隱身飛機機身側棱電磁散射特點分析

張揚，艾俊強，王健，張維仁

(中國航空工業集團公司 第一飛機設計研究院，西安 710089)

隱身飛機機身側棱電磁散射特點分析

張揚，艾俊強，王健，張維仁

(中國航空工業集團公司 第一飛機設計研究院，西安 710089)

隱身飛機機身側棱是側向重要散射源，研究其電磁散射特點具有重要意義。建立機身側棱分析模型，采用多層快速多極子算法(MLFMM)進行計算，獲得雷達散射截面(RCS)沿水平面方位角的分布數據；構建RCS峰值、波峰寬度、旁瓣均值三維度評價方法，基于該方法分析機身側棱電磁散射的極化特性和頻率特性；針對棱邊長度、棱邊尖劈角、棱邊厚度三項關鍵幾何參數，建立變參數模型并通過仿真研究RCS對幾何參數的敏感性。結果表明：RCS峰值對棱邊長度及棱邊尖劈角比較敏感，波峰寬度對頻率比較敏感，旁瓣均值對頻率及棱邊尖劈角比較敏感。

隱身飛機；棱邊；電磁散射；RCS

0 引 言

隱身飛機普遍應用了低雷達散射截面(Radar Cross Section，簡稱RCS)機身剖面設計技術。從目前國內外隱身飛機的外形來看，機身側面都采用帶有棱邊的形式，這樣可以避免機身的鏡面強散射，使之成為較弱的棱邊繞射[1-3]。然而，對于進一步追求側向隱身性能的飛機來說，需要通過隱身優化設計對棱邊的散射進行控制。因此，有必要對機身側棱邊的電磁散射特點進行研究。

白振東等[4]對機身剖面參數化進行了研究，建立了機身典型剖面模板參數，但未進一步研究所定義的參數對機身RCS的影響。桑建華[5]對飛機翼面的邊緣繞射進行了描述，指出機翼前緣的最大散射出現在入射電場平行于邊緣時，并給出了隱身飛機機身側棱散射特征的預估公式。阮穎錚[6]對尖劈邊緣繞射理論進行了深入分析。上述文獻著重介紹了棱邊散射的求解方法，對其具體的散射特點介紹較少。姬金祖等[7]、張考等[8]和李啟鵬等[9]從隱身角度對機身剖面部分幾何參數進行了研究，但都存在幾何參數不全面、評價標準較單一的問題。

本文建立機身側棱模型并對其進行仿真，從RCS峰值、波峰寬度、旁瓣均值三方面進行綜合分析，研究機身側棱的極化特性、頻率特性，對于棱邊長度、尖劈角、厚度等關鍵幾何參數進行變參數研究，并獲得其對RCS的影響規律。

1 建 模

分析模型的設計基準是飛機構造水平線和飛機對稱面。在考察飛機某個側向時，該側棱邊為主要散射源，另一側散射貢獻較小，因此本文將單側棱邊取出進行單獨研究。將機身剖面沿飛機對稱面分割，取其中一半進行拉伸。為了避免除棱邊之外的其他邊緣對結果造成干擾，將上、下表面邊緣光滑過渡，形成低散射載體。此時，過棱邊中點的棱邊法平面為模型對稱面。基本模型棱邊長度為5.00 m，厚度為0 m(尖劈狀)，上表面切線與水平面夾角為30°，下表面切線與水平面夾角為15°，模型總寬度為3.04 m，最大高度為2.27 m，如圖1所示。變參數模型將在基本模型基礎上對棱邊長度、切線夾角、棱邊厚度進行改變。

仿真所用的算法為多層快速多極子方法(Multilevel Fast Multipole Method，簡稱MLFMM)。該方法采用加法定理進行分層分區，近區耦合基于矩量法直接計算，非附近區耦合由聚合、轉移、配置三步完成[10-12]。上述計算方法與微波暗室測試結果吻合較好[13-15]，表明該方法應用于電磁散射特點分析是可行的。

定義電磁波在水平面內垂直棱邊照射時方位角為0°，垂直側端面照射時方位角為90°，垂直于后端面照射時方位角為180°。考慮到模型的對稱性，僅計算方位角為0°～180°的RCS。定義電場方向水平時為HH極化，電場方向垂直于水平面時為VV極化。監視警戒雷達為飛機重要威脅之一，一般作用在L波段與S波段，基于此，本文主要研究低頻段(頻率4.0 GHz以下)的電磁散射特性。真實飛機蒙皮一般為金屬，故計算中將模型作為理想電導體處理。采用遠場平面波照射，計算類型為單站RCS。

