SBR雷達散射截面快速算法在雷達隱身設計中的應用

李 偉

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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SBR雷達散射截面快速算法在雷達隱身設計中的應用

李 偉

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

目前RCS預估方法大致可以分為兩大類：精確方法和近似方法。而近似方法運算速度快，適合在工程實際中應用，但準確度相對較低。選取了彈跳射線(SBR)法，既具有運算速度快的特點，又具有較高的準確度。簡要論述了其原理以及應用情況，通過典型算例驗證了其方法仿真的準確度，并介紹了某型雷達外形隱身設計案例。

雷達橫截面；預估方法；彈跳射線法；雷達外形隱身

0 引 言

現代雷達在探測目標的同時，還要考慮自身的隱身效果。尤其當前艦艇朝著隱身方向發展，要求艦載雷達的設計必須考慮隱身效果。為了減少艦載雷達的雷達橫截面積(RCS)，目前主要通過對雷達暴露在艙外的設備進行外形結構隱身設計以及雷達表面涂覆吸波材料(或加裝具有頻選特性的天線罩)來實現。隨著高速計算機和各種仿真軟件的飛速發展，外形結構隱身設計技術的發展十分迅速，目前已成為雷達隱身設計中廣泛采用的最有效技術手段。

對雷達外形結構進行隱身設計，重點要針對雷達RCS比較突出的結構不斷進行優化設計，在保證雷達技術指標的前提下，盡量減少雷達自身的RCS。而對雷達RCS的獲取，可以采用實測和仿真計算2種手段。實測方法包括微縮模型測量和實物遠場測試2種，其優點是測量結果直接準確；缺點是費時費力，特別是要消費大量的財力，需要匹配建設相應規模的微波暗室、外場測試環境以及配備大量測試儀表。隨著計算電磁學的快速發展，產生了各種數值方法，例如矩量法、時域有限差分法、頻域有限差分法、有限元法等，這些數值方法使電磁場數值分析研究產生了前所未有的重大進展，并獲得了大量的科研成果。仿真計算則是通過應用電磁場數值方法研究的成果，依托高速計算機平臺編制仿真軟件，并通過對軟件參數的優化調整，不斷逼近真實結果，從而實現對目標RCS的獲取。其解決了實測帶來的耗時耗力的問題，且通過電磁散射算法的不斷優化，其仿真結果已經基本接近實測結果，在工程領域得到了廣泛應用。

RCS預估方法大致可以分為兩大類：一種是基于波動方程求解的精確方法；一種是基于高頻算法的近似方法。精確方法雖然可以得到相對準確的目標RCS值，但算法本身對運行計算機硬件要求很高，而且計算時間長，離工程應用還有一定的差距。高頻算法運算速度快，對計算機硬件要求也低，在工程上得到了廣泛應用。但其是一種近似方法，仿真結果與真實值有一定差距，在工程上更多地用于評判其RCS變化趨勢。

1 彈跳射線(SBR)方法

彈跳射線[1](SBR)方法屬于高頻算法的一種，但相比于以往的高頻算法，它考慮到了電磁波在目標表面多次散射的效應，將所有散射射線在遠場輻射疊加，得到更加精確的目標RCS值。其克服了傳統高頻方法不能處理電磁波在目標表面多次反射作用的局限，為工程中的目標RCS預估提供了更快速、可靠的算法。

SBR方法主要分為射線路徑追蹤、射線強度追蹤和遠場積分三部分。

射線路徑追蹤：利用一系列緊密相連的射線管來模擬電磁波入射到目標表面，對所有射線管進行路徑追蹤就可以模擬電磁波在目標表面的傳播。

射線強度追蹤：對射線與目標表面的交點場強的跟蹤計算。

遠場積分：根據射線路徑跟蹤和場強度跟蹤，可以求出射線經過多次反射回到射線口面時的電場分布，將口面上的電場等效為磁流源，進行口徑積分，可求出目標表面的散射場[2]：

(1)

2 仿真算法及結果比對

根據公式(1)編制目標RCS隨角度變化曲線的算法，算法只考慮對目標采用平面三角面元進行擬合，散度因子取1；當目標為純金屬導體時，反射系數矩陣(R)i對應用平行極化波(TM波)和垂直極化波(TE波)分別為1和-1；當目標為介質或目標表面涂敷介質時，反射系數矩陣(R)i可由文獻[3]計算。

為驗證算法準確性，本文參考文獻[4]中的典型模型結構(取杏仁核結構和帶縫錐體結構)，對模型進行仿真分析，與參考文獻中的結果進行比對，驗證其正確性。

2.1 杏仁核結構

該結構是美國航空航天局(NASA)專門用于設計驗證各種數值算法程序的可靠性的基準目標。其幾何建模如圖1所示, 杏仁核模型的尺寸為：

當-0.416 67

(2)

當0

(3)

