潛艇天線(xiàn)動(dòng)態(tài)RCS的統(tǒng)計(jì)分析*

劉 暢 黃繼進(jìn) 徐林杰 范月霞

(武漢船舶通信研究所 武漢 430200)

潛艇天線(xiàn)動(dòng)態(tài)RCS的統(tǒng)計(jì)分析*

劉 暢 黃繼進(jìn) 徐林杰 范月霞

(武漢船舶通信研究所 武漢 430200)

潛艇的非聲隱身性能近年來(lái)得到了一定重視,非聲隱身的一個(gè)重要指標(biāo)就是電磁隱身,而雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section,RCS)表征了目標(biāo)對(duì)照射電磁波的散射能力。天線(xiàn)一般處于艦艇的最高位置,它是被雷達(dá)探測(cè)的主要散射源之一,因而天線(xiàn)系統(tǒng)將直接影響到全艦雷達(dá)隱身性能。論文以潛艇鞭形天線(xiàn)為研究對(duì)象,以物理光學(xué)法(PO)為獲取基礎(chǔ)RCS的手段,并考慮了實(shí)際作戰(zhàn)情況下與理想條件的不同,得到了不同于理想條件下天線(xiàn)RCS的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),有助于提高獲取目標(biāo)RCS 數(shù)據(jù)的完整性和可信度。

天線(xiàn); 雷達(dá)散射截面; 物理光學(xué)法; 統(tǒng)計(jì)分析

1 引言

目標(biāo)的雷達(dá)散射截面是表征雷達(dá)目標(biāo)對(duì)照射電磁波散射能力的一個(gè)物理量,是描述雷達(dá)目標(biāo)信息最重要、最基本的一個(gè)參數(shù)[1]。雷達(dá)目標(biāo)RCS特性的研究主要可分為理論分析和測(cè)量技術(shù)兩個(gè)方面,其中測(cè)量又包括全尺寸目標(biāo)測(cè)量、縮比目標(biāo)模型測(cè)量和動(dòng)態(tài)目標(biāo)測(cè)量等三種途徑。理論計(jì)算的方法較復(fù)雜,并且只適用于少數(shù)典型目標(biāo)的求解；全尺寸目標(biāo)散射測(cè)試場(chǎng)能夠提供逼真的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,但其造價(jià)和測(cè)試費(fèi)用大；動(dòng)態(tài)測(cè)量的誤差因素較多,因而其測(cè)量精度不高；現(xiàn)代室內(nèi)測(cè)量場(chǎng)不但能夠提供高精度的RCS數(shù)據(jù),而且可以實(shí)現(xiàn)360°全方位測(cè)量,因此,基于目標(biāo)縮比模型的室內(nèi)靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)為大多識(shí)別算法所采用[2]。

潛艇天線(xiàn)屬于典型的電大尺寸復(fù)雜散射體。對(duì)此類(lèi)目標(biāo)電磁散射的研究,迄今沒(méi)有理論上嚴(yán)格的計(jì)算方法,所以只能在各種近似的基礎(chǔ)上尋求相對(duì)合理的解決辦法[3]。

2 基礎(chǔ)RCS的獲取——物理光學(xué)法(PO)

數(shù)值方法和高頻方法[2,4]是目標(biāo)電磁特性分析中常用的兩類(lèi)方法。數(shù)值方法又包括了有限元法(FEM)、矩量法(MOM)、多層快速多極子方法(MLFMA)等；高頻方法又包括了物理光學(xué)(PO)法、物理繞射理論(PTD)[5]、幾何光學(xué)(GO)法、一致繞射理論(UTD)[6]及彈跳射線(xiàn)(SBR)方法等。物理光學(xué)(Physical Optical,PO)法理論通過(guò)對(duì)感應(yīng)場(chǎng)的近似積分而求得散射場(chǎng),它可以對(duì)平面和單彎曲表面等幾何光學(xué)法不能計(jì)算的結(jié)構(gòu)進(jìn)行 RCS 的求解。物理光學(xué)法的出發(fā)點(diǎn)是斯特拉頓—朱蘭成(Stratton-Chu)散射場(chǎng)積分方程,并根據(jù)高頻場(chǎng)的局部性原理,完全的忽略目標(biāo)的各部分之間的相互影響,而僅根據(jù)入射場(chǎng)獨(dú)立地近似確定表面感應(yīng)電流。