對于計算曲線，分析認為方位角0°～45°之間的數據可表征機身側棱邊的RCS，其余部分為載體的貢獻。在該方位角區間，由于棱邊散射存在，0°方位角附近出現強RCS波峰，其余部分RCS值相對較低。針對此特點，定義RCS波峰為0°方位角附近RCS大于-10.0 dB的曲線部分，其余部分為散射旁瓣(45°方位角之內)。由于RCS曲線隨方位角波動較大，為了定量分析電磁散射特點，在上述波峰和旁瓣定義的基礎上，引入RCS峰值、波峰寬度、旁瓣均值三項考察指標。RCS峰值是指0°方位角時的RCS值，即垂直照射棱邊時的RCS值；波峰寬度是指波峰所占方位角區域大小，根據對稱性考慮±45°方位角內波峰的總寬度；旁瓣均值是指去掉波峰后剩余部分(45°方位角之內)的RCS均值。通過以上三個維度的對比，能使電磁散射特點的分析更為全面。

2 極化敏感性分析

為了研究機身側棱的極化特性，在電磁波頻率為1.0 GHz時，分別對HH極化和VV極化兩種條件進行仿真，如圖2所示(主要考察方位角為0°～45°區間)。

從圖2可以看出：機身側棱在HH極化條件下的RCS明顯高于VV極化條件下的RCS。通常認為，對于邊緣類目標，電場方向平行于邊緣時，RCS較大[5]，由此可以解釋機身側棱對HH極化更為敏感的原因。

為了定量對比兩種極化的RCS，統計峰值、波峰寬度、旁瓣均值如表1所示。

表1 HH極化與VV極化條件下RCS對比

從表1可以看出：與VV極化相比，HH極化條件下RCS峰值大8.5 dB，波峰寬度大4°，旁瓣均值大5.8 dB，三項對比指標均是HH極化時較大。由此可見，機身側棱在HH極化情況下隱身問題更為嚴重，需重點關注HH極化方式。

基于上述結論，本文后續計算只考慮HH極化情況。

3 頻率敏感性分析

監視警戒雷達為飛機重要威脅之一，主要作用在低頻，因此，重點關注低頻時機身側棱的電磁散射特點，分別計算電磁波頻率為0.5、0.8、1.0、2.0、3.0、4.0 GHz時的RCS。以棱邊長度5.00 m作為模型特征尺寸，則在上述頻率下模型特征尺寸分別為8.3λ、13.3λ、16.7λ、33.3λ、50.0λ、66.7λ(λ為電磁波波長)。統計仿真結果如表2所示。

表2 不同電磁波頻率下RCS對比

從表2可以看出：①峰值對頻率不敏感，頻率在0.5～4.0 GHz之間變化時，峰值變化量只有1.1 dB；桑建華[5]指出，直邊緣垂直入射時，散射的頻率依賴關系為f0，即垂直入射時直邊緣RCS隨頻率變化較小，由此可以解釋機身側棱RCS峰值變化不大的原因。②波峰寬度對頻率比較敏感，波峰寬度隨頻率變化曲線如圖3所示，可以看出：頻率越低波峰寬度越大，0.5 GHz時波峰寬度比4.0 GHz時大10°。③旁瓣均值對頻率比較敏感，旁瓣均值隨頻率變化曲線如圖4所示，可以看出：頻率越低旁瓣均值越大，0.5 GHz時旁瓣均值比4.0 GHz時大13.0 dB。

4 幾何參數敏感性分析

機身側棱幾何參數很多，包括棱邊長度、棱邊厚度以及機身剖面參數。重點研究棱邊長度、棱邊厚度以及剖面參數中上、下表面的切線夾角(棱邊尖劈角)對RCS的影響規律。對于每一項幾何參數，建立7組變參數模型并計算RCS，研究電磁散射對上述幾何參數的敏感性。

仿真中重點考慮的是L波段(電磁波頻率1.0 GHz)時的情況。

4.1 棱邊長度影響

建立棱邊長度分別為2～8 m的變參數模型，共7組，此時模型尺寸分別為6.7λ～26.7λ。計算RCS并統計結果如表3所示。

表3 不同棱邊長度RCS對比

從表3可以看出：①峰值對棱邊長度比較敏感，其隨棱邊長度的變化曲線如圖5所示，可看出棱邊長度越長，RCS峰值越大，棱邊長度為8 m時比棱邊長度為2 m時的RCS峰值高12.2 dB；桑建華[5]指出，直邊緣垂直入射時，散射的尺寸依賴關系為L2，即垂直入射時直邊緣RCS隨尺寸變化較大，由此可以解釋機身側棱RCS峰值隨長度增加而增加的原因。②波峰寬度和旁瓣均值對棱邊長度不敏感，棱邊長度在2～8 m之間變化時，波峰寬度變化量僅為4°，旁瓣均值變化量僅為2.2 dB。

