具有尾翼的復雜導彈模型超寬帶散射特性分析

周新鵬 魏國華 吳嗣亮 王 旭 王達偉

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具有尾翼的復雜導彈模型超寬帶散射特性分析

周新鵬*魏國華 吳嗣亮 王 旭 王達偉

(北京理工大學電子與信息學院 北京 100081)

為了滿足對復雜導彈測量和檢測的需要，該文建立了具有尾翼的復雜導彈模型，研究在極窄脈沖照射條件下該導彈目標散射特性。利用時域有限差分(Finite-Difference Time Domain, FDTD)法計算該導彈模型的瞬時散射回波，分析遠場電磁波不同入射條件下導彈散射回波特性及近場不同轉角條件下導彈瞬時散射回波特性。通過對該導彈瞬時散射回波特性分析，得出了目標散射中心的成因及散射波形特點，在雷達應用領域具有一定的理論參考價值。

電磁散射；沖激脈沖；有限時域差分法；導彈模型；尾翼

1 引言

近年來，超寬帶技術由于具有高距離分辨率，被廣泛應用到雷達領域，例如，測距[1]、定位[2]、目標識別、成像[6,7]等。這些功能是雷達依據目標電磁散射回波來實現的，因此，研究目標瞬時電磁散射回波特性在雷達應用中具有重要意義。

早期超寬帶電磁散射特性主要是在頻域中完成的[8]。近年來，隨著時域電磁學的發展，在時域研究目標散射特性引起了廣泛興趣。當極窄脈沖照射到復雜目標，其回波不再是簡單的延時入射波的疊加，而是由目標材料、幾何結構和視線角決定散射特性的散射中心回波的疊加。考慮到高斯脈沖特性、目標材料損失和電磁波與目標表面的相互作用，文獻[9,10]引入目標沖激響應擴展因子，代替有限理想散射點簡單疊加。平板、球體、圓柱體等簡單目標的超寬帶散射特性被廣泛地研究，獲得了大量實驗數據。對于簡單目標，在時域中，理論計算、真實實驗、仿真試驗數據結果都是一致的；但利用理論計算分析飛機、導彈這類復雜目標的散射特性難度較大，目前主要依賴于真實實驗和仿真試驗研究該類復雜目標的散射特性[17,18]。

本文以某型空空導彈為原型，以真實目標尺寸建立導彈模型，以一階高斯微分為發射信號，利用時域有限差分(Finite-Difference Time Domain, FDTD)法研究該型導彈超寬帶瞬時電磁散射特性。首先，建立真實尺寸的導彈模型；其次，在遠場平面波、不同入射角條件下進行時域FDTD仿真，分析該導彈模型遠場時域散射波形及散射特性；再次，在近場環境，基于單基地雷達，不同轉角情況下進行時域FDTD仿真，分析該導彈模型近場瞬時散射特性。

2 數學模型

2.1 導彈模型

本文建立導彈3維模型如圖1所示，該導彈模型有一個球冠、一個圓錐體、一個圓柱體及8個棱錐體組成，各部分尺寸如圖1所示。在仿真中，導彈外殼材料選擇為銅，導彈外殼厚度為1 cm，彈體直徑為0.3 m，彈頭球冠直徑為0.05 m，彈頭球冠與圓錐體相切形成光滑曲面，操縱舵前緣棱邊與圓柱體的夾角為，尾翼前緣棱邊與圓柱體的夾角為。

圖1 導彈模型結構及其尺寸

2.2激勵信號模型

3 遠場導彈模型散射特性

3.1 遠場仿真模型

圖2 遠場導彈仿真模型

對于導彈而言，電磁波主要是對導彈前半球進行照射，因此仿真入射波仰角為，方位角分別為時的散射回波。圖3為平面波激勵信號和時的導彈目標散射回波。圖3清楚地表明，入射方位角為時，本文提供的導彈模型有6個強散射回波，表1給出了各強散射回波到第1個強散射回波的測量距離。由表1可知，第1個強散射回波是由彈頭球冠鏡面反射形成的局部滑動散射中心，稱之為彈頭散射中心；第2個強散射回波是由錐體與圓柱體相交不連續處散射形成的邊緣散射中心；第3個和第4個強散射回波分別是由操縱舵前緣和尾翼前緣與圓柱體連接處散射形成的；第4個和第6個強散射回波分別是由操縱舵后緣尖端和尾翼尖端電磁波繞射形成的。

圖3 入射角時的導彈散射回波

表1時導彈強散射回波的距離(m)

表1時導彈強散射回波的距離(m)

強散射回波i123456 00.5051.4682.0283.9434.576

為了研究導彈各強散射瞬時回波波形特點，計算波形保真度因子[13]。對于兩個信號和，其波形保真度因子定義為

甲洛洛回到家里，想著自己家里，老婆帶著三個兒子，也是飽一頓餓一頓，但還好，自己每個月有個十三塊錢的工資。平時在食堂里節約好午飯，早飯和晚飯也就基本夠吃了，可近來由于小阿布，自己也得捏緊褲袋。