2.1 遠(yuǎn)場(chǎng)近似

由遠(yuǎn)區(qū)條件,可以對(duì)自由空間的格林函數(shù)及其梯度進(jìn)行近似,從而簡(jiǎn)化積分的運(yùn)算,得到遠(yuǎn)區(qū)散射場(chǎng)的積分公式為[7]

(1)

(2)

2.2 切平面近似

切平面近似假定表面電流的值等于在積分面元ds處物體為理想的光滑平面時(shí)的表面電流值,并由此來(lái)近似計(jì)算積分中的總場(chǎng)。由于待求目標(biāo)為理想導(dǎo)體,因此總的電磁場(chǎng)的切向分量為

(3)

(4)

式中,Hi為目標(biāo)表面單元處的入射波磁場(chǎng)強(qiáng)度。將上述的切向場(chǎng)條件代入式(1)、(2),得到理想導(dǎo)體物理光學(xué)法的遠(yuǎn)區(qū)散射場(chǎng)積分表達(dá)式：

(5)

(6)

通常,用感應(yīng)電流和感應(yīng)磁流對(duì)散射的貢獻(xiàn)進(jìn)行描述,其表達(dá)式為

(7)

(8)

因此,對(duì)于理想導(dǎo)體,采用物理光學(xué)法近似,其表面的感應(yīng)電、磁流為

(9)

(10)

亮區(qū)為入射波能夠直接到達(dá)的區(qū)域,暗區(qū)為入射波不能直接照射的區(qū)域,物理光學(xué)法假定在物體的陰影部分切向場(chǎng)嚴(yán)格等于零。

因此,可通過(guò)理想導(dǎo)體表面的物理光學(xué)電流進(jìn)行積分,求解遠(yuǎn)區(qū)的散射電磁場(chǎng),其表達(dá)式為

(11)

(12)

求出目標(biāo)的遠(yuǎn)區(qū)散射場(chǎng)后,代入雷達(dá)散射截面的計(jì)算公式,即可對(duì)目標(biāo)的單、雙站RCS進(jìn)行分析計(jì)算。

3 仿真方法

靜態(tài)RCS數(shù)據(jù)包括理論計(jì)算、暗室測(cè)量、外場(chǎng)靜態(tài)測(cè)量等獲取的結(jié)果,動(dòng)態(tài)RCS數(shù)據(jù)通常指目標(biāo)特性測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際測(cè)試目標(biāo)的測(cè)量結(jié)果[8]。靜態(tài)是指目標(biāo)位置不動(dòng),雷達(dá)以某一固定的俯仰角進(jìn)行全方位向測(cè)量目標(biāo)RCS的方式。為直觀反映目標(biāo)全向散射特性,靜態(tài)測(cè)量結(jié)果通常以極坐標(biāo)形式呈現(xiàn)。

由于實(shí)際作戰(zhàn)過(guò)程中,潛艇在水面航行時(shí),雷達(dá)視線(xiàn)俯仰角不可能為固定值,但是由于距離非常遠(yuǎn),通常情況下俯仰角可以認(rèn)為在0°～0.5°,且天線(xiàn)不可能時(shí)刻處于垂直水面的狀態(tài),利用靜態(tài)數(shù)據(jù)分析目標(biāo)特性?xún)H具有理論參考價(jià)值。

原始數(shù)據(jù)的急劇起伏說(shuō)明了目標(biāo)RCS值的隨機(jī)性,而采用一些統(tǒng)計(jì)參量則有助于描述其統(tǒng)計(jì)特性。常用的統(tǒng)計(jì)參量包括區(qū)段均值、標(biāo)準(zhǔn)差、極大值、極小值和極差等,以及概率密度函數(shù)、累積分布函數(shù)和中值[9]。

