基于高頻快速優(yōu)化算法的艦船RCS分析

2020-03-09 03:34:56邸瀚漪張韓西子

艦船科學(xué)技術(shù) 2020年1期

李敢，祝泓，邸瀚漪，張韓西子

(1. 中國艦船研究院，北京 100101；2. 中國船舶信息中心，北京 100101)

0 引言

雷達波隱身技術(shù)是目前各國海軍提高戰(zhàn)斗力及生存能力的重要途徑之一。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，海戰(zhàn)中電磁物理場探測器及運用此類探測器精確制導(dǎo)武器的大量應(yīng)用，構(gòu)成了對水面戰(zhàn)斗艦艇生存的重大威脅。因此，對水面艦船的RCS（雷達波散射面積）進行有效的分析及評估，降低水面艦艇的RCS，增強其雷達波隱身能力，可達到先敵發(fā)現(xiàn)、先敵攻擊、克敵制勝的目的，是提高艦船生命力的重要方法與手段。

1 艦船目標RCS散射特性分析

艦船目標構(gòu)型復(fù)雜，由大量的外露艦載雷達探測設(shè)備、艦面武備、垂直外板面、空腔結(jié)構(gòu)等強散射系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成，艦船RCS是一個十分復(fù)雜的物理量，它既與艦船尺寸、形狀、材料和結(jié)構(gòu)等幾何參數(shù)和物理參數(shù)有關(guān)，又與入射雷達波的頻率、極化、入射角度等參數(shù)有關(guān)。如何精確預(yù)估艦船目標RCS一直是業(yè)內(nèi)難題。魏曉慶[1]對現(xiàn)代艦船的雷達波隱身現(xiàn)狀進行了綜合闡述及展望；阮穎錚[2]詳細研究了電大尺寸目標雷達散射截面的探測與縮減，對空腔結(jié)構(gòu)的雷達散射特性進行了概述[3]，并給出了數(shù)值計算結(jié)果；徐向明[4]對雷達艙和天線罩的雷達散射特性進行了研討；吳楠等[5]對大型水面艦船的雷達波散射特性進行了詳細分析；姜斌琦等[6]考慮了不同雷達波頻率、入射角對艦船RCS的影響；宋東安等[7]基于艦船整形技術(shù)，對艦船RCS的影響作了詳盡的分析；余定峰等[8]分析了外形輪廓和吸波材料參數(shù)對艦船RCS的影響。對艦船目標RCS進行高效精確的分析和研究，可有效改善艦船隱身能力，優(yōu)化提升總體設(shè)計水平，也是水面艦船設(shè)計的重要工作。

對于球體等簡單目標，可以通過精確預(yù)估方法獲得其精確的RCS值。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，采用數(shù)值方法對電小尺寸的目標進行較為準確的預(yù)估也成為可能。目前，一般電磁仿真軟件使用有限積分，時域有限差分法，有限元或矩量法等一種或綜合使用幾種數(shù)值方法，擁有較高的仿真精度，但只適用于電小尺寸目標仿真，即仿真目標的尺寸不大于10～20倍所設(shè)置的波長，過大的目標則計算量將超過現(xiàn)有的計算機的能力水平，尚無法實現(xiàn)。對于類似艦艇這樣的大型復(fù)雜目標而言，要了解其在X或Ku波段的RCS，依靠數(shù)值方法是很難高效精確實現(xiàn)的。

由于艦船目標的復(fù)雜性，在求解艦船目標的RCS散射場時，不能只考慮艦船各組成系統(tǒng)設(shè)備一次散射場在接收方向上的疊加，必須考慮各系統(tǒng)設(shè)備相互作用引起的多次散射、繞射。綜上所述，艦船RCS主要由以下幾方面構(gòu)成：

1）艦船外部被雷達直接照射形成的一次散射場

現(xiàn)代艦船裝艦設(shè)備多，包含探測、通信、作戰(zhàn)等系統(tǒng)設(shè)備，還有大量的上層建筑及空腔結(jié)構(gòu)。上述系統(tǒng)設(shè)備及船體外板包含大量的垂直平板結(jié)構(gòu)，在敵方雷達的照射下，產(chǎn)生強烈的一次鏡面反射。一次散射場是艦船RCS的主要貢獻。

2）艦船各系統(tǒng)設(shè)備之間遮擋形成的一次繞射場

艦船上各系統(tǒng)設(shè)備之間、各系統(tǒng)設(shè)備與艦船外體之間，存在互相遮擋，在遠場雷達波的照射下，形成陰影邊界區(qū)域。當照射場在在陰影邊界產(chǎn)生的繞射場沒有受到遮擋時，將上述繞射場稱為一次繞射場。