表2時導彈各強散射回波的波形保真度因子

表2時導彈各強散射回波的波形保真度因子

0.640.990.840.830.580.92 0.880.500.830.840.920.63 0.740.790.590.940.700.80 0.970.820.950.610.560.61

表3時導彈各散射中心的距離(m)

表3時導彈各散射中心的距離(m)

散射中心i2345678 15o0.4591.4011.9383.8014.443-- 30o0.3991.2511.6293.3943.7813.9434.166 45o0.2800.9821.3201.5431.9562.9553.227

圖4 在入射波仰角，不同方位角時的遠場導彈目標散射信號

3.3不同仰角時的導彈目標散射特性

圖5 不同入射波仰角時的導彈模型散射回波

由圖4和圖5可以看出，本文給出帶有尾翼的導彈模型，其散射特性較為復雜，其復雜性主要表現在操縱舵和尾翼的散射特性。通過分析圖4和圖5，可以得到以下結論：

(2)彈頭球冠散射中心散射波形為反相入射波微分，圓錐體與圓柱體連接處散射波形為入射波，操縱舵前緣和圓柱體連接處散射波形為反相入射波微分，操縱舵后緣繞射波形為入射波微分，尾翼前緣和圓柱體連接處散射波形為反相入射波，尾翼尖端繞射波形為入射波；

(3)電磁波在照射陰影區的舵和尾翼尖端產生繞射，形成散射中心；

(5)該導彈的電磁復雜性主要體現在操縱舵和尾翼的幾何結構和尺寸上。

4 近場導彈模型散射特性

建立近場仿真模型如圖6所示。天線到導彈中心=5 m，導彈圍繞導彈中心在平面上逆時針轉動，每次轉動。選擇的波形同上，極化方向為軸方向。由于是分析導彈散射特性，不考慮天線傳遞函數的影響，仿真中利用式(1)激勵點源產生球面波，仿真場景邊界為PML邊界。圖7為導彈在不同轉角下的散射回波。

圖6 近場導彈散射仿真模型

圖7 近場導彈在不同轉角的散射回波

表4導彈轉角為時各散射中心回波的波形保真因子

表4導彈轉角為時各散射中心回波的波形保真因子

0.380.530.510.680.760.69 0.470.500.670.510.550.44 0.680.600.860.780.910.83 0.670.790.780.860.750.83 0.890.820.980.800.790.73 0.700.890.790.980.970.99

同理可以得到產生垂直反射波的最大轉角為

由式(7)和式(8)可知，產生鏡面垂直反射波的范圍和旋轉點到點源的距離以及圓柱體的長度有關。在本文仿真中，轉角范圍在時，產生鏡面垂直反射回波。

通過分析近場環境下基于單基地雷達的導彈散射特性，總結起來，可以得到如下結論：

(1)導彈在近場的散射中心位置和遠場基本一致，但其散射波形有明顯區別。

(2)近場導彈各散射中心的散射波形隨著導彈目標轉角變化而有所變化。

(3)導彈在一定轉角范圍內，其圓柱體表面會產生鏡面垂直反射波，該散射中心的散射回波幅度遠強于其它散射中心。

(4)在照射陰影區，電磁波在操縱舵和尾翼的尖端、棱角以及不連續處產生繞射，形成強散射中心。

5 結論

本文研究了帶有尾翼復雜導彈的超寬帶散射特性，首先通過分析遠場該導彈的瞬時散射波的特點，研究了該導彈遠場散射中心成因和隨入射角變化特點，其次通過分析近場該導彈瞬時散射波特點，研究了近場該導彈散射中心隨導彈轉角的變化特點及產生垂直反射波的范圍。通過對該導彈瞬時散射波特點分析，得到了該導彈超寬帶散射特性的結論，這些結論對于該型導彈測量、成像、識別具有重要的理論參考價值。

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Analysis on Ultra-wideband Scattering Characteristics of Complex Missile with Empennages

Zhou Xin-peng Wei Guo-hua Wu Si-liang Wang Xu Wang Da-wei

(,,100081,)

In order to meet the requirement for measurement and detection of complex missile targets, a complex missile model with empennages is established and its scattering characteristics are studied under the conditions of the missile irradiated by extremely short pulse. Transient scattering echoes of the missile model are calculated using Finite-Difference Time Domain (FDTD) algorithm. The characteristics of the missile scattering echoes are analyzed at different incident angle conditions in far field and at different rotational angle of the missile in near field. These analyses on the scattering echo characteristics reveal the causes of the missile scattering centers and characteristics of scattering waveforms, which can provide theoretical reference in radar application.

Electromagnetic scattering; Impulse pulse; Finite-Difference Time Domain (FDTD) algorithm; Missile model; Empennage

TN011

A

1009-5896(2015)08-1868-06

10.11999/JEIT141238

周新鵬 xinpeng_780304@163.com

2014-09-23收到，2015-05-08改回，2015-06-09網絡優先出版

周新鵬： 男，1978年生，博士生，研究方向為超寬帶雷達成像和信號處理.

魏國華： 男，1977年生，副研究員，研究方向為雷達系統及其信號處理.

吳嗣亮： 男，1964 年生，教授，博士生導師，研究方向為信號處理理論與技術、目標探測與識別理論與技術、電子系統仿真與信號模擬.