桅桿雷達承載平臺隱身性能分析

杜曉佳，崔俊偉，楊 飏，洪 明

(1.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064;2.大連理工大學 運載工程與力學學部船舶工程學院，遼寧 大連116024)

1 概 述

雷達隱身性作為提高艦船生存能力的重要條件，可有效提升艦船在海戰中的突防能力，是現代海戰取勝的關鍵因素之一［1］。對于現代艦艇來說，雷達隱身技術是在一定評估區域內降低目標的可探測信號特征，即雷達反射截面積(Radar Cross Section，RCS)，從而減小被敵方發現的距離，降低其被識別和跟蹤的概率［2-3］。自20 世紀80年代以來，國內外相繼出現大量隱身艦艇，典型的隱身艦艇有法國“拉斐特”級護衛艦、中國054 型護衛艦、英國45 型防空驅逐艦和瑞典“斯米杰”號試驗艇等。由于大量隱身技術被應用到這些隱身艦艇上，使得在海戰中對其進行偵查和攻擊變得十分困難。

桅桿系統一般處于水面艦艇結構的最高位置，且同時承載了艦上大部分的偵查和通訊設備，受地球表面彎曲效應的影響，它是艦船早期被雷達探測的主要散射源，因而桅桿系統為艦船雷達反射的重要部分，將直接影響到全艦的雷達隱身性能［4］。

圖1 艦船雷達探測示意圖Fig.1 The schematic of ship radar detect target

對艦艇桅桿外形進行隱身設計時，整個桅桿形體設計宜趨于封閉，減少凹凸面和垂直角，盡量避免有發生強散射的部件外露。但由于有關技術尚不成熟，在進行艦船桅桿的實際設計時，尚不能完全實現雷達天線的集成化。考慮電磁兼容問題，需將各雷達在桅桿表面分布設置，以致桅桿主體上存在大量的雷達承載平臺，在桅桿表面形成眾多較大的突出物。這些突出的雷達承載平臺不僅有自身的電磁反射，還會與桅桿圍板形成較大的二面角，進而可能產生較強的多重反射。因此在桅桿設計中，當完成桅桿主桅體的隱身設計工作后，有必要對其雷達承載平臺的隱身性能進行計算和分析，并做出相應調整。

圖2 桅桿的雷達承載平臺示意圖Fig.2 Radar platform of warship mast

快速多極子方法考慮了場點之間的相互作用，其計算結果包含了所謂傳統高頻算法中的多次散射作用。

本文以某一桅桿的雷達承載平臺為例，基于快速多極子方法(FMM)和物理光學法(PO)2 種經典電磁散射計算方法，選取快速多極子作為電磁模型綜合反射的計算方法，選取物理光學作為模型單次反射的計算方法。參照有關規范和文獻，對其電磁散射方式進行分析，研究雷達波波長及極化方向的影響，分別分析該平臺4個獨立傾角的影響，給出具有較好隱身效果的平臺外形參數。

2 電磁模型參數設定

雷達散射截面作為一個復雜的物理量，它既與被探測目標的幾何參數和材料參數有關，又與雷達波的頻率、極化方向和波形等參數有關，而且它還隨目標相對于雷達波發射器或接收器之間的方位角變化而急劇變化［7］。

2.1 桅桿模型參數設定

考慮到電磁兼容的影響，雷達天線和桅桿主體的空間位置不發生變化，所以雷達天線及其與主桅體間的電磁反射不在本文的考慮范圍內。因此在計算桅桿雷達承載平臺的RCS 之前，需對該桅桿進行相應簡化，只考慮部分桅桿圍板對桅桿雷達承載平臺雷達反射產生的影響。簡化后的桅桿雷達承載平臺模型如圖3所示，其中桅桿主體圍板高1.50 m，底部寬度為3.00 m，與豎直面傾斜7°，雷達平臺外延長度為0.50 m，平臺外端部寬度和高度均為0.20 m。

對平臺的外形進行分析可知，平臺外形可由圖3所示的τ1，τ2，τ3和τ4四個獨立傾角參數所控制。因此本文將以不同傾角的雷達平臺模型作為對象進行隱身評估，分析這4個傾角對雷達平臺隱身性能的影響。

