艦船外形隱身改進的電磁散射特性影響分析

劉戰合，王 菁，郭 樂，周 鵬，姬金祖

(1.鄭州航空工業管理學院 航空工程學院，河南 鄭州 450046；2.鄭州航空工業管理學院 電子通信工程學院，河南 鄭州 450046；3.北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191)

0 引 言

從可探測角度來說，水面艦船面臨的威脅來自于水面、空中甚至水下，即艦船、飛行器、潛艇等，探測信號包含雷達（電磁波）、聲、紅外、磁等信號。依據實際任務需求，不同的雷達工作頻率有所不同，以艦載雷達為例，用于探測、跟蹤、識別等作用的雷達頻率主要為L、S、C、X 波段，這一波段也同時包含了較多的機載雷達。

為降低艦船的雷達散射截面，采用多種措施的艦船隱身化是其重要途徑[1,5]，就當前現狀來看，與飛行器電磁隱身技術類似，艦船隱身也可以通過外形隱身改進或設計、吸波材料等技術來實現。艦船艦載雷達、天線本身是較大電磁散射源[6-8]，在雷達技術提高基礎上，經過頻率選擇表面技術（Frequency Selective Surface，FSS）[9-10]的模塊化處理，可有效降低其電磁散射信號，同時也為采用外形隱身技術改進提供了可能。當前主要對艦船上層建筑結構、桅桿等局部部件的隱身特性及技術進行詳細研究，但從艦船總體出發來對比研究艦船外形隱身技術文獻較少，也缺乏相關散射特性影響和規律結果。

本文從艦船面臨的主要威脅頻段（L，S，C，X）出發，以2 種不同外形布局的艦船為研究對象，采用物理光學法，數值計算了2 種艦船電磁模型的不同入射角、不同角域的RCS（Radar Cross Section）[11-12]曲線，以分析外形隱身改進措施對艦船電磁散射特性的影響特性，重點研究了外形隱身的多頻散射特性、不同角域電磁散射變化特點，對提高艦船電磁隱身性能及生存力有重要影響意義。

1 艦船電磁模型

為研究外形隱身改進措施對艦船電磁散射特性的影響，分別以英國45 型驅逐艦[5]、美國DDG1000 驅逐艦為基礎，建立2 種艦船的電磁數值計算模型。45 型、DDG1000 均采用模塊式雷達、天線整合方式，與常規水面戰艦相比，其上層建筑、艦橋、桅桿等進行了大量集成化處理與改進，有效降低了艦船表面的散射結構，提高了隱身性能。但相對來講，美國隱身驅逐艦DDG1000 全面采用隱身技術，船體設計新穎，表現出優秀的隱身特性，本文分別以這2 種實際艦船為基礎模型，研究外形隱身對艦船電磁散射特性影響規律。

通過調整艦船船體、上層建筑結構的面元方向，模塊化設計散射結構，可將電磁散射幅值、方向等進行有針對性的控制，提高隱身性能。基于以上考慮，分別將以上2 種艦船電磁模型分別定義為電磁模型A（Type45）和B（DDG1000），為消除幾何尺寸帶來的影響，A、B 模型艦船典型幾何尺寸盡量一致，A 電磁模型基本參數為船長151.9 m、船寬21.1 m、高42.0 m，B 電磁模型基本參數為船長143.8 m、船寬24.3 m、高34.0 m。2 種電磁模型如圖1 所示。

圖1 2 種艦船電磁計算模型Fig.1 Electromagnetic computation models of ships

以圖1 艦船電磁模型為研究對象，結合水面艦艇實際威脅探測手段，為對比研究外形隱身改進措施的電磁散射特性影響，入射電磁波頻率分別為（0.5，1、3，6，10）GHz，涵蓋L，S，C，X 探測波段，電磁波入射角（對艦船來說可以理解為方位角）范圍為0°～360°，計算仰角分別為：-15°，-10°，-5°，0°，5°，10°，15°。

