對消式艦船有源隱身技術研究*

向迎春 曲長文 平殿發 趙維青

(海軍航空工程學院電子信息工程系1) 煙臺 264001)(中國人民解放軍91599部隊2) 萊陽 265200)

1 引言

艦船雷達波隱身技術是提高艦船在現代海戰中生存能力的有效手段。發達國家海軍目前在艦船建造中普遍采用隱身外形和涂覆隱身材料等新技術來反雷達探測。艦船雷達波隱身技術已從試驗階段步入實用階段,歐美等國已相繼有多艘采用雷達隱身設計的艦船投入現役。考慮代價因數以及進一步發展隱身外形和隱身材料的困難性,研究新的反雷達隱身技術就顯得尤其重要。有源對消隱身就是艦船雷達波隱身技術發展的一個重要方向。

2 艦船有源對消隱身原理

2.1 有源對消基本原理

艦船對電磁波的反射基于艦船表面感應電流的二次輻射。若已知源的輻射場分布,反過來又可以得到散射體的特性和場源分布。而從艦船對雷達的隱身看,往往只需雷達所在的一個小的立體角范圍內實現電磁波對消,此時也只需給出這一特定區域的遠區電磁場數值即可。雷達散射截面(RCS)就是對艦船在一定方向上反射的功率與入射的功率密度進行歸一化處理后得出的度量。它表征艦船表面感應電流的遠區輻射場,其數學表示式為[1]

從理論上講,艦船在不同方向的 RCS數值可以精確地測到,而瞬態的雷達入射場也可以通過平臺上的傳感器精確測到。這樣根據式(1)的定義,艦船在雷達方向上的散射場就確定了,即

根據式(2)在雷達方向與散射場相干但相位相反的場總是可以產生出來的,因此,有源電磁波對消在理論上是成立的。提高艦船的雷達隱身性能,就是減小雷達能接收到的散射電磁波強度,也就是減弱艦船對雷達波的散射即雷達散射截面。可見,通過有源或無源的手段,降低投照到艦船的信號強度,則從艦船散射回雷達的信號強度相應地更弱了;或者只降低艦船散射回波,這種技術途徑也可以達到雷達散射截面縮減(RCSR)的目的。

2.2 對消波的幅相條件及誤差分析

1)對消幅相條件

復雜艦船可被分解為 N個離散散射體或散射中心的組合,其σ取決于各散射中心的散射截面積的相關和[2]:

式中,σn是第n個散射中心的復數 RCS,φn是該散射中心的相對相位。在眾多的散射中心中,對于特定的工作頻率和入射角,一般存在著若干起主要作用的散射中心。集中減縮主要散射中心對散射所做的貢獻,可有效地實現RCSR。人為引入與主要散射中心相對應的對消源是有源對消的出發點。艦船平臺上的傳感器將入射雷達波的參數送入控制系統,自適應地產生并在所需方向發射一列合適的相干波,改變艦船的散射分布,有效地降低雷達方向的散射功率密度。

設艦船原有的雷達散射截面積為σ0,人為通過有源方式引入一個等效的散射中心,其等效散射截面積為σ1,它們的相位分別為φ0和φ1,疊加后的艦船散射截面積σ為

即

控制σ1和φ1,就可能進行尋優,以實現最佳對消效果。當達到最佳對消參數:

2)相位幅值差對隱身效果的影響

若相位與幅值同時存在誤差時,則歸一化雷達截面ˉσ隨相位與幅值誤差的變化關系為

圖1 相位和幅值偏離最佳值時的歸一化RCSR曲面

從圖中可以看出當相位與幅值相對最佳條件都有變化時,要對被保護艦船達到一定的隱身效果,則相位與幅值差偏離最佳條件的范圍被進一步的縮小,而對相位的要求就更苛刻。在圖中坐標原點處幅值和相位均為最佳條件,此時雷達截面積為0,實現了完全隱身。

事實上,對海面艦船的散射研究尤其是掠射條件下的散射特性分析長期以來一直是計算電磁學的一個重要研究課題。同時從上面的原理分析也可以看到,艦船有源對消隱身的實現并不容易。它有很多關鍵技術需要突破:艦船散射特性的精確預估,對消場的生成與控制以及對消數據庫的建立等,而首先要做的工作就是艦船散射特性的精確預估。

3 艦船RCS預估

3.1 艦船的RCS的預估思想

為了能夠準確計算海面艦船的散射特性必需要盡可能考慮海洋背景對雷達波散射的影響。艦船的RCS預估思想為:以粗糙面為海面模型,以三維外形圖為艦船模型,在此基礎上研究海面艦船散射。

