艦船目標(biāo)RCS水面模擬試驗(yàn)及其應(yīng)用探討

吳 楠 陳 炯

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心電磁兼容性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430064

0 引 言

艦船目標(biāo)作為海上運(yùn)行的武器平臺(tái)，其電磁散射的最本質(zhì)特征體現(xiàn)為目標(biāo)與海面環(huán)境一體化的復(fù)合散射，即：雷達(dá)對(duì)其探測(cè)的回波特性不僅取決于艦船目標(biāo)本體電磁散射，也取決于艦船目標(biāo)與海面之間的互耦電磁散射以及海面的電磁散射［1］，實(shí)為艦船目標(biāo)與海面一體化復(fù)合散射所體現(xiàn)的“廣義RCS”。對(duì)艦船交付驗(yàn)收的RCS考核，要求在開闊的海面環(huán)境下進(jìn)行交船驗(yàn)收時(shí)的艦船RCS指標(biāo)測(cè)試，實(shí)為考核艦船目標(biāo)與海面一體化復(fù)合散射所體現(xiàn)的“廣義RCS”。因此，艦船目標(biāo)的電磁散射特征與飛機(jī)、戰(zhàn)車不同，在自由空間或地面條件下研究艦船的RCS與海面環(huán)境下的艦船RCS差距較大，對(duì)縮減艦船RCS指標(biāo)設(shè)計(jì)指導(dǎo)性不夠。為保證RCS指標(biāo)滿足海面環(huán)境下的考核要求，在技術(shù)設(shè)計(jì)階段用最接近考核狀態(tài)的方法進(jìn)行開闊水面環(huán)境下艦船隱身設(shè)計(jì)驗(yàn)證，對(duì)掌握并控制艦船隱身性指標(biāo)和強(qiáng)散射“要害點(diǎn)”有重要的意義，是艦船隱身設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究領(lǐng)域開展目標(biāo)RCS測(cè)試與試驗(yàn)主要采用暗室緊縮場(chǎng)和室外地面開闊場(chǎng)，并應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)本體RCS測(cè)試。

對(duì)于暗室緊縮場(chǎng)，由于其測(cè)試場(chǎng)地和靜區(qū)尺寸的局限性，存在以下幾個(gè)問題：

1）在室內(nèi)緊縮場(chǎng)測(cè)量條件下無法實(shí)現(xiàn)艦船和水面復(fù)合散射的測(cè)量；

2）室內(nèi)測(cè)量空間有限，對(duì)于大尺寸模型必須進(jìn)行較大尺度的縮比。但是艦船具有多尺度結(jié)構(gòu)特征，過大的縮尺比例使結(jié)構(gòu)和外形誤差難以控制，并且很難滿足測(cè)試頻率的要求，從而無法保證RCS測(cè)量的精度和置信度；

3）緊縮場(chǎng)測(cè)試基于電磁縮比理論，對(duì)于金屬、介質(zhì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，電磁縮比規(guī)律不成立。

對(duì)于室外地面開闊場(chǎng)，則由于其建立在平整的地面環(huán)境下，無法模擬隨機(jī)粗糙海面的漫反射特征，并且地面（相對(duì)介電常數(shù)為2～5）與海水（相對(duì)介電常數(shù)為80左右）等媒質(zhì)的介電參數(shù)迥異，因此，對(duì)于海面和地面，它們的電磁散射及其與目標(biāo)的互耦電磁散射無論在方向性分布規(guī)律還是在量級(jí)上都無法相互等效和替代。

因此，在水面環(huán)境下進(jìn)行艦船目標(biāo)的RCS模擬試驗(yàn)無疑成為一種更為有效的途徑。本文將針對(duì)艦船與海面的復(fù)合雷達(dá)波散射特性，分析探討艦船目標(biāo)RCS水面模擬試驗(yàn)方法及其基本的技術(shù)要求，并提出模擬試驗(yàn)方法在應(yīng)用和發(fā)展方向上的建議。

1 艦船與海面的復(fù)合電磁散射特征分析

在艦船目標(biāo)與海面一體化復(fù)合散射中，艦船目標(biāo)本體電磁散射、艦船目標(biāo)與海面之間的互耦電磁散射是主要的散射貢獻(xiàn)（圖1）。其中，艦船目標(biāo)本體電磁散射RCS是在探測(cè)雷達(dá)波直接照射下，沿接收方向散射強(qiáng)度的度量，是艦船目標(biāo)在自由空間下的RCS；而艦船目標(biāo)與海面之間的互耦電磁散射RCS主要包括以下3種情況：