研究過程中，定義艦船頭向30°角域（記為H-30）為艦船正頭向左右各15°電磁波入射角范圍，相應的可定義頭向60°角度（記為H-60）、側向60°角域（記為S-60）、后向30°角域（記為T-30）、周向360°角域（記為W-360），以對應角域內RCS 算術均值為分析依據，研究其波峰幅值變化關系及該角域內的隱身特性。

式中： Rmn為m個事物n維復合模糊物元； Mi為第i個事物， i= 1,2,…,m； Cj為第j項特征，j= 1,2,…,n；xij為第i個事物的第j項特征對應的模糊量值，即隸屬度.

2 RCS 計算方法及精度驗證

從電尺寸角度來講，在研究頻率內，大于240（0.5 GHz），處于典型的高頻散射區域，文中的電磁模型可視為金屬目標，可采用金屬目標RCS 計算方法[13-14]。一般的，RCS 數值方法從頻率角度來看分為低頻和高頻計算方法，低頻方法如基于矩量法（Method of Moments，MoM）[12]的多層快速多極子算法（Multilevel Fast Multipole Algorithm，MLFMA）[13]、時域有限差分法等，對本文電大尺寸目標來說，占用內存較大，計算速度慢，嚴重影響分析效率；而高頻算法如物理光學法（Physical Optics，PO）、等效電流方法、物理繞射方法等，具有較高的計算效率，同時在高頻區可得到滿意的計算精度，可用于分析本文的電大尺寸艦船電磁模型。

嚴格來講，PO 方法基于Stratton-Chu 積分方程，與MLFMA[13,14]基本方程一致，區別于MLFMA，PO 方法僅考慮面元自身耦合作用，而將目標各部分之間的耦合作用忽略，以提高電大尺寸目標RCS 求解效率，而本文研究目標表面光滑，局部結構之間的影響可略去，適合采用PO 方法計算。采用切平面近似，得到面元上的RCS 平方根為：

基于目標網格劃分，對所有散射面元求和，按相位疊加得到：

為驗證本文采用的PO 方法數值結果正確性，以邊長為1 m 的等邊三角形金屬柱為計算分析對象，入射電磁波波長0.1 m，俯仰角0°。分別采用PO 和高精度MOM 方法計算，RCS 曲線對比結果見圖2，由于為等邊三角形，僅計算了0°～60°角域范圍。

圖2 金屬柱RCS 計算對比曲線Fig.2 RCS comparison curves of metal pillar

由圖2 可以看出，2 種方法RCS 計算曲線基本一致，0°～60°角域算術均值分別為0.819 0，0.894 4 dBsm，誤差為0.075 4 dB，說明本文PO 方法有足夠好的計算精度，可滿足本文研究對象和計算頻率。

3 艦船模型電磁散射特性

3.1 RCS 曲線分布特性

對A，B 兩種電磁模型，分別研究0°俯仰角下的RCS 散射曲線分布特點，入射頻率0.5 GHz 時的RCS 曲線如圖3 所示。

圖3 兩艦船模型RCS 計算對比（0.5 GHz）Fig.3 RCS Comparison of 2 ship models （0.5 GHz）

入射頻率為0.5 GHz 時，對2 種電磁模型，依然處于高頻區（A，B 模型電尺寸分別為253，240）。由圖3 可以看出，RCS 分布形式與艦船外形有較大關系，對艦船A 電磁模型，前向30°角域有一較大波峰，為船體前端、上層建筑在前向接近鏡面散射疊加，同時該波峰較寬，除0°左右尖銳散射波峰外，在前向60°角域也表現為較強較寬的散射波峰。前向左右60°和90°附近的波峰是船體上層建筑側向及相應模塊綜合散射效果。同時，其后向也存在一波峰，為船體后端面、上層建筑在此方向的各部件耦合效果。