3）艦船各系統(tǒng)設(shè)備之間相互作用形成的多次散射場

艦船外露系統(tǒng)設(shè)備在敵方雷達直接照射下，由于遮擋的影響，產(chǎn)生的散射場不是沿著預(yù)定的散射方向，而是作用于其他系統(tǒng)設(shè)備上到達散射方向，這就是多次散射場的產(chǎn)生。

4）多次散射場的繞射場

經(jīng)射線跟蹤的多次散射場入射到其他艦面系統(tǒng)設(shè)備上時，也將形成陰影區(qū)，產(chǎn)生繞射場，對艦船總RCS的貢獻不可忽略。

艦船RCS除了上述4種貢獻以外，還包括照射波在系統(tǒng)設(shè)備邊緣產(chǎn)生的二次散射及二次繞射。本文在考慮邊緣繞射及邊緣散射以指數(shù)形式衰減這一因素的基礎(chǔ)上，主要考慮前4項對模型計算的整體影響，忽略由邊緣形成的二次及多次繞射和散射。

2 基于高頻優(yōu)化算法的艦船RCS分析

本高頻優(yōu)化算法可對艦船等電大尺寸復(fù)雜目標的RCS進行精確快速計算，主要內(nèi)容包括：

1）射線直射時的物理光學(xué)（PO）近似、物理繞射理論（PTD），以及射線的多次反射效應(yīng)；基于PO方法的高頻電磁計算。PO是把散射場表示為散射體表面上感應(yīng)電流的積分，而散射體上的感應(yīng)面電流則是用幾何光學(xué)近似確定的。PO計算簡潔，易于實現(xiàn)，特別是對電大尺寸目標計算速度快。

2）有效的射線追蹤方法。在計算射線直線效應(yīng)時，最費時間的是確定復(fù)雜目標的陰影部分和遮擋部分。本文通過采用Z-buffer技術(shù)來進行復(fù)雜目標面元的陰影遮擋判定，待陰影遮擋判定完成后采用物理光學(xué)法計算得到直線場部分。

3）應(yīng)用ILDC（增量長度繞射系數(shù)法）研究計算邊緣繞射貢獻。

4）采用復(fù)雜目標的彈跳射線法（SBR）。

5）快速方法來計算PO積分。

6）PO/GO計算中，采用多次反射的加速計算技術(shù)。

7）SBR方法的集群并行加速計算。復(fù)雜幾何物體多頻點。多角度的電磁計算效率不高，由于多角度間計算的潛在并行性，可使用集群并行加速計算，需要研究計算任務(wù)的分配，機器間的協(xié)調(diào)以及模型分解等技術(shù)。

8）采用GPU加速計算。顯卡圖形處理單元的可編程性為加速電磁計算開辟了另一條途徑，GPU采用SIMD模型，對于不同數(shù)據(jù)相同計算任務(wù)可較大地提高計算速度，利用GPU來加速PO/GO的計算。

在采用高頻優(yōu)化算法對目標RCS進行計算前，需先用三維建模軟件將目標表面進行離散化表示。入射的電磁波將在每個可照射面元上產(chǎn)生散射，整個目標的電磁散射特性將由所有面元共同作用。并且，計算精度將隨著面元細分程度而升高。對每個目標表面離散化面元的頂點與邊、邊與邊、邊與面元之間的關(guān)系進行拓撲對應(yīng)。

使用三角面片的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含了物體的幾何與拓撲信息。在使用高頻算法計算大規(guī)模的模型數(shù)據(jù)時，能快速取出計算所需的幾何信息及相關(guān)的拓撲信息。同時，三角面片能方便地進行模型的細分網(wǎng)格操作，使模型符合電磁計算所需的電尺寸。

在對艦船目標進行表面離散化處理后，即可采用高頻優(yōu)化算法計算其RCS，針對前述艦船RCS的4種散射情況，采用以下幾種方法實現(xiàn)。

1）艦船目標被入射場直接照射的一次散射場

由于不存在遮擋問題，可運用物理光學(xué)法直接計算被照射部位上感應(yīng)電流在散射方向上的輻射場。

2）艦船各系統(tǒng)設(shè)備之間遮擋形成的一次繞射場

一次繞射場是指在入射場的照射下，目標表面形成了照射區(qū)和陰影區(qū)，并在陰影區(qū)邊界上形成了在散射方向上不受遮擋的繞射場。一次繞射場可利用物理繞射理論（PTD）計算：