對(duì)于飛行器這樣的雷達(dá)目標(biāo),其飛行時(shí)的姿態(tài)是影響其RCS的關(guān)鍵因素,通過(guò)建立雷達(dá)坐標(biāo)系、目標(biāo)坐標(biāo)系以及二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,解算飛行器的姿態(tài)角,將目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡離散化為若干采樣點(diǎn),動(dòng)態(tài)RCS序列由采樣點(diǎn)上的若干RCS值組成[10]。

潛艇天線(xiàn)的動(dòng)態(tài)RCS仿真可以借鑒此思路,通過(guò)模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的雷達(dá)目標(biāo)目標(biāo)姿態(tài)變化,來(lái)達(dá)到仿真其動(dòng)態(tài)RCS的目的。但是潛艇天線(xiàn)與飛行器又有不同之處,飛行器在全程可以視為剛體,沒(méi)有形變,但是由于潛艇鞭形天線(xiàn)長(zhǎng)達(dá)10m,具有柔韌性,其撓曲不能忽視,本文采用簡(jiǎn)單的傾斜來(lái)模擬其撓曲。

4 仿真結(jié)果

圖1 天線(xiàn)3D建模示意圖

選取了四個(gè)比較典型的姿態(tài)進(jìn)行仿真,10m鞭形天線(xiàn),由4節(jié)組成,每節(jié)半徑分別為50mm、40mm、30mm、20mm,入射電磁波頻率為10GHz,俯仰角設(shè)為0°,極化均為HH,為符合戰(zhàn)場(chǎng)被搜索的情況僅考慮單站RCS。天線(xiàn)傾斜方向?yàn)閤軸,由對(duì)稱(chēng)性和出于減少計(jì)算量的考慮,僅仿真了0°～180°。

4.1 垂直

圖2 天線(xiàn)垂直時(shí)單站RCS仿真

表1 天線(xiàn)垂直時(shí)動(dòng)態(tài)RCS統(tǒng)計(jì)參數(shù)

4.2 傾斜2.5°

圖3 天線(xiàn)傾斜2.5°時(shí)單站RCS仿真

表2 天線(xiàn)傾斜2.5°時(shí)動(dòng)態(tài)RCS統(tǒng)計(jì)參數(shù)

4.3 傾斜5°

圖4 天線(xiàn)傾斜5°時(shí)單站RCS仿真

表3 天線(xiàn)傾斜5°時(shí)動(dòng)態(tài)RCS統(tǒng)計(jì)參數(shù)

4.4 傾斜7.5°

圖5 天線(xiàn)傾斜7.5°時(shí)單站RCS仿真

表4 天線(xiàn)傾斜7.5°時(shí)動(dòng)態(tài)RCS統(tǒng)計(jì)參數(shù)

4.5 傾斜10°

圖6 天線(xiàn)傾斜10°時(shí)單站RCS仿真

表5 天線(xiàn)傾斜10°時(shí)動(dòng)態(tài)RCS統(tǒng)計(jì)參數(shù)

潛艇在航行過(guò)程中,為簡(jiǎn)化鞭形天線(xiàn)的姿態(tài)變化規(guī)律,認(rèn)為其各個(gè)姿態(tài)在一段時(shí)間內(nèi)是平均分布的。那么在這一段時(shí)間內(nèi)的RCS均值可以認(rèn)為是0～10°各姿態(tài)RCS線(xiàn)性均值的平均。

σmean=10.67dbsm

結(jié)合圖表可以看出其RCS有如下規(guī)律：

1) 除垂直狀態(tài)的天線(xiàn),動(dòng)態(tài)RCS對(duì)傾角敏感,起伏劇烈；

2) 目標(biāo)在正側(cè)向(方位角90°時(shí))附近時(shí)RCS最大；

3) 目標(biāo)RCS的動(dòng)態(tài)范圍較大,可達(dá)70dB。

5 結(jié)語(yǔ)

