美軍MST靶標目標特性仿真分析

王海濤，秦 剛

(中國人民解放軍91550部隊93分隊,遼寧大連 116023)

水面靶標(靶船)[1]為反艦武器海上飛行試驗提供模擬艦船目標。對于新型主動雷達和紅外成像復合制導的反艦武器海上飛行試驗,需要雷達散射/紅外輻射復合模擬水面靶標進行保障,特別是使用體目標雷達散射/紅外成像復合模擬靶,目前除了使用實體靶,海上試驗還缺少此類模擬較為真實的水面靶標。在滿足復合目標特性[2]模擬逼真度要求的前提下,在工程實現上采用何種模擬技術實現兩者的復合模擬,以滿足新型反艦武器復合導引頭試驗需求,是迫切需要解決的問題,在此方面,美海軍的MST靶標提供了可供借鑒的技術實現方案。

1 雷達散射/紅外成像復合模擬

1.1 水面目標雷達散射/紅外成像復合模擬要求

在海上反艦武器試驗中,為了降低試驗損耗,降低海上作業難度,一般利用水面靶標模擬真實艦船,作為反艦武器攻擊的目標。

對于水面艦艇,對其雷達散射/紅外成像的復合模擬要求一般為:

?驅逐艦、護衛艦等典型水面目標;

?實現俯仰角-10°～20°,方位角0°～360°的典型艦艇雷達散射分布特性模擬;

?典型艦艇的主要輻射源面積和輻射溫度分布等紅外特性;

?要求模擬0°、正橫±45°舷角范圍內目標艦艇的主要輻射溫度和輻射面積。

目前完成體目標雷達散射特性[3]的技術手段是采用多組不同尺寸大小、形狀類型和朝向角度的角反射體,在靶標船體上70 m×15 m×15 m空間內的不同高度和位置上安裝固定,完成預定不同典型目標艦艇的雷達散射分布特性模擬[4]。如需改變模擬的雷達散射面積[5]的大小與分布特性,則只要改變角反射體的種類和數量即可。這種多角反射體目標特性模擬技術手段造價低、靈活性大、可靠性好、日常維護方便,得到廣泛的應用。

紅外成像靶的工程實現途徑是根據海面典型艦艇的船體幾何形狀,在沿船體艏艉線方向上搭建剛性結構平面,構成典型艦艇船體的形狀。在剛性結構平面上布設多組電加熱模塊[6],模擬船體上機艙、煙囪等溫度較高的部位,紅外靶的紅外加熱輻射單元采用“反射加隔熱”的加熱技術,加熱輻射單元為封閉的金屬外殼,內部安裝玻纖硅橡膠加熱片、鋁箔反射膜、隔熱絕緣材料,組裝后模擬軍艦煙囪壁和動力機艙壁的溫度。同時在載體上不同部位刷漆,完成溫度較低部位的模擬,紅外圖像幾何構成及對比溫差的變化,如圖1左圖所示。

圖1 紅外成像靶結構圖示與電磁散射特性仿真結果

如果簡單地將上述雷達散射特性與紅外成像模擬實現方式在一個船體上拼裝組合,完成艦船目標特性復合模擬,則無法同時滿足對典型目標雷達散射特性和紅外成像特性的模擬逼真度。原因在于紅外加熱模塊不僅將對角反射體構成遮擋,而且支撐電加熱模塊的整個剛性支撐結構也會對整個靶標的RCS有很大貢獻,而使預先的角散射體組合構成的雷達散射模擬分布特性出現大的偏離。

1.2 雷達散射/紅外成像復合模擬實現方式

目前雷達散射和紅外成像復合模擬一般采取兩種方式,第一種方式是使用報廢的退役艦艇,這種方式由于船況較差,日常維護保養和海上試驗實施困難,被命中毀傷后拖拽困難,沉沒后打撈難度和經濟花費極大;另外一種技術手段是在紅外成像靶的基礎上加裝角反射組。

對圖1左側的紅外成像靶進行電磁仿真計算[7],分析其電磁散射特性。坐標系Y軸為甲板平面艏艉線方向,由船艉指向船艏;X軸垂直于艏艉線(順時針90°轉向y軸)。俯仰角計算范圍:-15°～15°,步長1°;方位角計算范圍:-60°～60°,步長0.2°。計算頻率為X頻段,計算結果見圖1右側所示。可以看出由于紅外成像靶上層建筑外形相當于一個大的平板,若從坐標系0°或180°(垂直于船艏艉方向)看過去,紅外成像靶的RCS在40 dB以上;而若偏離垂直艏艉方向±5°以外,則RCS在30 dB以下。這種雷達散射分布特性與真實水面艦艇的特性差異很大,所以在紅外成像靶中間加裝一座角反射器組,進行RCS的修正。

在紅外成像靶上加裝角反器組后,RCS模擬角度范圍方位角:-60°～60°,俯仰角:-15°～15°;紅外成像靶加裝后,在其要求模擬范圍內的RCS均值≥σ0。從RCS均值標稱值、覆蓋范圍要求等綜合考慮,角反射器組安裝于紅外成像靶的中央側方,安裝示意圖如圖2所示。安裝后對應的紅外成像靶RCS電磁計算結果如圖3所示。

比較圖1和圖3兩者之間的區別可看出,加裝角反射器組之前,當從X軸方向看過去,紅外成像靶的紅外模塊組合本身相當于一塊大的平板,而且與船甲板構成了一個大的二面角,在±5°以內RCS可達40 dB以上,而±5°以外在30 dB以下。加裝角反射器組之后,在±5°以內RCS沒有太大變化,而±5°以外分布比較均勻,差異在3 dB以內。