3）艦船各系統(tǒng)設(shè)備之間相互作用形成的多次散射場

受遮擋影響，部分照射區(qū)面元表面等效電流的輻射場不能直接到達散射方向，而是通過作用于其他部分到達散射方向；部分面元雖然可以直接到達散射方向，但可通過作用于其他面元上而對散射方向計算產(chǎn)生貢獻。

因此，可以采用射線追蹤法，以所有照射區(qū)面元為起始跟蹤射線的軌跡，用幾何光學(xué)方法（GO）確定場在傳播過程中的幅度和相位。考慮到射線遇到目標反彈后的方向是任意的，采用虛擬面元的概念處理目標建模后的射線追蹤問題。

如圖1所示，若平板1上的某個三角面元反射后會照射到平板2上，即在平板1和平板2之間存在2次反射，這樣其沿反射線在平板2上的投影便形成了“虛擬面元”，此面元并非幾何建模中構(gòu)造平板2的三角面元。

根據(jù)幾何光學(xué)，若平板1上某個三角面元經(jīng)過反射后照射至平板2上，其沿反射線形成了投影在平板2上的“虛擬面元”，進而求出反射線與平板2所在平面的交點A，B，C三點的坐標。通過判斷ABC三點所構(gòu)成三角形的重心是否在平板2內(nèi)，利用PO法可以計算出該虛擬三角面元ABC的散射場。

在考慮多次散射場時，同樣需要由入射（對于二次散射，其入射場是幾何光學(xué)的一次散射場）和散射方向判定面元等效電流的輻射場能否直接到達散射方向。對于能直接到達散射方向的采用PO方法計算出散射方向上的場。然后對于所有可見面元再次或多次進行射線追蹤計算多次散射情況。

圖1 目標反射情況Fig. 1 The target reflect sketch

4）多次散射場的繞射場

經(jīng)射線追蹤得到的散射場在入射到目標的其余部分后也將重新形成新的照射區(qū)及陰影區(qū)。由于物理繞射的計算公式是由典型尖劈問題推導(dǎo)出來的，因此對于邊緣的繞射計算是通過將邊緣等效為直劈進行的。從局部上看，可以將任意曲邊緣上每一點看成是一個等效直劈邊緣上的一點，同時入射場在局部上也可以看成是平面波。因此，可同樣根據(jù)散射方向判斷，對于沒有受到遮擋的陰影邊界的邊緣繞射情況，以幾何光學(xué)法（GO）確定的場作為入射場，利用物理繞射理論（PTD）計算得到邊緣繞射場。

艦船等電大尺寸目標的RCS高頻優(yōu)化算法計算流程圖如圖2所示。

圖2 艦船RCS高頻優(yōu)化算法計算流程圖Fig. 2 The sketch of vessel RCS analysis based-on high-frequency optimization method

3 算例與結(jié)果分析

采用前述高頻優(yōu)化算法計算某艦RCS，該艦?zāi)Ｐ秃唸D如圖3所示。

計算時入射頻率假定為10 GHz，水平方位角選取0°～360°（0°垂直指向艦首，180°垂直指向艦尾），俯仰角選取0°（水平照射）。

圖3 某艦?zāi)Ｐ秃唸DFig. 3 The vessel model sketch

圖4 RSC對比結(jié)果（水平極化）Fig. 4 The RCS comparison（HP）

圖5 RSC對比結(jié)果（垂直極化）Fig. 5 The RCS comparison（VP）

圖4和圖5給出了采用高頻優(yōu)化算法與精確解MLFMM（多層快速多級子算法）的結(jié)果對比圖，表1給出了兩者計算時間差。

針對上述結(jié)果，可以看出：

1）本高頻優(yōu)化算法的計算結(jié)果與MLFMM精確解十分接近，可有效滿足艦船目標RCS的計算精度要求；

2）在采用高頻優(yōu)化算法時，計算效率大大高于MLFMM等精確解的結(jié)果，極大節(jié)省了計算資源。

3）在艦船的兩側(cè)，其RCS值相對其余部位來說較大，主要是因為兩側(cè)存在大量的垂直平板結(jié)構(gòu)，造成強烈的鏡面反射，使得兩側(cè)雷達散射截面較為突出，在艦總體設(shè)計中因盡量避免采用大量垂直平板結(jié)構(gòu)，可有效改善艦船總體雷達散射截面。

表1 兩種算法計算時間對比Tab. 1 The compute time comparison of two method

4）艦船外形設(shè)計，盡量采用一體化設(shè)計，保證外表面的平滑光順，避免艦總體雷達散射截面發(fā)生較大突變。

4 結(jié) 語