對B 艦船模型，由于在船體、上層建筑采用了外形隱身處理技術，并綜合考慮平臺模塊化，其對應前向30°、60°角域的前向峰值獲得極大降低，證明了外形隱身的有效性。在前向左右60°方位角附近的峰值向側向移動，進一步提高了前向大范圍的隱身性能，側向、后向2 個波峰為船體和上層建筑對應截面的鏡面散射，而外形隱身在后部其他角域也有一定貢獻。此外，從周向RCS 曲線分布來看，除側向和后向波峰變化較小外，采外形隱身改進措施的B 艦船模型在其他角域內的RCS 向內收縮，提高了隱身性能。

3.2 RCS 曲線俯仰角特性

由于A，B 模型電磁散射特性類似，因此在討論RCS 曲線俯仰角和頻率特性時，分別以A 和B 模型為對象研究，同時，選擇了典型狀態曲線進行分析，俯仰角選擇-10°，0°，10°，頻率為0.5，3，10 GHz。圖4為A 模型1 GHz 下不同俯仰角的RCS 曲線對比。

圖4 A 模型不同俯仰角RCS 計算曲線Fig.4 RCS curves in different pitch angles of model A

艦船在執行任務過程中，將面臨來自水面、水下和空中探測器、武器系統的威脅，可以俯仰角和方位角來分析期影響。由圖4 可以看出，俯仰角的變化會對RCS 曲線分布形式產生影響，-10°和10°時，前向30°，60°角域的RCS 峰值有較大降低，分析原因是在0°入射時，艦船和上層建筑的電磁散射為鏡面散射疊加，而有迎角時船體表面、結構等為非鏡面散射，將明顯降低電磁散射強度；后向波峰變化趨勢及原因與前向類似，但正側向變化不大，這是因為迎角的變化不會引起側向鏡面散射機理的變化。同時，迎角為正時，即電磁波由水面上方入射至艦船，在前向60°方位角左右有一散射波峰，該波峰隨著迎角增大而后移，這一特性可提高其隱身性能。

3.3 RCS 曲線頻率特性

B 模型0°俯仰角時多頻RCS 曲線如圖5 所示。

圖5 B 模型多頻RCS 計算曲線Fig.5 RCS curves with different frequencies of model B

可以看出，電磁波入射頻率變化時，不會引起RCS 曲線分布形式的較大變化，但會對RCS 幅值和震蕩趨勢有一定影響。頻率由0.5 增至10 GHz 時，表現在2 個方面，一是曲線震蕩更加明顯，波峰變窄；二是散射曲線內陷，即RCS 曲線幅值降低。就曲線震蕩趨勢來看，主要集中在艦船前向和后向一定角域，說明頻率高時，艦船各部件或各部分的散射疊加較為明顯，震蕩加劇但振幅變小，而側向角域的2 個波峰變化較小；同時，前向和后向波峰變得更為尖銳。與上類似，除側向角域外，前向和后向角域的RCS 幅值隨頻率增加而減小。

4 外形隱身改進散射影響分析

4.1 外形隱身電磁散射影響分析方法

從當前艦船技術發展來看，外形隱身及改進是降低其重點威脅角域RCS 的重要技術方法，首先，結合RCS 計算曲線分布特點，通過2 個模型RCS 曲線對比，從波峰大小、位置等與艦船外形結構的關系及變化特點，來研究外形隱身改進的影響性能。

其次，基于2 種艦船電磁計算模型，在重點威脅角域內，以外形隱身前后2 種電磁模型為目標，以二者多個角域內RCS 算術均值及算術均值差異來研究外形隱身措施帶來的電磁散射特性影響。

定義2 種艦船電磁模型RCS 相對增值為：

其中：σA，σB分別為A，B 電磁模型在相應威脅研究角域內的RCS 算術均值；G 為RCS 相對增值，dB。如該值大于0，則說明外形隱身有效，值越大，隱身效果越明顯。