目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于各種復(fù)雜因素的影響,其實(shí)際姿態(tài)往往與通過(guò)測(cè)量或計(jì)算得到的預(yù)估姿態(tài)存在差異,主要表現(xiàn)為姿態(tài)的擾動(dòng)。姿態(tài)擾動(dòng)是靜動(dòng)態(tài)測(cè)量與仿真 RCS數(shù)據(jù)的主要誤差源之一。本文通過(guò)用仿真不同的傾角模擬不同條件下的天線(xiàn)姿態(tài),并分析其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),得到了與理想狀態(tài)下不同的結(jié)果。未來(lái)還可以結(jié)合設(shè)計(jì)艦體的運(yùn)動(dòng)航跡來(lái)建立目標(biāo)天線(xiàn)的動(dòng)態(tài)RCS數(shù)據(jù)庫(kù),并通過(guò)受力分析計(jì)算其撓曲使其各方面更符合實(shí)際作戰(zhàn)的情況。

[1] 黃培康,殷紅成,許小劍.雷達(dá)目標(biāo)特性[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:16-19.

[2] 阮穎錚.雷達(dá)截面與隱身技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1998:9-10.

[3] 顧俊,王萬(wàn)富,童廣德.引信目標(biāo)RCS理論算法的發(fā)展及應(yīng)用[J].上海航天,2003,04:18-21.

[4] E. F. KNOTT. A Progressing of High-Frequency RCS Prediction Techniques[J]. Proc. IEEE,1985,73(2):252-264.

[5] Hasnain H. Syed,John L. Volakis. PTD Analysis of Impedance Structures[J]. IEEE Trans. Antennas Propaga.,1996,44(1):983-988.

[6] R.G. Koujoumijan , P. H. Pathak. A Uniform Geometrical Theory of Diffraction for An Edge in a Perfectly Conducting Surface[J]. Proc. IEEE,1974,62(11):1448-1461.

[7] 陳毅喬.電大尺寸目標(biāo)的電磁特性分析方法研究[D].成都:電子科技大學(xué),2008:13-15.

[8] 戴崇.雷達(dá)目標(biāo)動(dòng)態(tài)RCS特性建模方法研究[D].北京:國(guó)防科技大學(xué),2013:25-26.

[9] 曾勇虎,王國(guó)玉,陳永光,等.動(dòng)態(tài)雷達(dá)目標(biāo)RCS的統(tǒng)計(jì)分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2007,04:610-613.

[10] 劉佳,方寧,謝擁軍,等.姿態(tài)擾動(dòng)情況下的目標(biāo)動(dòng)態(tài)RCS分布特性[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2015,04:775-781.

Dynamic RCS Statistical Analysis of Submarine Antenna

LIU Chang HUANG Jijin XU Linjie FAN Yuexia

(Wuhan Ship Communication Research Institute, Wuhan 430200)

The non-acoustic stealth performance of submarines has been paid more attention in recent years. An important index of non-acoustic stealth is electromagnetic stealth and radar cross section (RCS) characterizes the scattering ability of target. Antenna is generally in the highest position of the ship. It is one of the main source of scattering, and thus the antenna system will directly affect the entire radar stealth performance. In this paper, the submarine whip antenna is taken as the research object, the physical optics (PO) is taken as the means to obtain the basic RCS, and the difference between actual combat situation and the ideal conditions is considered, the statistical data of the RCS of the antenna is different from that of the ideal condition, which helps to improve the integrity and credibility of the target RCS data.

antenna, radar cross section, physical optics, statistical analysis

TN823

2016年9月10日,

2016年10月30日

劉暢,男,碩士研究生,研究方向:天線(xiàn)雷達(dá)散射截面。黃繼進(jìn),男,碩士,研究員,研究方向:天線(xiàn)和艦船通信技術(shù)。徐林杰,男,碩士,工程師,研究方向:信息安全技術(shù)。范月霞,女,碩士,工程師,研究方向:信息安全技術(shù)。

TN823

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.018