4.2 棱邊尖劈角影響

保持下表面切線角度為15°不變，改變上表面切線角度θ，角度分別為10°～90°(如圖6所示)，共9組變參數模型。由于下表面切線角度保持不變，棱邊尖劈角和上表面切線角度變化趨勢一致，在分析規律時可以用上表面切線角度來表征棱邊尖劈角。

RCS統計結果如表4所示。

表4 不同棱邊尖劈角RCS對比

從表4可以看出：

①RCS峰值對棱邊尖劈角比較敏感，其隨上表面切線夾角的變化曲線如圖7所示，可以看出棱邊尖劈角越大，RCS峰值越大，上表面切線角度為90°時比10°時的RCS峰值增加10.5 dB；棱邊尖劈角越大，棱邊散射越接近鏡面散射，因此RCS峰值越大。

②旁瓣均值對棱邊尖劈角比較敏感，其隨上表面切線夾角的變化曲線如圖8所示，可以看出棱邊尖劈角越大，旁瓣均值越大，上表面切線角度為90°時比10°時的旁瓣均值增加10.1 dB。

③波峰寬度對棱邊尖劈角不敏感，棱邊尖劈角變化時波峰寬度基本不變。

綜上所述，棱邊尖劈角增大，不僅會引起RCS峰值增加，也會引起旁瓣均值增大。

4.3 棱邊厚度影響

上述計算中，棱邊均為尖劈狀，厚度為0 m，而實際生產中，0 m的邊緣工藝上難以實現，為了保證可加工性，尖劈邊緣需有一定厚度。因此，本節研究棱邊厚度帶來的影響。

保持棱邊長度、機身剖面不變，改變棱邊厚度d，如圖9所示，使其分別為0.001～0.030 m，共10組變參數模型。僅考慮L波段的情況，此時電磁波波長λ為0.3 m，棱邊厚度分別為(1/300)λ～(1/10)λ。RCS統計結果如表5所示。

表5 不同棱邊厚度RCS對比

從表5可以看出：RCS峰值、波峰寬度、旁瓣均值對棱邊厚度均不敏感；棱邊厚度在(1/300)λ～(1/10)λ之間變化時，RCS峰值變化量僅1.7 dB，波峰寬度變化量僅4°，旁瓣均值變化量僅1.2 dB。

5 結 論

(1) 機身側棱HH極化條件下比VV極化條件下隱身性能差。

(2) RCS峰值對棱邊長度及棱邊尖劈角比較敏感，棱邊長度越長或棱邊尖劈角越大，RCS峰值越大。

(3) 波峰寬度對頻率比較敏感，頻率越低波峰寬度越大。

(4) 旁瓣均值對頻率及棱邊尖劈角比較敏感，頻率越低或棱邊尖劈角越大，旁瓣均值越大。

(5) 在電磁波頻率為1.0 GHz時，RCS對棱邊厚度不敏感，厚度在1～30 mm之間變化時，RCS變化不大。

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(編輯：趙毓梅)

Analysis on Electromagnetic Scattering Characteristics of Fuselage Lateral Edge on Stealth Aircraft

Zhang Yang, Ai Junqiang, Wang Jian, Zhang Weiren

(The First Aircraft Institute, Aviation Industry Corporation of China, Xi’an 710089, China)

It is of importance to study the electromagnetic scattering characteristics of the lateral edges on stealth aircraft which is one of the dominant scattering sources for the lateral radar threats. Multilevel fast multipole method(MLFMM) is used to calculate the radar cross section(RCS) of the edge at different azimuth angles after the geometric model has been built. The magnitude and the width of the peak and the average value of the sidelobe are three important values to be evaluated and they are compared with each other at different polarization methods and frequencies. Sensitivities of the RCS to the geometric parameters, including length, angle and thickness of the edge, are also studied. The results show that the magnitude of the peak is sensitive to the length and the angle, the width of the peak is sensitive to the frequency, and the average value of the sidelobe is sensitive to frequencies and the angle.

stealth aircraft; edge; electromagnetic scattering; RCS

2016-11-11；

2017-01-13

張揚,zy_buaa@163.com

1674-8190(2017)01-017-06

V218

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.01.003

張 揚(1987-)，男，碩士，工程師。主要研究方向：飛機總體設計。

艾俊強(1964-)，男，碩士，研究員。主要研究方向：飛機總體與氣動設計。

王 健(1980-)，男，碩士，高級工程師。主要研究方向：飛機總體設計。

張維仁(1989-)，男，碩士，助理工程師。主要研究方向：飛機總體設計。