彈載雷達對艦船和角反目標特性分析

2021-07-10 11:22:28梁云瑞劉敏名趙志權

教練機 2021年2期

梁云瑞，劉敏名，趙志權

（1.海裝駐南昌地區軍事代表室，江西南昌，330024；2.航空工業洪都，江西南昌，330024）

0 目標雷達散射截面積

物體的雷達回波強度即雷達散射截面積，用RCS表示。RCS取決于物體相對雷達波長的特性尺寸。按照目標相對雷達波長的差異，可將RCS分為三個區間：瑞利區、諧振區和光學區。瑞利區是指雷達波長大于目標特征尺寸的區間，諧振區是指雷達波長近似等于目標特征尺寸的區間，光學區是指雷達波長小于目標特征尺寸的區間。

空艦制導武器常見的目標類型有艦船以及研制過程中常見的角反射體靶標等。這些物體相對毫米波雷達工作波長均要大得多，因此表現為光學區目標RCS特征，光學區目標RCS主要取決于目標的形狀和表面的粗糙度。艦船等目標的外形和表面會隨觀測角度發生巨大變化，因此RCS與觀測角度相關。

1 雷達散射截面積起伏特性

雷達目標的RCS隨姿態角、頻率以及環境等各種因素的變化而變化。一個數字，比如均值RCS值不能完全度量目標的RCS特性。沒有固定的標準方法用來描述目標的單值RCS，可以采用均值，也可以采用概率密度函數，比如RCS“最小”值——超過90%～99%的RCS值。由于RCS有多變性，而且又有以上各種描述方法，因此在設計、論證、驗證雷達導引頭的性能時，要充分考慮描述方法的差異以及目標的RCS起伏特性。

描述目標起伏比較通用的模型是Peter Swerling四種模型。四種模型簡述如下：

1）情況1：在任何一次掃描時從目標收到的回波脈沖幅度在這一次掃描的整個過程中恒定不變，且從掃描到掃描是不相關的，即慢起伏。概率密度函數為

式中，σav是所有橫截面積的平均值。這種模型適用于具有許多面積可比的獨立散射體組成的目標。

2）情況2：概率密度函數與情況1相同，但起伏是從脈沖到脈沖無關的，即快起伏。

3）情況3：和情況1一樣，慢起伏。但概率密度函數為：

該模型適用于一個大散射體加上許多小散射體這樣的模型，大多數艦船屬于這種類型。

4）情況4：快起伏。概率密度函數與情況3相同。

同一目標在不同環境中，可能也形成不同的目標起伏模型。對于高檢測概率要求的雷達導引頭，在設計時要充分考慮這些目標起伏特性的影響因素，采用不同的設計手段，例如增加脈沖積累數量、增加掃描次數等用以改善性能。

2 艦船

水面艦艇按噸位分類，一般以500噸以下稱為艇，包括導彈艇、魚雷艇等中小型攻擊艇；500噸～3000噸級一般以護衛艦居多；3000～7000噸以上以驅逐艦為主；萬噸以上則多為大型巡洋艦或航母等。

2.1 艦船的RCS特性

根據艦船形狀，取其船首、船尾、左舷、右舷方向的平均截面積，得出了一個關于艦船截面積中值（即50%的數據超過此值）的經驗公式：

式中，

σ：雷達截面積的中值（50%的值），m2；

f：雷達工作頻率，MHz；

D：艦船的排水量，kt。

以上公式是在低擦海角時計算得到的，可以用于對非隱身設計的艦艇的粗略RCS估計。根據此公式，對同一目標，W波段RCS是Ka波段RCS的1.7倍。

1）萬噸級大型常規艦船的海面RCS試驗數據

艦船的RCS與視線的擦海角有相關性。當擦海角大于60°時，海面散射的貢獻很大，垂直極化的海面影響會更大。在高擦海角的情況下，RCS可能會比計算結果要小一個數量級。在沒有更好的可用信息的情況下，在進行粗略估計時，可以把艦船排水量的噸位數當作它的雷達截面積的平方米數。