1）艦船目標(biāo)在探測(cè)雷達(dá)波直接照射下，一部分散射方向指向海面，通過與海面發(fā)生相互作用而改變了傳播方向，進(jìn)而被探測(cè)天線接收；

2）探測(cè)雷達(dá)波經(jīng)過海面散射后照射目標(biāo)，沿接收方向被探測(cè)天線接收；

3）探測(cè)雷達(dá)波經(jīng)過海面散射后作用于目標(biāo)，目標(biāo)的散射能量又通過與海面發(fā)生作用后被探測(cè)天線接收。

圖1 艦船目標(biāo)與海面一體化復(fù)合散射RCS的構(gòu)成Fig.1 The components of ship’s complex scatter RCS with sea

文獻(xiàn)［2］以二級(jí)海況海面環(huán)境下的艦船目標(biāo)為研究對(duì)象，采用復(fù)射線追蹤方法分析了復(fù)雜電大尺寸三維目標(biāo)和粗糙面環(huán)境的復(fù)合電磁散射，該方法通過對(duì)構(gòu)成目標(biāo)的面元從入射方向和散射的逆方向上均進(jìn)行幾何光學(xué)射線追蹤，比傳統(tǒng)的單射線追蹤方法可考慮更多的不同散射機(jī)制，不僅計(jì)算速度比傳統(tǒng)方法快，而且精度相對(duì)更高。

艦船目標(biāo)外形復(fù)雜龐大，艦面布局交錯(cuò)緊湊，不僅極易構(gòu)成艦船本體強(qiáng)散射源，也將導(dǎo)致多樣化的散射方向和回波路徑，從而引起艦船目標(biāo)與海面之間的互耦電磁散射。例如，在探測(cè)雷達(dá)波以低入射角照射下，外漂船體、多曲率外形部件、多尺度結(jié)構(gòu)桅桿散射以及結(jié)構(gòu)間的多次散射都可導(dǎo)致散射方向指向海面，并通過與海面相互作用后改變了傳播方向，進(jìn)而被探測(cè)天線接收［3］。由于粗糙海面的隨機(jī)波動(dòng)特性和介電特性，艦船與海面的互耦電磁散射具有漫反射特征，例如，二級(jí)海況有效浪高為0.1～0.5m，不僅使入射和散射能量的傳播方向發(fā)生明顯改變，也使艦船目標(biāo)與粗糙海面的互耦電磁散射分量的相位干涉程度較低，回波強(qiáng)度的角度性分布較為平緩，相比之下，艦船與光滑平整反射面的互耦電磁散射隨角度變化而震蕩更為劇烈。因此，對(duì)于地面和海面，它們的電磁散射及其與目標(biāo)的互耦作用有著顯著的差異（圖2）。

圖2 海面、地面與艦船目標(biāo)的復(fù)合電磁散射RCS曲線對(duì)比Fig.2 Comparison of ship’s complex scatter RCS with sea and ground

2 RCS水面模擬試驗(yàn)對(duì)艦船雷達(dá)波隱身性設(shè)計(jì)的重要性

按艦船雷達(dá)波隱身性成體系的設(shè)計(jì)思想，可制定“數(shù)值仿真（方案優(yōu)選）—本體RCS模型試驗(yàn)（方案優(yōu)選）—艦船目標(biāo)RCS水面模擬試驗(yàn)（設(shè)計(jì)驗(yàn)證）—海面驗(yàn)收試驗(yàn)（交船驗(yàn)收）”的設(shè)計(jì)路線（圖3）。其中，數(shù)值仿真和本體RCS模型試驗(yàn)是艦船雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)中必不可少的理論研究階段。首先，開展目標(biāo)本體RCS的仿真計(jì)算和強(qiáng)散射源識(shí)別分析；進(jìn)而針對(duì)關(guān)鍵部件、結(jié)構(gòu)和全艦進(jìn)行模型試驗(yàn)（對(duì)于導(dǎo)體結(jié)構(gòu)本體的外形隱身設(shè)計(jì)，可在暗室緊縮場(chǎng)開展縮比模型試驗(yàn)，對(duì)于隱身復(fù)合材料的應(yīng)用研究，需要在開闊場(chǎng)條件下開展1∶1模型試驗(yàn)），對(duì)仿真計(jì)算進(jìn)行校驗(yàn)，支持關(guān)鍵部件、局部結(jié)構(gòu)以及全艦的本體RCS縮減和電磁散射特性控制［4］；然后，在此基礎(chǔ)上開展艦船本體與海面一體化復(fù)合散射的數(shù)值仿真研究，支持艦船總體方案論證階段進(jìn)行多方案對(duì)比優(yōu)選。艦船目標(biāo)RCS水面模擬驗(yàn)證試驗(yàn)是艦船隱身設(shè)計(jì)體系中的第3個(gè)環(huán)節(jié)，主要對(duì)應(yīng)艦船雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)的驗(yàn)證階段，通過水面試驗(yàn)研究關(guān)鍵部件、局部結(jié)構(gòu)1∶1模型與水面的互耦電磁散射強(qiáng)度，并開展全艦大尺度縮比模型強(qiáng)散射源識(shí)別分析，支持艦船總體技術(shù)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行模擬真實(shí)環(huán)境的艦船、水面的復(fù)合電磁散射特性控制與指標(biāo)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，并對(duì)與水面發(fā)生強(qiáng)互耦合散射的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。對(duì)艦船總體設(shè)計(jì)而言，也是最為重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖3 艦船隱身性設(shè)計(jì)中的RCS控制流程Fig.3 The RCS control flow in the ship’s optimization for stealth