圖2 基于紅外成像靶的復合靶結構布局圖

圖3 基于紅外成像靶的復合靶電磁散射特性(平滑前)

同時也可看出,基于紅外成像靶實現的雷達散射/紅外成像復合模擬方式,與真實艦船的目標特性相比,在雷達散射分布特性方面相當于一個點源雷達靶,能量集中于一點,與海上典型真實目標還有較大的偏離。

2 美軍MST水面靶標

圖4為美海軍的一型機動集裝箱MST(Mobile Ship Target)水面靶標,采用集裝箱式組合結構,可以模擬不同的水面艦艇雷達散射/紅外成像復合目標特性,這種方式在工程上簡單易行,且造價低廉。通過改變甲板上集裝箱的數量以及不同組合,可模擬不同雷達散射分布/紅外輻射分布特性的水面艦艇。此型靶標長度80 m,最大航速15 kn,可人工駕駛或遙控航行。LRASM(Long Range AntiShip Missile)為美海軍一種新型采用精確制導模式的防區外反艦導彈,作為新型“進攻性反水面作戰項目”的備選武器之一,于2013年8月27日完成首次試射并命中目標,圖4所示為導彈命中MST靶標后的圖像。

圖4 LRASM反艦導彈命中MST靶標

MST機動式集裝箱式靶標在美軍的海上靶場導彈試驗中得到普遍應用。從圖4中可看出,海上試驗時MST通過遙控自主航行,船艏配備錨設備,在船艉處前方最后一個集裝箱的上方,架設有一靶載測控設備支架,樹立著數根鞭狀天線,應為遙控天線。根據標準集裝箱的尺寸比例,對MST靶標的船體比例和機械結構進行了推斷,如圖5所示。

圖5 MST 機動式集裝箱靶標組合一(左)與組合二

3 MST靶標雷達散射特性仿真分析

MST靶標的RCS仿真計算條件:

?集裝箱表面材料:CORTEN 耐候鋼[8];

?擦地角:0°～80°,步長1°;方位角:0°～360°,步長0.5°;

?極化方式:垂直(VV)與水平(HH);測試頻率:15 GHz和17 GHz;

?集裝箱組合方式:方式一、方式二;

?集裝箱表面溝槽深度:36 mm、54 mm、18 mm。

3.1 組合一RCS特性仿真分析

圖6為多集裝箱組合模型一的三維視圖。

圖6 靶標組合模型一多集裝箱三維視圖

組合模型一溝槽深度36 mm下,15 GHz、HH極化RCS空間分布圖如圖7所示。

圖7 組合一RCS空間分布圖

組合模型一RCS特性仿真計算數據的統計平均值[9],詳見表1。從結果可以看出,同樣的狀態下,在溝槽深度36 m情況下RCS數值較大,但是差值不超過2 dB[10]。

表1 組合模型一RCS特性仿真計算數據

組合模型一在溝槽深度36 mm、分別在15 GHz和17 GHz頻率下、兩種極化方式下,頂部加裝一0.5 m角反射體組, RCS仿真計算的統計平均值見表2。與原狀態相比,普遍偏大0.9 dB～1.7 dB，如圖8所示。

圖8 多集裝箱組合模型一加裝角反射組三維視圖

表2 模型一溝槽深度36 mm加裝角反射體組RCS特性數據

3.2 MST靶標組合二目標特性仿真分析

圖9為多集裝箱組合模型二的三維建模視圖,圖10為組合模型二,溝槽深度36 mm、15 GHz、HH極化的RCS空間分布仿真計算結果。

組合模型二RCS仿真計算數據的統計平均值見表3,計算結果與組合模型一的計算結果類似。

圖9 多集裝箱組合模型二的三維視圖

圖10 組合模型二RCS空間分布圖

3.3 MST MST雷達散射特性仿真結果分析

針對MST水面靶標,根據以上對兩種集裝箱不同組合方式的雷達散射仿真計算結果,可得出以下結論:

1)由于從船的側舷看過去,集裝箱只構成平板,沒有構成典型的角形結構,導致集裝箱式靶標整體RCS偏小,其RCS的線性均值在25 dB～30 dB之間;

2)通過改變集裝箱表面的溝槽深度,可以改變RCS的線性均值;

3)通過局部加裝RCS增強裝置,例如角反射體,可以調整靶標的RCS量值與分布特性。

表3 組合模型二、溝槽深度36 mm RCS特性數據

實際上水面靶標在海上使用環境中,由于船體上還安裝有錨設備、系留裝置、帆纜索具、舷梯、靶載設備與天線等設施,以及船體與海面的二次散射效應,實際的RCS量值應該比上述仿真計算值要大。采用此方式進行艦船雷達散射特性模擬,在RCS量值上和分布特性方面可控,工程實現方便,造價低廉,且損壞后修復便捷,不失為一種較佳的復合目標特性模擬工程實現途徑。

另外,紅外輻射特性的模擬,可以借鑒國內已有紅外成像靶的成功經驗,通過對某些集裝箱側板進行控制加熱。而實際上通過資料分析,美軍的MST水面靶標,未對集裝箱內部進行特別的技術處理,直接利用靶標船體、集裝箱與海水自然形成的溫差為反艦武器導引頭提供目標指示。

4 結束語

綜上所述,通過多集裝箱組合完成水面艦艇雷達散射/紅外成像特性的復合模擬,在技術上是一條可行的途徑。而且通過集裝箱的特定組合造型設計,輔以局部的雷達散射特性增強裝置,可完成不同艦艇的復合目標特性模擬。對于今后新型雷達散射/紅外成像復合模擬的水面靶標的研制建造,具有借鑒和指導作用。