某型空中靶標雷達反射特性增強技術研究

郭曉鵬，肖 軍，章瑋瑋，張林銳，高偉波

(1.陸軍工程大學石家莊校區， 石家莊 050000; 2.中國華陰兵器試驗中心， 陜西 華陰 714200)

空中靶標是武器攻擊或探測空中目標的替代物，是一種動態實物模擬器。它用來檢驗整個武器系統的戰術技術性能[1]。因此，從武器系統考核要求出發，要求空中靶標雷達反射特性盡可能逼真于真實目標。由于空中靶標在外形尺寸(翼展4～7 m，機體長度3～6 m，遠小于真實目標)、形態結構(機體大部分為木質材料或纖維復合材料)等方面與真實目標差別較大，因此自身的雷達散射截面積比真實目標要小得多，如國產B—2靶機平均的雷達反射截面積約為 -6 dBm2。國內關于直升機的雷達散射截面積的計算結果表明，在雷達探測最具威脅的鼻錐方向,直升機RCS的算術均值為8.2 dB[2]。直接使用空中靶標模擬武裝直升機，考核武器系統綜合效能時，往往不能全面考核武器系統探測、識別、捕獲、跟蹤目標等方面的實際能力；在原型機上改造時，又存在周期長，成本高等不足[3-4]，因此，必須采取雷達增強技術，增強空中靶標雷達反射特性，使物理尺寸較小的空中靶標等效于物理尺寸較大的真實直升機，從而提高空中靶標可探測性，全面考核武器系統探測、識別、捕獲、跟蹤目標等方面的實際能力。

1 空中靶標雷達反射特性模擬計算

隨著對目標雷達散射截面積計算精確預估和低成本等要求的不斷提高，各國相繼開發和推出了一批用于目標雷達散射截面積分析計算的軟件(如FEKO,XPATCH,GRECO等)，仿真計算也迅速成為目標RCS計算的首選方法[5]。

FEKO是一個以矩量法(MOM)為基礎的三維全波電磁場分析軟件[6]，集成了多層快速多極子方法(MLFMA)、物理光學法(PO)等多種算法，形成了一套完整的電磁計算體系。采用FEKO軟件對靶標RCS計算分析，可以分為幾何建模、網格剖分、求解計算三個步驟[7]。

1.1 幾何建模

FEKO軟件可以利用自帶的CADFEKO模塊建立幾何模型，也提供了豐富的導入其他建模軟件接口。對于復雜模型，一般通過專業的3D軟件建模(如UG,Pro Engineer,Catia等)，然后通過FEKO軟件接口導入已建立的三維模型。3D建模中，需利用CAD模型處理工具，在不影響整機RCS特性的情況下，對靶標連接、尾噴口以及由于CAD造型原因導致的靶標表面縫隙等部位進行封閉和模型修復處理。本文采用FEKO自帶的建模模塊，分別建立靶標機體模型、發動機模型和靶標組合模型如圖1～圖3所示。

1.2 網格剖分

網格模型剖分的質量和數量決定了FEKO軟件計算能否成功以及計算時間的長短，例如，計算一個200萬個未知量的網格模型需要25 GB的計算機內存和10 h左右的計算時間，所以，網格剖分應以節約時間和計算機資源而又能成功計算為準則。

FEKO軟件自身具有網格剖分功能，但對于復雜大尺寸目標，FEKO軟件剖分的網格質量一般很難滿足計算要求，需采用HYPERMESH,ICEM CFD,ANSYS等專業軟件剖分網格。網格劃分一般取入射波1/6～1/10波長為網格單元邊長，就可以滿足FEKO軟件的要求，但對于品質比較好的網格模型，可以適當增大網格尺寸，從而節約時間和計算機硬件資源[8]。網格劃分完成后模型如圖4～圖6所示。

1.3 求解計算及結果分析

CADFEKO中矩量法(MoM)可以求解任意目標RCS且精度高，但是對硬件要求高；多層快速多極子方法(MLFMA)算法在滿足一定精度的情況下提高了計算速度，因此選用多層快速多極子方法(MLFMA)算法[9]。

求解計算主要是正確設置參數，靶標機體材料為玻璃鋼,密度0.98 kg/m3，介電常數3，正切損耗0.1，入射波300 MHz，水平極化，采用MLFMM方法計算0～360°的水平面單站RCS方位圖每10°取一個點，分別計算靶標機體模型、發動機模型、靶標組合模型的RCS分布圖 和RCS方位圖，如圖7～圖12所示。

從其中可以看出，靶標機體RCS最大值為-4.61 dB(0.346 m2)，發動機RCS最大值為-9.11 dB(0.123 m2)，靶標組合模型RCS最大值為-3.18 dB(0.48 m2)，由于靶標自身雷達反射特性遠遠弱于武裝直升機，因此需采用增強技術實現增強空中靶標雷達反射特性。

2 空中靶標雷達反射特性增強

隨著對空武器系統的不斷發展，空中靶標目標特性模擬技術不斷發展，雷達增強技術主要有無源雷達增強技術和有源雷達增強技術兩種[10,11]。有源雷達增強系統猶如一部應答機，但是它能適用于多種波段，并對回波進行放大增強，但需要反復選擇天線、天線位置，反復調試，且系統要由機上供電，成本較高，因而不適用于中小型空中靶標。無源雷達增強技術主要采用鋁箔涂覆、角反射器、龍伯透鏡等無源增強器增強靶標雷達反射特性，其特點是裝設較為簡便，無需電源，無需電氣連接，質量輕，效率高，成本低，適用于中小型空中靶標。

利用鋁箔涂覆技術對某型空中靶標的減速板和垂尾進行了增強(見圖13、圖14)。

對平面反射，增加的雷達反射截面積σ

(1)

式中：σ為雷達反射截面積(m2)；b,h為鋁箔涂平面長和寬(m)；λ為入射波波長。

對圓柱體反射，增加的雷達反射截面積σ

(2)

式中：r為涂覆圓柱面半徑(m)；h為涂覆圓柱面高(m)。

根據減速板和垂尾實際尺寸，建立減速板和垂尾的FEKO模型，進行網格化分后，加載300 MHz水平極化波，得到結果如下：

1) 阻力板貼敷鋁箔紙后，靶標雷達反射截面積增加0.11 m2(-9.42 dB，見圖15)，靶標在迎頭方向雷達反射特性增強最明顯(-9.42 dB)，增加約25%，尾向增加約-13 dB(見圖15)；

2) 垂尾板貼敷鋁箔紙后，靶標雷達反射截面積增加0.816 m2(-0.9 dB，見圖16)，雷達反射特性在入射波垂直于垂尾時達到最大值(見圖16)，此時靶標雷達反射特性增加約185%；

3) 靶標整體貼敷鋁箔紙后，靶標雷達反射截面積增加8.85 m2(9.47 dB)，見圖17，接近直升機鼻錐(見圖17)，方位角60°～120° )方向RCS的算術均值(8.2 dB)，可以在一定程度上模擬直升機的RCS特性。

3 結論

該方法增強空中靶標雷達反射特性后，應用于某型雷達偵察裝備試驗。試驗表明，靶標雷達反射特性增強后接近真實武裝直升機雷達反射特性，能全面考核某型雷達偵察裝備探測、識別、捕獲、跟蹤目標能力。

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[10] 李柱貞,呂嬰,向家武.雷達散射截面常用計算法[M].北京:國防工業出版社,1981.

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