全方位發射、遠程化攻擊、超聲速、彈道機動多變方向發展,如:白蛉在整個巡航段做爬升、蛇形機動、俯沖等各種機動,或采用大俯沖角攻擊;捕鯨叉大約距目標約1.5km處,導彈突然躍升到一定高度,接著以大約30°的俯沖角度直撲目標,直至將其摧毀;俄羅斯的反沖彈道采取近乎垂直的角度高馬赫速度直沖目標,現有的防空武器系統無法攔截[2]。目前常規水面艦船RCS評估主要針對反艦導彈掠入射、水平彈道威脅[3],反艦導彈的飛速發展,意味著未來艦船隱身是基于多入射角下的目標特征控制。

本文以典型水面目標為例,首先分析該目標的雷達波散射特點,基于其面臨威脅的雷達探測頻率、極化形式及角域,選用射線追蹤法及物理光學近似法計算該典型水面目標的雷達波散射特性,分析其散射特性隨方位角、俯仰角變化分布規律,可用于指導同類水面目標的雷達波散射特征控制[4～6]。

2 典型目標雷達波散射特點

假設有水面目標尺度大于100m,船寬20m,為外飄型單體船,上層建筑由艏部上層建筑、舯部上層建筑、艉部上層建筑三部分組成,上層建筑各側壁均設置一定傾斜角。分艏部桅桿和艉部桅桿,桅桿尺度相同,側壁均設置一定傾斜角。舯部上層建筑上設置由兩座四方體煙囪排風口。該水面目標右舷有小艇收放部位開口,艏部甲板布置一座武器發射裝置,艉部甲板上布有兩座武器發射裝置。

圖1 假想艦船目標幾何模型

艦船散射根據其散射原理劃分,主要以鏡面反射、腔體散射、耦合散射、邊緣散射等組成。本文基于三角平面元網格模型,采用物理光學近似法(Physical Optics,PO)計算鏡面散射貢獻,采用射線追蹤法(Shooting and Bouncing Ray,SBR)計算腔體散射、耦合散射散射貢獻,采用等效邊緣流法(Equivalent Edge Current,EEC)計算目標邊緣散射貢獻。

圖2 艦船散射示意圖

本文重點考慮水面艦船面臨反艦導彈攻擊,以空中威脅為主,威脅頻率主要集中在X波段,實際作戰時,水面艦船面臨威脅區域為其整個上半平面,俯仰角覆蓋范圍為0°～90°。

3 計算分析方法

3.1 物理光學近似法

根據物理光學法,目標某一面元上的電磁場是入射到其上的場和按幾何光學定律從面元反射出的場的向量和。

(1)

3.2 射線追蹤法

別純真年代了。你能離開許振平？離開你的寶貝許康？你們的分手不就是因為彼此的愧疚嗎？你應該知道，人都是自己內心的囚徒。不管走再遠，不管沿途風景多么美麗，最終都會疲憊地回到原地。

射線追蹤法基于幾何光學原理,將入射的均勻平面波劃分為密集的射線管,高頻電磁波的能量沿著細長射線管傳播,每個射線管在腔體內經多次反射,最終返回口徑處。射線經n次反射并積分后等到總的散射遠場為

(2)

式中,ΔA為第i個射線管在積分面上的投影面積。

3.3 等效邊緣電流法

邊緣的EEC繞射場可表示為

(3)

圖3 電磁散射計算過程示意圖

4 計算實例與結果分析

4.1 計算實例

RCS仿真較為重要的一個步驟就是網格剖分。本文采用通用有限元網格處理軟件hypermesh,對數字模型剖分為網格模型,再進行仿真計算,以減少仿真計算過程中對內存的消耗[7]。

圖4 假想艦船目標計算網格模型

4.2 結果分析

圖5 散射球形圖

按照HJB180-1998,對仿真數據進行統計分析,并將0°～360°方位角艦船目標RCS值(dBsm)轉換成m2求算數平均值[8～10],分析該艦船隨俯仰角變化的RCS值變化,如圖7所示。

由圖6可以看出,該艦船RCS的平均值在0°～5°呈增大趨勢,由0°俯仰角的24dB增加為5°俯仰角的49dB;6°～7°呈下降趨勢,下降為29dB量值;8°～9°呈上升趨勢,由38dB增至64dB量值;隨著入射角的增加,在10°～44°俯仰角的區間RCS呈下降趨勢,其中25°俯仰角時,RCS量值突增為31dB;45°～81°時RCS呈上升趨勢,其中81°俯仰角是量值增加至33°;在81°～89°略有振蕩;90°時量值突增至110dB。90°俯仰角的散射峰值是由于甲板大平板結構、上層建筑頂部平面結構造成的。對俯仰角9°、25°下散射量值較大的原因進行分析。

圖6 典型水面目標隨俯仰角的變化規律示意圖

圖7 10GHz、VV極化、9°俯仰角RCS曲線圖

由圖7可以看出,9°俯仰角時在±45°、±135°方位角產生散射峰值較大,超過80dB;在-135°～-45°方位角之間散射量值,量級在30dB左右;選取典型方位角-45°、-60°分析其表面電流分布。

圖8 10GHz、VV極化、9°俯仰角、-45°方位角表面電流圖

圖9 10GHz、VV極化、9°俯仰角、-60°方位角表面電流圖

由圖8、圖9表面電流圖可以看出,±45°、±135°方位角的散射峰值是以上層建筑側壁的鏡面散射為主,小艇收放部位的腔體結構貢獻了一部分量值。-135°～-45°方位角的散射峰值主要是由于小艇收放部位開口、及上層建筑邊緣散射造成的。

圖10 10GHz、VV極化、25°俯仰角RCS曲線圖

由圖10可以看出,25°俯仰角時,除特征方向峰值外,在±47°方位角產生散射峰值較大,超過50dB。選取典型方位角-47°分析其表面電流分布。

圖11 10GHz、VV極化、25°俯仰角、-47°方位角表面電流圖

由圖11表面電流看出,25°俯仰角、-47°方位角的散射峰值主要是由于桅桿的鏡面散射、小艇收放部位的腔體散射以及艏部上層建筑與甲板形成的角反射體結構構成的。

5 結語

通過上述分析計算可以看出,典型水面目標的RCS特性隨俯仰角的改變而發生改變,在90°俯仰角時,散射量值達到最大,而其他俯仰角的散射量值與船體的構型、布局密切相關。艦船的雷達波隱身設計,主要以提升電子對抗能力,保證生命力的。對于反艦導彈多變的攻擊形式,需要明確威脅的特定角域范圍,從構型、艦面布置等方面開展隱身設計。

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Varying Regularity of Scattering Characteristics of Pitch Angle on Typical Warship Target

DING Fan

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

The electromagnetic computation data under different pitch angles was processed by using physical optics(PO)、 shooting and bouncing ray(SBR) and equivalent edge current(EEC) method. The varying relations between the typical warship target and the pitch angle was studied. Some scattering characteristics of the peak value are acquired through computation data analysis. Further discussions about the application prospects of the varying regularity in the ship design, which are much useful.

pitch angle, radar cross section(RCS), SBR, PO, EEC

2014年11月6日,

2014年12月17日

國家自然科學基金項目(編號:61303238)資助 作者簡介:丁凡,女,博士,工程師,研究方向:艦船總體設計。

TP273.2

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.038