3 艦船目標(biāo)RCS水面模擬試驗(yàn)的場(chǎng)地要求和建議

開展艦船與水面的復(fù)合電磁散射RCS試驗(yàn)研究，需要有接近真實(shí)狀態(tài)的水面環(huán)境，這主要是因?yàn)榈孛娴挠绊懞退娴挠绊懘蟛幌嗤翰粌H水面的粗糙表面［5］難以用其它媒質(zhì)替代，而且在隱身設(shè)計(jì)關(guān)心的頻段內(nèi)，海水的介電參數(shù)和與水泥、金屬的介電參數(shù)迥異，與淡水卻非常接近。因此，相比其它媒質(zhì)，隨機(jī)粗糙水面體現(xiàn)的電磁散射及其與目標(biāo)的互作用將具有更為顯著的特征。

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)艦船與水面復(fù)合電磁散射的研究起步較早，目前，已針對(duì)艦船電磁散射特點(diǎn)建立了用于隱身性設(shè)計(jì)驗(yàn)證和開展相關(guān)研究的專用水面試驗(yàn)場(chǎng)。其中，比較具有代表性的有意大利艦船RCS海面試驗(yàn)場(chǎng)和美國(guó)MASK室內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)等。

1）意大利艦船RCS海面試驗(yàn)場(chǎng)

意大利的艦船RCS試驗(yàn)場(chǎng)及測(cè)試系統(tǒng)可用于進(jìn)行模擬海面環(huán)境下的艦船縮比模型和上層建筑、部件的RCS試驗(yàn)研究。利用其近海的地理位置，意大利將該測(cè)試系統(tǒng)沿海岸建設(shè)，根據(jù)測(cè)試目標(biāo)的尺寸，測(cè)試距離可覆蓋200 m～5 km。目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)建設(shè)在水中，具有方位旋轉(zhuǎn)和升降功能，承載目標(biāo)尺寸可達(dá)22m，重量可達(dá)30 t。該試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試區(qū)域開闊，能夠?yàn)榕灤琑CS研究和設(shè)計(jì)提供較好的試驗(yàn)驗(yàn)證條件，但其缺點(diǎn)是試驗(yàn)時(shí)對(duì)海況有較高要求且控制海況有一定難度。

在艦船設(shè)計(jì)中，模擬試驗(yàn)與電磁仿真平臺(tái)、暗室測(cè)試集成應(yīng)用在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程中，通過理論設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證的相互結(jié)合，支持總體設(shè)計(jì)對(duì)艦船在海面環(huán)境下的RCS指標(biāo)進(jìn)行有效縮減，確保隱身設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)需求。

2）美國(guó)MASK試驗(yàn)場(chǎng)

為開展艦船與水面復(fù)合電磁散射試驗(yàn)與驗(yàn)證研究，美國(guó)海軍建立了大型室內(nèi)水池試驗(yàn)場(chǎng)（圖4）［6］，水池尺寸為110 m×73m，配有直徑15 m、承重5 t的水下轉(zhuǎn)臺(tái)。試驗(yàn)場(chǎng)配置了造浪裝置以有效模擬粗糙水面雜波特性，為艦船與水面間相互耦合作用的研究提供了良好的技術(shù)條件，適合開展更為精確的艦船和水面復(fù)合散射測(cè)試與試驗(yàn)研究，并可避免外界環(huán)境對(duì)試驗(yàn)的影響，但其造價(jià)較高，且受測(cè)試區(qū)域和距離的局限，對(duì)模型尺寸有較大限制，更適用于小型艦船模型試驗(yàn)。

圖4 美國(guó)MASK室內(nèi)大型水池試驗(yàn)場(chǎng)Fig.4 The American MASK ship model RCS indoor measurement in pool