1)艦船的三維建模。現在流行的圖形建模軟件有 Auto CAD、3DS Max、Ansys、GiD 等。構造艦船外形,可以根據艦船設計圖紙和設備圖紙精確構造,模型的精度可達毫米量級。而對外方艦船,則可以通過照片等資料構造出近似外形。

2)海面的模擬。海面的模擬,模型有統計模型、分形模型和混沌模型。統計模型中海面的運動用隨機函數來描述,Monte Carlo方法是最為常用的統計方法;Pierson-Moskowitz海譜和Phillip譜在海面粗糙面的統計構造中也有著廣泛的運用。分形模型構造的粗糙面結構具有自相似性,同時兼顧了大范圍和小范圍的無序的特點,接近實際的自然粗糙面。此外,Shaw和Dougan[3]提出可以結合相應的海域模型以及邊界條件來研究海面散射,他們提出的分類中將海面散射的研究分為七個層次,最終達到對海面散射的精確分析。

3)對三維艦船和模擬海面進行RCS預估。為了計算艦船的RCS,需要求出散射艦船在遠場的散射場。在海面艦船的散射計算中,將艦船以及其周圍海面看作整體進行研究。

3.2 粗糙海面與艦船的RCS的預估現狀

1)RCS的一般預估方法。RCS預估方法有有限元法(FEM)、矩量法(MOM)等頻域技術;也有時域有限差分法(FDTD)、時域積分方程法等時域技術以及屬于高頻技術的幾何光學法(GO)、物理光學(PO)、幾何繞射(GTD)、物理繞射(PTD)、射線追蹤(RT)等。對海面散射的研究一般是基于海面積分方程,采用MOM離散得到矩陣方程求解,求解精度高但往往受限于艦船電尺寸大帶來的龐大運算量與存儲量,可行性不高。時域有限差分法具有良好的寬帶散射特性分析能力,但同矩量法一樣受限于運算量與存儲量。高頻方法簡單高效但精度有限,而且屬于點頻方法,寬帶散射特性分析能力弱。因此國內外都在發展各種快速方法和混和方法。

2)復雜目標RCS計算工具。最早是將復雜目標劃分為多個簡單幾何體部件分別計算的部件分解法;Lee等發展XPatch軟件半臺,不僅計入物理光學和物理繞射,還基于彈跳射線法(SBR)計算多次散射,現已發展成較為成熟的由高頻近似方法估算復雜目標RCS和成像特征的工具;Rius等人利用圖形硬件加速器發展了一種實時計算目標RCS的工具GRECO,該工具雖然僅能給出一次散射與繞射場,但因其計算速度快而多為采用[4]。這些軟件工具或方法往往受到發布機構對用戶范圍的各種限制,而其方法本身也并不能完全適應快速計算目標與環境復合散射的多種問題。因此,混和方法日益受到人們的重視,很多軟件也開始逐漸集成利用各種算法進行優化計算,這也是未來電磁場EDA軟件發展的趨勢。

3)粗糙海面與艦船的RCS的預估現狀。美國佐治亞技術研究所、諾斯羅普公司已經研制了廣泛應用于工業中的RCS預估程序。美國海軍研究實驗室(NRL)也在研制RCS預估程序,并且包括海面影響產生的多路徑效應。李守秀[5]等給出了粗略估計艦船雷達散射截面的經驗公式,要得到高精度的雷達散射截面必須用計算電磁學方法計算。

雷達波在遠區時其入射波可視為平面波,針對海面艦船在平面波照射下的散射問題,徐樂[6]等采用介質半空間格林函數在海面建立電場積分方程,并采用廣義前向后向法(GFB)算法結合矩量法(MOM)計算了海面以及海面艦船的感應電流分布以及雙站雷達散射截面,為平面波入射時海面散射問題提供更為嚴謹的分析模型。

在解決艦船與海面耦合散射問題時,陳勇[7]等提出了一種基于混合面元投影(HPP)和物理光學法(PO)的計算艦船與海面耦合散射的快速算法。計算平臺為XEON,3.4GHz CPU、8GB內存的工作站,計算中每個角度平均耗時約15s說明了此方法的高效性。