一般艦艇的形狀比較復雜，需要依靠實驗來決定目標的RCS。圖1給出了在S波段和X波段用水平極化波對16000t的大型海軍輔助艦船測量結果的曲線。三條曲線對應于80%、50%和20%RCS數據點。從圖中可以看出，X波段的RCS大于S波段，且S波段50%的RCS數據、X波段20%的RCS數據與噸位數16000相當。由此數據可以推論，Ku及以上波段（包括毫米波段）船只的RCS高于船只的噸位數。

圖1

2）小型艦艇的海面RCS試驗數據

某型50噸小艇在Ka波段RCS的海面實測數據見表1。

表1 50噸艇RCS試驗數據統計值

實測數據表明，50噸艇Ka波段RCS均值不小于200m2，最小RCS為30m2～50m2，出現在首向及側向航行的瞬間。最大RCS約100m2～10000m2，出現在尾向航行時，主要是由于尾浪對RCS的貢獻。全向RCS起伏幅值約±10dB。起伏周期較長，最長為1s。實測數據反映，在Ka波段，船只的最小RCS與噸位數相當，均值RCS大約為噸位數的4～8倍。

此外，采用隱身設計、150噸排水量的臺灣光華6號導彈艇，據報道X波段RCS僅為82m2，據此推論Ka波段RCS應與噸位數相當，大約150m2；而W波段RCS應大約為250m2。

3）艦船RCS特性總結

通過查閱文獻,可以總結出以下幾方面規律：

（1）常規艦船的RCS左右正側舷、首尾向均變化比較劇烈。一般在左右正側舷出現RCS最大峰值、首尾向左右20°～30°附近出現低谷值。最大峰值RCS能達到噸位數的10倍～100倍以上；最小RCS值在Ka波段與噸位數相當，均值RCS大約是噸位數的數倍；而W波段RCS是Ka波段RCS的1.7倍；

（2）對于艦船的某一特定方向，80%和20%的RCS概率統計值相差10dB以上；而對于艦船的全方向，RCS值變化量達到20dB～30dB；

（3）對于大型艦船，已有的X波段與S波段數據顯示，不同波段RCS方向圖變化趨勢一致，頻段越高、RCS越大；

（4）在實際海面測量中，艦船RCS與艦船的主體建筑的高度、復雜程度相關，主體建筑越高、越復雜，RCS越大。

2.2 隱身特征

現代海面艦船多采用雷達隱身設計，雷達隱身所采取的主要措施有三種：

1）采用隱身外形。新一代的水面艦船多按干舷外漂、上層建筑立板內傾的多面體外形設計，此外在平面與平面相交處采用平滑過渡，降低兩面角、三面角效應。采用外形隱身措施一般能減小水面艦船20%～50%的RCS，據稱有的還可以減小80%。

2）對必須設施，如武器、桅桿、探測設備等，收藏到主甲板以下，或者采用多面體外殼封裝的方法，盡量減少雜散結構對雷達波的強反射。

3）涂敷吸波材料，即利用一些能夠吸收一定頻率范圍內的電磁波的材料，消耗雷達照射波能量，達到減弱甚至消除反射波的作用。但對于艦船大面積涂覆來說，費用昂貴，且吸波材料的三防性能較差，難以適應海上的鹽霧環境。

目前，前兩種隱身技術已被各種隱身艦船所普遍采用，第三種因為涉及到經濟性和維護麻煩的問題，一般在局部采用。目前雷達隱身效果比較顯著，據稱3500噸的“拉斐特級”護衛艦雷達截面積僅相當于500噸巡邏艦；德國推出的新型隱身護衛艦雷達截面積可減少90%；“維斯比”輕護艦正常情況下可被雷達探測的距離僅有22km。

采取隱身設計的艦船，隱身措施能使RCS縮減為原來的80%～10%，RCS均值與噸位數相當，而RCS最小值大約相當于噸位數的1/7～1/2。