無人潛航器導航通信桅桿雷達散射特性分析

李強兵，劉桂山，熊傳志

(中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

無人潛航器從20世紀60年代的遙控潛器到無人無纜、具有自主功能的AUV（autonomous underwater vehicle），經歷了長足發展[1]。無人潛航器（UUV）可搭載各種傳感器和任務載荷，執行特定的使命任務，隨著鋰電池能源技術、智能控制技術等發展，無人潛航器在海洋環境調查與研究、海底管道與電纜維護、海洋通信中繼、水下目標偵察與監視、反水雷、水聲對抗、時敏打擊等軍事和民用領域應用越來越多[2]。相對于潛艇、水面艦艇等有人平臺，無人潛航器由于其結構尺寸、材料、推進技術等綜合隱身性能優，作為一種海上力量倍增器[3]，可以極大地利用隱身性好的優勢從而顯著提高其生存力和戰斗力。

無人潛航器布放入水后戰場情況可能瞬息萬變，若無人潛航器執行任務期間全程保持通信緘默，僅根據任務計劃執行任務，無法體現無人潛航器機動靈活的特點，難以充分發揮無人潛航器的作戰效能。無人潛航器執行任務時面臨的導航與通信需要主要包括：1)需要定期上浮獲取衛星定位信息和授時信號，用于時統和慣性導航裝置校準消除導航誤差；2）需要定時定點或緊急回傳任務信息和自身狀態信息，使后方指揮中心及時掌握戰場情況和航行器自身運行情況，為其判斷決策提供支撐；3)指揮中心需要指揮無人潛航器，變更任務、下達指令或傳輸情報/戰術數據；4 )無人潛航器需要與其他無人潛航器、水面艦艇、潛艇、飛機等移動平臺進行協同通信，共同執行作戰任務[4]。

目前探測無人潛航器可以分為噪聲特性探測、電場特性探測、磁場特性探測、水聲目標強度探測、雷達散射特性探測等[5]，無人潛航器隱身性能研究主要集中在噪聲特性、電場特性、磁場特性、水聲目標強度四4個方面，對無人潛航器雷達散射特性相關研究開展較少。隨著無人潛航器越來越多用于在無制海權和制空權的防區外執行任務，無人潛航器水面或近水面航行時若被敵反潛飛機探測到的概率和被摧毀概率高于無人潛航器在水中航行，因此應對無人潛航器雷達散射特性隱身性能進行研究與分析。無人潛航器導航通信桅桿是無人潛航器在水面導航通信、漂泊待命等任務階段唯一浮出水面的結構，其雷達散射特性關系到無人潛航器使用安全性。

1 雷達散射特性分析方法

RCS數值計算方法主要分成頻域和時域方法，在工程應用中經常使用物理光學法（physical optics，PO），但物理光學法存在的主要問題是對尖角、棱邊、凸起等物體表面計算效果較差，而等效電磁流法可以較好地解決不連續表面RCS的計算問題[6]。因此，本文無人潛航器導航通信桅桿雷達散射特性計算采用物理光學法+等效電磁流法的綜合分析方法，通過物理光學法計算導航通信桅桿的一次散射，同時對導航通信桅桿的棱邊、尖角等表面采用等效電磁流法計算其電磁散射，最后根據一次散射和電磁散射的相位疊加合成為無人潛航器導航通信桅桿雷達散射截面積RCS。

1.1 物理光學法

物理光學法的主要依據是Stratton-Chu散射場積分方程，該方法在高頻場局部性原理的基礎上忽略感應電流之間的相互影響，通過入射場單獨近似地計算散射體表面感應電流。目前主要采用遠場近似和切平面近似這2種近似方法以簡化表面感應電流的積分運算，遠場近似假設遠場觀察點與散射體的距離R遠遠大于該散射體的三維尺度；切平面近似假定散射體表面電流值為積分面元dS處（理想光滑表面）的電流值，因此R CS平方根的物理光學表達式為[7]：

式中：下標i和s分別為入射波和散射波；j為正旋場的復數表示；為電磁波入射方向的單位矢量；為散射方向的單位矢量；為散射體表面的外法向矢量；為電極化方向的單位矢量；為 磁場極化方向的單位矢量；k=2π/λ為自由空間波數，其中λ為波長；r為散射體表面任意面元dS的位置矢量。

復雜散射體表面RCS可以通過散射體面元相位疊加合成得到：

采用三角形小平板近似逼近模擬各種形狀的散射體，一個頂點為P1，P2，P3三角形單元的RCS表達式為：

式中：r0取邊中點的位置矢量，只要適當地組織實體造型點數據的存儲方式，就可以通過式(2)和式(3)很方便地用物理光學法近似計算復雜目標的RCS，并達到可視化計算的目的。

1.2 等效電磁流法

等效電磁流法的基本原理是：在遠離散射體的焦散區之外采用PTD計算尖角、棱邊、凸起等物體表面的等效電流和等效磁流，而焦散區內的等效電流和等效磁流輻射場可以采用輻射積分計算得出。等效電磁流計算尖角、棱邊、凸起等物體表面的散射特性表達式為[8]：