在粗糙海面與艦船的RCS的快速計算方面,徐豐[4]等提出雙向射線追蹤法(BART),實現目標與粗糙面共存問題的復合散射計算。用BART方法計算縮比船目標與下墊平表面后向散射180個觀測角度,其結果與矩量法(MOM)和多層快速多極子(M LFMM)比較,MOM方法耗時在2d以上,MLFMM耗時約3.6h,BART方法耗時約9s。

4 RCS預估對艦船有源對消隱身的影響

在建造一艘有隱身要求的艦船,設計方案能否達到隱身要求不可能靠實際測量來驗定;而為檢驗一艘艦船添加的隱身技術作實際測定時也將耗資巨大,因而必須借助于RCS的數學模型,通過計算機仿真實現。同時在艦船有源對消系統中,對消數據庫的生成和更新也要求RCS的快速精確預估。因此,RCS的準確快速預估對海面艦船的隱身尤其是在有源對消隱身中起著決定性作用。

1)分析艦船雷達散射閃爍點。我國目前的中型水面艦船采用的是常規排水型船體,且作為主戰艦船必須布置大量的武器裝備,而這些武器裝備中,眾多的武器、觀通等裝備并未進行隱身設計,在這些艦船的總體設計中并未因要達到隱身性的目的而犧牲其總體性能,因此我們現在還只是對艦船進行局部的、最大可能的隱身改造[9]。大型水面艦船的雷達波散射源可以按以下方式進行結構劃分:(1)舷體(包括海面);(2)上層建筑;(3)桅桿及布置在桅桿上的天線;(4)甲板上的武器裝備(包括艦載機)[8]。一般通過消滅一類幾何體(角形反射器)、改造二類(二面角)和三類(平板)幾何體來達到隱身目的。通過分析艦船RCS雷達散射特性,尋找艦船雷達散射的“閃爍點”及其在各角度區域中的變化,采用有源對消方法來實現艦船隱身。

2)設計對消場發生器分布。在研制新型艦船時,通過RCS預估程序對設計中的艦船的雷達散射特性分析,布置合理的對消場發生器。

3)獲取有利的對敵突擊陣位。通過對艦船RCS的預估,可以獲得己方艦船的雷達散射特性并結合敵雷達性能預知敵艦對我艦的探知狀態,從而采取相應對策。通過分析我艦船在各角度下的雷達散射特性,在接敵時可盡可能規避敵方探測雷達,以較小的散射特性隱蔽突擊。

5 結語

進入21世紀以后,艦船雷達隱身的發展體現在兩個方面:擴展隱身技術領域和綜合各種隱身技術即隱身波段向毫米波、亞毫米波、紅外、激光和長波段擴展和綜合運用隱身外形設計、吸波材料、電子對抗措施并利用反輻射導彈/高能激光器或粒子束武器等。目前,我海軍的現役艦船尤其是驅護艦,其雷達隱身技術還非常缺乏,在雷達隱身技術方面還有很大改進和提高的余地。隱身艦船雖還沒有經過實戰的考驗,但可以預料,在未來海戰中將發揮越來越重要的作用。國外在此方面已走在了我們前面,我們必須盡快入手,從而縮短與西方海軍強國的差距。因此,有源對消隱身和雷達散射截面預估等技術值得進一步研究。

[1]E.F.Knott.Radar Cross Section[M].Dedham,MA:Artech House,Inc.,1985

[2]E.F.Knott.RCSR Guidelines Handbook[R].Final Technical Report on EES/GIT Project A-1560-001,Engineering Experiment Station,Georgia Institute of Technology,1976,4

[3]W T Shaw,A J Dougan.Green's function refinement as an approach to radar backscatter:general theory and applications to LGA scattering from the ocean[J].IEEE Trans.On Antennas and Propagat.,1998,46(1):57～66

[4]徐豐,金亞秋.計算粗糙海面與大型艦船復合散射的雙向解析射線追蹤法[J].自然科學進展,2008,18(7):814～825

[5]李守秀,王林.艦船雷達散射截面的計算公式[J].海軍航空工程學院學報,2007,22(3):326～328

[6]徐樂,謝擁軍,史小衛.海上艦船在平面波照射下的半空間散射研究[J].電子學報,2006,34(12):2322～2325

[7]陳勇,董純柱,王超,等.基于HPP/PO的艦船與海面耦合散射快速算法[J].系統工程與電子技術,2008,30(4):449～592

[8]吳楠,黃松高.大型水面艦船雷達波散射特征分析[J].裝備環境工程,2008,5(1):40～43

[9]黃祥兵,陳霖,王志國.艦船雷達隱身技術研究[J].船海工程,2002(2):1～4