圖3 雷達承載平臺外形參數Fig.3 Shape parameter of radar′sloaded platform

在進行桅桿雷達承載平臺RCS 預估中，暫不考慮隱身涂層和FSS的影響，假設圍殼材料為理想導體PEC。

2.2 雷達參數設定

對于艦船來說，威脅其安全的雷達波來自敵方水面艦船或空中武器平臺，二者都接近水面，觀察仰角被限制在一個極小的范圍內［8］，如無特殊要求，一般雷達天線中心至艦艇水線部分連線與它的海平面投影之間的夾角不超過0.5°。因此本文的桅桿RCS 評估研究只針對沿水平面傳播的雷達波展開。由于桅桿雷達承載平臺模型沿縱剖面對稱，在計算時水平方位角φ的范圍只需選取0°～90°即可，本文的角采樣間隔為1°，測量舷角以逆時針增量為正。

在海戰中，作戰艦船通常首先被敵方單個艦船或空中武器平臺發現。因此對于艦船來講，最重要的隱身特性指標就是其單站的RCS 分布，因此在本文桅桿隱身雷達研究工作中，只針對桅桿的單站RCS 進行研究。

對艦船進行探測的雷達多處于S，C，X和Ku波段，測量頻段可在以上波段中選取，某一波段的實際測量中心頻率一般可選該波段的中心頻率，對應的波長分別為10 cm，5 cm，3 cm和2 cm。

此外，在對桅桿進行雷達散射截面計算時，考慮了極化方向對RCS的影響。

3 雷達承載平臺散射方式分析

以τ1，τ2，τ3和τ4四個傾角均為0°的雷達平臺為模型，分別利用快速多機子方法和物理光學法，計算其在波長分別為10 cm，5 cm，3 cm和2 cm 條件下，水平極化雷達波照射下的單站RCS，其RCS分布如圖4所示。

從圖4 可看出，在4個探測波長下，通過對比FMM和PO 計算得到綜合反射和單次反射RCS 曲線對比可知，考慮多重反射后模型在評估區域內的RCS 值有較大提升，且多重反射影響的區域是比較廣泛的，單次反射是評估域內RCS 峰值的主要來源。隨著頻率的增加，因單次反射的RCS 曲線差別較小。而計入多重反射后，RCS 曲線均有較大變化，且峰值有較大提高。

表1 為各波長下雷達承載平臺的總雷達反射截面。

圖4 不同波長下雷達承載平臺RCS 分布Fig.4 RCS distribution of radar′s loaded platform in different wavelength

表1 總RCS 值對比Tab.1 Comparison of general value

同時也可看出，FMM法計算求得的計入多重反射效果的目標總RCS 值與PO法求得的單次反射總RCS 有較大差別。因此對于以τ1，τ2，τ3和τ4四個傾角均為0°的雷達承載平臺模型來說，多重反射是其電磁反射的主要反射源。且雷達波長越小，該目標的總雷達截面積就越大。

隨后，依然以τ1，τ2，τ3和τ4均為0°的雷達平臺為模型，分別利用快速多機子方法和物理光學法，計算在波長為10 cm 不同極化方向雷達波照射下，在評估區內單站RCS的平均值，結果如圖5所示。可以看出，隨極化角度的改變，物理光學法計算出的單次反射RCS的平均值并不發生改變，而FMM 計算得到的模型整體RCS 分布的平均值有略微的改變，但這種改變基本可以忽略。因此極化角度對該模型的單次反射和多重反射的影響均是較小的，基本可以忽略。

圖5 不同極化方向下雷達平臺RCS 平均值Fig.5 RCS average of radar platform in different polarization direction

4 雷達承載平臺隱身性能分析

針對雷達承載平臺進行外形調整，降低其雷達反射值，修改平臺的圍板傾角是較為簡單和直接的方法。鑒于桅桿及雷達平臺圍板均為內傾設計，為保證滿足電磁兼容和強度，雷達平臺外延長度、外端部寬度和高度保持不變。因此本文將以不同傾角的雷達平臺模型作為對象進行隱身評估，分析這4個傾角對雷達平臺隱身性能的影響。

當τ1，τ2，τ3和τ4四個傾角中任一傾角從0°增加到15°時，其余3個傾角均為0°。在波長為10 cm水平極化雷達波照射下，通過快速多極子方法，對雷達承載平臺在評估區的RCS 平均值和總雷達反射截面進行計算，其變化如圖6～圖9所示。

單獨考慮τ1的影響。隨著τ1的增加，雷達平臺在評估區域內的平均值和總RCS 值僅有微小改變，略有提升，可見夾角τ1對評估域內的RCS的影響較小，2 條曲線最后趨于相同，說明特征方向±4.5°內的測量值相對于其它區域較弱。