4.2 電磁散射特性影響分析

水面艦船在執行巡航、偵察、作戰任務時，面臨各種武器平臺的威脅，表現為不同角域、不同頻率下電磁波探測、識別、跟蹤等，基于上述RCS 相對增值，從不同頻率、不同角域的變化情況進行分析。重點關注艦船頭向、尾向及周向各角域內的RCS 幅值大小，可采用算術均值表示。不同角域內RCS 相對增值隨頻率變化的響應曲線（俯仰角0°）見圖6，隨俯仰角變化的響應曲線（入射頻率1 GHz）見圖7。值得一提的是，如前所述，相對增值越大，說明對應角域內的外形隱身改進的效果越好，如該值接近或小于0，則無隱身改進效果。

圖6 不同角域RCS 相對增值頻率響應曲線（俯仰角0°）Fig.6 Curves of RCS relative values with different frequencies in different angular domains （with pitch angle of 0°）

圖7 不同角域RCS 相對增值俯仰角響應曲線（1 GHz）Fig.7 Curves of RCS relative values with different pitch angles in different angular domains （with frequency of 1 GHz）

由圖6 可以看出，頻率由0.5 GHz 提高至10 GHz時，各角域內的相對增值均有所增加，說明通過對船體和上層建筑的外形隱身改進，可有效提高艦船隱身性能。圖6 也表明，外形隱身在艦船各角域上的影響各異，前向30°和60°角域RCS 相對增值最高，之后依次為周向、后向30°角域、側向60°角域；前向相對增值較大（10 GHz 時前向30°角域達46.734 0 dB），是由于通過艦船結構修形，前向的鏡面散射或接近鏡面散射的船體結構傾斜或融合過渡后，有效降低了前向峰值；而側向，主要受限于船體、艦橋、隱身桅桿等上層建筑側向鏡面散射的影響，導致外形隱身效果較差；后向角域相對增值變化規律及產生機理與前向類似。

圖7 相對增值曲線表明，俯仰角變化時，相對增值在俯仰角較低時較大，此時也是外形隱身設計的主要研究和改進狀態，通過外形設計，將鏡面散射波峰外移，減低前向波峰大小，甚至使其消失，而當俯仰角增大（正向或負向）時，采用外形隱身技術的一些結構模塊表面的散射將會逐漸增加，從而降低外形隱身效果，表現為相對增值俯仰角0°附近時較大（前向30°為33.301 3 dB），兩端減小。此外，與頻率效應相似，各不同角域的俯仰角效應有一定區別，依然表現為前向30°和60°角域，RCS 相對增值較大，其他角域較小，后向30°角域在±15°迎角時隱身改進效果消失。

5 結 語

針對2 種艦船模型，采用物理光學法計算分析了不同頻率、不同俯仰角下的電磁散射特性，并進行對比性研究，得出以下結論：

1）艦船RCS 曲線分布特性：曲線波峰及其分布特性與艦船外形結構特點有直接關系，A 電磁模型沿周向對稱分布有強弱散射波峰6 個，B 模型5 個波峰，不存在前向波峰，有較好隱身性，2 個模型各波峰分別對應艦船船體和上層建筑重要部件散射，頭向波峰是鏡面散射的綜合影響。

2）RCS 曲線分布的俯仰角和頻率特性：俯仰角變化會引起散射波峰的幅值和位置變化；頻率增加時，曲線震蕩性增加，RCS 減小，但不影響分布特性。

3）外形隱身改進影響特性：采用基于RCS 算術均值的相對增值來分析，頻率增加時，各角域相對增值均有所增加，10 GHz 前向30°角域可達46.734 0 dB；-15°～15°俯仰角變化時，相對增值震蕩變化，0°時最大，為33.301 3 dB。外形隱身改進主要表現在前向角域，頻率和俯仰角變化時，該部分角域相對增值最大。