式中:x,y,z的單位均為mm。

圖1 NASA杏仁核網格圖

本文通過利用SBR方法編制仿真算法，在入射波頻率為1.19 GHz的情況下，仿真計算杏仁核結構單站RCS曲線，如圖2(a)所示。與圖2(b)文獻結果相比，兩者吻合得很好。

圖2 單站RCS曲線示意圖

2.2 帶縫錐體結構

其幾何建模圖如圖3所示。其外形參數如下：

-605.0534 mm

6.35 mm

0

圖3 帶縫錐體網格圖

對上述結構，利用仿真算法對其單站RCS進行預估。圖4(a)給出了入射波頻率為896 MHz時的帶縫錐體的單站RCS預估圖。可以看出，計算所得結果與圖4(b)的文獻結果吻合得很好。

圖4 帶縫錐體的單站RCS曲線示意圖

3 SBR工程應用

3.1 利用SBR對典型結構進行RCS估算

本文選取雷達外形設計的典型結構形狀進行SBR算法仿真分析，典型結構包括：大平面結構、折疊彎角結構和球面結構。

(1) 平面結構

對大平面結構進行SBR算法仿真分析,結果如圖5所示。

目前，中國正在穩步地推進生態文明建設和綠色、節能型社會建設。其中水資源是經濟社會發展的關鍵因素，也是關系到中國糧食安全和能源安全的重中之重。由于人們不斷提高的生態環境文明意識，百姓對于生活的期望也越來越強烈，水資源支持下的生態文明建設需要越來越多的理論和技術支持。加強水資源的管理將為建設中國生態文明國家奠定科學基礎。

圖5 平面結構模型及其RCS仿真曲線

(2) 折疊彎角結構

對折疊彎角結構進行SBR算法仿真分析,結果如圖6所示。

圖6 折疊彎角結構模型及其RCS仿真曲線

(3) 球面結構

對球面結構進行SBR算法仿真分析,結果如圖7所示。

圖7 球面結構模型及其RCS仿真曲線

查閱文獻和上述仿真結果可知：

(1) 平面結構在正對法線方向RCS最大，其他方向RCS則較小；

(2) 折疊彎角結構出現了多次反射情況，形成多處RCS值較大點；

(3) 球面RCS值分布均勻且值最小。

某艦載雷達在未進行隱身設計之前，其天線座(暴露在艙外)存在多處的平面和棱角結構設計，應用SBR算法，得到RCS隨角度的分布圖，如圖8所示。根據對典型結構形狀的SBR算法仿真預計結果的建議，對針對RCS較大處結構設計采取以下幾種改進方法：

(1) 將大塊平面結構設計改為球面或者多面形設計；

(2) 將直角彎結構改為鈍角彎或弧形結構；

(3) 將不規整棱角結構采用規則的多面形結構保護罩進行包裹。

圖8 隱身設計前的單站RCS計算結果圖

對結構改進設計后的天線座進行仿真計算，結果如圖9所示，對比圖8 RCS值平均減少10 dB左右。

圖9 隱身設計后的單站RCS計算結果圖

4 結束語

考慮到與工程實際相結合，本文選取高頻方法里的彈跳射線法，不僅能計算電大尺寸目標，且計算速度快，準確性相對較高，處理類型種類多。通過對結構體三維設計圖進行RCS理論分析，給出了各種結構體的準確RCS值，并與文獻中標準值進行比對，驗證了方法的正確性，并指導了某型雷達天線座結構的隱身設計，取得了較好的工程應用效果。

[1] LING H,CHOU R,LEE S W.Shooting and bouncing rays:calculating the RCS of an arbitrarily shaped cavity [J].IEEE Transactions on Antennas Propagation,1989,37(2):194-205.

[2] KNOTT E F.雷達散射截面——預估、測量和減縮[M].阮穎錚譯.北京:電子工業出版社,1988.

[3] KLEMENT D,PREISSNER J,STEIN V.Special problems in applying the physical optics method for backscatter computations of complicated objects [J].IEEE Transactions on Antennas Propagation,1988,36(2):228-237.

[4] WOO A C,WANG H T G,SCHUH M J,SANDERS M L.Benchmark radar targets for the validation of computational electromagnetic programs[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,1993,35(1)：84- 89.

Application of SBR RCS Rapid Algorithm to Radar Stealth Design

LI Wei

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Existing pre-estimation methods of radar cross section (RCS) can be classified to two kinds:precision method and approximation method.The approximation method has high calculation velocity,is adapted to the application to engineering practice,but the precision is low.This paper uses the method of shooting and bouncing ray (SBR) that has not only fast calculation velocity but also high precision,briefly discusses the principle and application status,validates the simulation precision through classical calculation example,and introduces the shape stealth design case of a certain radar.

radar cross section；pre-estimation method;shooting and bouncing ray method;radar shape stealth

2016-06-30

TN974

A

CN32-1413(2016)05-0034-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.008