圖6 RCS 隨τ1 分布曲線Fig.6 The distribute curve of RCS changedwithτ1

單獨考慮τ2的影響。隨著τ2的增加，雷達平臺在評估區域內的平均值和總RCS 值呈現出線性的增加，即τ2越大，評估域內的RCS 整體水平就越大，2 條曲線保持的差距是相同的，因此特征方向±4.5°內的測量值對這種變化影響較小。當τ2增加時，基座兩側的面積就越大，即二面角效應就越大，因而導致在非特征方向±4.5°內RCS的增加。

圖7 RCS 隨τ2 分布曲線Fig.7 The distribute curve of RCS changedwithτ2

隨著τ3的增加，在2°～8°之間，雷達平臺在評估區域內的平均值和總RCS 值呈現出明顯的降低，但當τ2增大到一定程度時，2 條曲線的降低趨勢就變得比較緩慢，且2 條曲線間的差距趨于增大，可見特征方向±4.5°內的測量值相對其它區域較高。

圖8 RCS 隨τ3 分布曲線Fig.8 The distribute curve of RCS changedwith τ3

隨著τ4的增加，當小于10°時，雷達平臺在評估區域內的平均值和總RCS 值呈現出明顯的線性降低。當τ2大于10°后，評估域內的RCS 整體水平隨τ2的降低就變的相對緩慢;當τ2大于13°后，平臺的RCS 水平反而隨τ2的增大而增大。2 條曲線保持的差距隨τ2的增大一直增大，可見特征方向±4.5°內的測量值在RCS 平均值的影響就越大。

圖9 RCS 隨τ4 分布曲線Fig.9 The distribute curve of RCS changedwith τ4

為研究4個傾角對雷達承載平臺RCS的綜合影響，對τ1，τ2，τ3和τ4四個傾角共同從0°增加到15°的16個模型進行研究，在波長為10 cm 水平極化雷達波照射下，雷達承載平臺在評估區的平均RCS 值和總RCS 變化如圖10所示。

圖10 雷達承載平臺RCS 隨傾角τ 分布曲線Fig.10 The distribute curve of radar′s loaded platform RCS changedwith τ

隨著4個傾角的共同增加，當小于8°時，雷達平臺在評估區域內的平均值和總RCS 值呈現出明顯的降低;當傾角大于10°后，評估域內的平均值和總RCS 值隨傾角的變化相對緩慢，但此時評估域內的平臺的RCS 平均值隨傾角的增大有略微的增大。2 條曲線保持的差距隨傾角的增大一直增大，可見特征方向±4.5°內的測量值在RCS 平均值的影響就越大。

綜合雷達平臺平均值和總RCS 值隨傾角變化規律，單獨考慮4個傾角參數時，τ3和τ4這2個傾角對雷達平臺的隱身性能影響較大，τ1對雷達平臺隱身性能的影響較為有限，τ2的增加反而降低模型的隱身性能。當綜合考慮4個參數時，當雷達平臺4個傾角共同大于5°時，即可得到相對滿意的隱身效果。在16個相同傾角模型中，當4個傾角均為10°時，評估域內的平均值為全局最優，且總RCS 值處于局部最優，建議作為最終設計結果。

5 結 語

本文以某一桅桿的雷達承載平臺為例，基于快速多極子方法和物理光學法2 種電磁計算方法，對其電磁散射方式進行分析，討論了雷達波參數和外形參數的影響，具體結論如下:

1)對于該平臺原始模型，多重反射是其電磁反射的最主要源，且多重反射影響的區域是比較廣泛的，單次反射是評估域內RCS 峰值的主要來源。

2)當雷達波長越小，該目標的總雷達截面積就越大。頻率的改變對多次反射的影響要大于對單次反射的影響。雷達波的極化角度對該模型的單次反射和多重反射的影響均較小。

3)綜合雷達平臺平均值和總RCS 值隨傾角變化曲線，2個平臺側面的傾角τ3和τ4對雷達平臺的隱身性能影響較大，端面傾角τ1對雷達平臺隱身性能的影響較為有限，底面傾角τ2的增加會降低模型的隱身性能。綜合考慮4個參數的影響，當雷達平臺4個傾角均為10°時，評估域內的平均值為全局最優，且總RCS值處于局部最優，可獲得相對較好的隱身效果。

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