我國(guó)對(duì)艦船與水面的復(fù)合散射研究尚處于理論研究的起步階段，主要采用仿真手段開展了一些粗略的估算或簡(jiǎn)單目標(biāo)的理論研究，沒有建立起仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的技術(shù)體系，缺乏工程適用性。在技術(shù)發(fā)展初期，本文提出利用天然開闊湖面開展水面環(huán)境下艦船RCS模擬試驗(yàn)的設(shè)想和建議，即在湖面環(huán)境下開展大尺度縮比船?；?∶1局部結(jié)構(gòu)的RCS測(cè)試，其優(yōu)勢(shì)在于：

1）由于測(cè)試場(chǎng)地具備接近海面的電特性和粗糙特性，因此，可以為模擬艦船與海面的復(fù)合散射特性提供基本的前提條件。

2）由于天然湖面大多較為開闊，有利于提升被測(cè)模型區(qū)域的入射波幅度和相位的均勻性，而且可測(cè)試的艦船縮比模型尺度相對(duì)較大，能夠保證外形精度，同時(shí)也解決了室內(nèi)測(cè)試大縮比模型引起的測(cè)試頻率受限難題，對(duì)于1∶1局部結(jié)構(gòu)特別是應(yīng)用復(fù)合材料的區(qū)域，可以解決介質(zhì)縮比等效難題。

3）測(cè)試區(qū)域遠(yuǎn)離陸地，便于抑制陸地及建筑的雜散回波干擾。

4 發(fā)展方向

海面環(huán)境下艦船目標(biāo)的RCS主要由艦船本體電磁散射和艦船、海面互耦電磁散射復(fù)合體現(xiàn)，艦船雷達(dá)波隱身性設(shè)計(jì)的發(fā)展方向不僅是縮減艦船本體的RCS，更需注重艦船在海面環(huán)境下的隱身效果，其中一個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)就是控制艦船與海面的互耦電磁散射特性，并最終實(shí)現(xiàn)回波強(qiáng)度接近或淹沒于海面電磁散射，這是未來艦船隱身設(shè)計(jì)的必然發(fā)展趨勢(shì)，也決定了艦船目標(biāo)RCS水面模擬試驗(yàn)應(yīng)用與發(fā)展的方向。

艦船目標(biāo)在水面環(huán)境下的RCS試驗(yàn)是開展設(shè)計(jì)驗(yàn)證、獲取艦船目標(biāo)隱身性指標(biāo)數(shù)據(jù)的必要技術(shù)手段，在艦船設(shè)計(jì)階段，對(duì)局部結(jié)構(gòu)和全艦開展模擬艦船結(jié)構(gòu)物理特性、模擬海面環(huán)境的雷達(dá)波散射試驗(yàn)可以更加直觀全面地掌握和驗(yàn)證艦船的雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)效果，應(yīng)建立海面模擬條件的開闊試驗(yàn)場(chǎng)地和多角域、超寬帶雷達(dá)波散射特性測(cè)試技術(shù)，更需強(qiáng)化必要的信息處理、成像分析（圖5）［7］和強(qiáng)散射中心識(shí)別技術(shù)的研發(fā)，建立邊設(shè)計(jì)、邊驗(yàn)證、邊改進(jìn)的工作模式和服務(wù)于設(shè)計(jì)階段的隱身設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)條件。

圖5 艦船強(qiáng)散射源成像Fig.5 The SAR imaging of ship’s scatter center

此外，要實(shí)現(xiàn)艦船的高隱身性，其雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)勢(shì)必與結(jié)構(gòu)、外形、布局、材料等因素緊密相關(guān)的?？梢哉f，隱身設(shè)計(jì)效果越明顯，對(duì)這些因素的影響越大。同時(shí)，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)、艦載武器物理場(chǎng)等多專業(yè)設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)也越緊密，因此，需要與艦船結(jié)構(gòu)、艦船電磁兼容性、艦載武器物理場(chǎng)特性等多項(xiàng)研究和總體集成設(shè)計(jì)同期進(jìn)行，通過多次交互、反復(fù)迭代優(yōu)化才能形成綜合最優(yōu)的技術(shù)方案。

5 結(jié) 論

艦船目標(biāo)RCS水面模擬試驗(yàn)驗(yàn)證是艦船雷達(dá)波隱身性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是在設(shè)計(jì)階段用最接近考核的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證的必要技術(shù)手段。發(fā)展艦船目標(biāo)RCS水面模擬試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)將不僅能大幅度提升艦船總體隱身設(shè)計(jì)驗(yàn)證能力，還可以帶動(dòng)艦船研究技術(shù)水平的跨越式發(fā)展。

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