式中：t為強制邊緣單位矢量方向；θ為入射線i與強制邊緣單位矢量方向t的夾角，其他參數見文獻[9]。

2 通信導航桅桿計算模型

某型無人潛航器導航通信桅桿上部結構為纖維增強塑料，下部分為不銹鋼金屬材料，內部電氣設備材料主要為增強尼龍、樹脂、增強材料以及絕緣基板，尾部為電纜。纖維增強塑料、增強尼龍、樹脂、增強材料以及絕緣基板、電纜等材料具有很強的透波性不反射雷達波，因此在進行仿真計算時主要考慮導航通信桅桿下半部份不銹鋼金屬材料的雷達散射特性，其計算模型如圖1所示。

圖1 導航通信桅桿結構示意圖及計算模型Fig.1 Navigation communication mast structure and calculation model view

3 RCS仿真評估

3.1 仿真模型

該型無人潛航器在近水面進行導航與通信時導航通信桅桿浮出水面約0.5 m，導航通信桅桿不銹鋼金屬外部分處于海面下，因此計算時將導航通信桅桿外表面設置為海水介質的電磁參數：εr=81，μr=1，σ=4S/m，采用電磁場仿真軟件FEKO計算導航通信桅桿RCS，導航通信桅桿內表面設置為理想金屬材料。

導航通信桅桿為對稱結構，進行RCS計算時考慮雷達波入射角θ=0°?90°的情況即可，導航通信桅桿在FEKO中的模型如圖2所示。

圖2 導航通信桅桿仿真模型Fig.2 Sea surface parameter setting and simulation model of navigation communication mast

3.2 計算內容

表1給出了導航通信桅桿的計算內容，包含5個波段的RCS計算。

表1 計算內容Tab.1 Calculate content

1）L波段雷達入射時的RCS情況

導航通信桅桿在L波段（1.5 GHz）下的RCS仿真結果如圖3所示。L波段下，導航通信桅桿RCS值在雷達波垂向沿Z軸入射時最大，最大值為0.24 m2。

圖3 L波段下的RCS情況Fig.3 RCS situation of navigation communication mast in L-band

2）S波段雷達入射時的RCS情況

導航通信桅桿在S波段（3 GHz）下的RCS仿真結果如圖4所示。S波段下，導航通信桅桿RCS值在雷達波垂向沿Z軸入射時最大，最大值為1.3 m2。

圖4 S波段下的RCS情況Fig.4 RCS situation of navigation communication mast in S-band

3）C波段雷達入射時的RCS情況

導航通信桅桿在C波段（6 GHz）下的RCS仿真結果如圖5所示。C波段下，導航通信桅桿RCS值在雷達波垂向沿Z軸入射時最大，最大值為2.2 m2。

圖5 C波段下的RCS情況Fig.5 RCS situation of navigation communication mast in C-band

4）X波段雷達入射時的RCS情況

導航通信桅桿在X波段（10 GHz）下的RCS仿真結果如圖6所示。X波段下，導航通信桅桿RCS值在雷達波垂向沿Z軸入射時最大，最大值為9.2 m2。

圖6 X波段下的RCS情況Fig.6 RCS situation of navigation communication mast in X-band

5）Ku波段雷達入射時的RCS情況

導航通信桅桿在Ku波段（15 GHz）下的RCS仿真結果如圖7所示。C波段下，導航通信桅桿RCS值在雷達波垂向沿Z軸入射時最大，最大值為4.6 m2。

圖7 Ku波段下的RCS情況Fig.7 RCS situation of navigation communication mast in Ku-band

根據仿真結果，將RCS值導出處理，結果統計如表2和圖8所示。

表2 導航通信桅桿各波段雷達散射特性仿真計算值（m2）Tab.2 The RCS value of the navigation communication mast in each frequency band (m2)

圖8 導航通信桅桿表面RCS情況Fig.8 RCS situation on the surface of the navigation communication mast

3.3 強散射源分析

導航通信桅桿的強散射源與雷達波方位有關，RCS曲線在圖3～圖7中可以明顯看出峰值方位，強散射源主要在該型無人潛航器導航通信桅桿垂向于Z軸的內表面。

4 結 語

1）本文采用物理光學法和等效電磁流法結合的方法，對無人潛航器導航通信桅桿的雷達散射特性進行分析與研究，通過建立仿真模型進行L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段等5個波段雷達散射特性計算，5個波段下RCS峰值分別為：0.24，1.3，2.2，9.2，4.6，均值分別為0.13，0.15，0.2，0.3，0.2，5個波段下RCS總均值為0.21。

2）根據強散射源分析，強散射源主要集中在該型無人潛航器導航通信桅桿垂向于Z軸的金屬內表面，后續設計中RCS優化應考慮盡可能縮小導航通信桅桿內表面垂向表面垂向于Z軸的大平面。