一種面向工程的局部RCS檢測算法研究

徐 濤，王德毅

(沈陽航空航天大學 自動化學院，遼寧 沈陽 110136)

一種面向工程的局部RCS檢測算法研究

徐 濤，王德毅

(沈陽航空航天大學 自動化學院，遼寧 沈陽 110136)

飛行器的蒙皮在服役期間容易產生腐蝕或破損進而增大飛行器的雷達散射截面，因此需要對修復后的區域進行局部雷達散射截面(Radar Cross-Section，RCS)檢測以評估修復效果。研究了一種面向工程的近遠場變換算法以實現對修復區域的RCS檢測，該算法基于球面波環式展開算法，并在傳統近遠場變換算法的基礎上使用漸進式代替傳統的漢克爾函數，設計了一種適用于工程應用的近遠場變換算法。使用HFSS和Matlab軟件對設計的算法進行了仿真驗證，結果表明算法能夠求得修復后局部小區域的RCS。

雷達散射截面檢測；蒙皮破損；近遠場變換；漢克爾函數

Abstract Corrosions or damages often happen on the coating system of aircrafts,and the repairing process may enlarge the Radar Cross Section of aircrafts.In that case,it is necessary to conduct a partial RCS scanning on the repaired places in order to evaluate the maintenance effectiveness.This paper discusses a near-field-to-far-field transformation algorithm to realize the RCS detection of the repaired place.The conventional Hankel function is substituted by an approximation algorithm which is more suitable for application.The simulation results by HFSS and Matlab show the effectiveness of the algorithm.

Key words RCS detection;coating failure;near-field-t-far-field transformation;Hankel function

0 引言

飛行器蒙皮是飛行器的重要組成部分，飛行器在使用過程中會遇到各種不同的環境因素。美軍評價F-18飛機涂層的環境譜中包含了濕熱暴露試驗、紫外線照射試驗、熱沖擊試驗、低溫疲勞試驗和鹽霧試驗等[1]。飛行器在服役期間會出現蒙皮受損，如破洞、劃傷和開裂等，這些損壞大大地增大了飛行器的雷達散射截面。工程實踐中使用了各種各樣的修補方式，如鉚接修理和加強板修理、止裂孔等[2]。現役先進隱身戰機的隱身性能主要體現在目標對于雷達波的隱身，即雷達散射截面(Radar Cross-Section，RCS)的大小[3]。因此，當飛行器蒙皮修復完畢之后，對修復處進行RCS快速檢測是十分必要的。目前對于RCS的檢測手段主要分為近場檢測與遠場檢測2種[4]。遠場由于對場地要求高不易適用于現場評估。近場測量又分為平面采樣、柱面采樣和球面采樣3種。球面采樣最為精確[5]，但因為采樣耗時最長而難以應用在實時的工程應用場合。

Lahaie I. J.[6-7]提出了一種可靠的球面波環式掃描近遠場變換方法，實現了在近場使用一維環式掃描獲得的近場數據求得目標體遠場散射數據。另外，Lahaie I. J.[8]還論證了該方法在非全角度掃描下獲得可靠的遠場數據以進行檢測RCS的可行性。

由于Lahaie I. J.的理論算法中使用了特殊函數(Bessel函數、Hankel函數)，在仿真環境下該函數由軟件系統進行了封裝，無法移植性到其他系統，不方便工程應用。因此，本文推導了近遠場變換的步驟，在仿真分析過程中對特殊函數進行逼近，將球面波環式掃描近遠場變換算法進行了簡化。在算法仿真時，采用一個微帶天線進行破損模擬。

1 近場遠程變換算法

本文算法思想是通過對近場球面波回波函數和近場場強的乘積求和，其中近場檢測指的是在輻射近場區，即

(1)

式中，λ為微波的波長；D待測目標的實孔徑[9]。

再對波數求導構建近場球面波回波函數與遠場平面波回波函數的聯系，實現球面波的近遠場變換。使用ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar)檢測方式對目標體進行環式掃描檢測，該方式主要以待測目標固定不動，發射天線以掃描半徑圍繞目標體做圓周運動的方式進行掃描檢測，示意圖如圖1所示。

圖1 近場球面波環式近遠場變換局部掃描示意

1.1 近場數據預處理

空間點散射體近場回波函數為Green函數：

(2)

(3)

為探頭到散射點的絕對距離。

那么探頭作為接收天線，在不考慮探頭補償的情況下，探頭接收的近場回波函數為：

(4)

式中，γ(ρ′,f′)是散射點的近場場強分布函數，將sN(f,k)對波數k求導得：

(5)

為使計算簡便，將式(4)轉化為對頻率和對距離的2次傅里葉變換的形式：

(6)

有柱面波轉換式：

(7)

在工程應用中，當4k2>>α2時,

(8)

改變式(5)的積分對象后可變為：

(9)

文獻[10]中對漢克爾第一類函數的零階進行了如下漸進：

(10)

于是式(9)可進一步轉化為：

(11)

即為預處理后的近場數據。

1.2 遠場數據處理

散射點在遠場的回波信號可以看成是平面波，其遠場散射函數可以等效為：

(12)

又因為

(13)

于是有

(14)

因為室內近場多采用ISAR模式采樣，對式(13)中的近場部分進行一維離散傅里葉變換，得

(15)

于是，針對每一個采樣點的回波信號，可得

(16)

(17)

相卷積得出遠場分布。

由于式(17)中理論算法中使用了Bessel函數和Hankel函數，Hankel函數屬于特殊函數[11]，其在進行軟件仿真過程中，這2個特殊函數都是由軟件系統封裝，使得在實際應用環境下無法直接移植，不方便應用。本文從工程應用的角度對Hankel的核函數進行了適當的逼近，以提高算法的可移植性。

文獻[12]中的第一類Hankel逼近表達式為：

(18)

可將式(17)帶入式(16)，得到的核函數為：

(19)

由式(19)可見，如果將含有特殊函數的核函數逼近為由Gamma函數組成的核函數，將使得編程更容易實現。

最終，對于每個采樣點上獲得的近場數據的處理函數為：

SFF(n,k)=2π[kernel]*SN(n,k)。

(20)

將式(14)帶入式(19)，即可求得對應角度的遠場分布。再將式(19)的結果帶入下面的RCS公式：

(21)

即可求得遠場RCS值。

2 算法仿真分析

根據王培凌、周昊等[13-14]采用的破損結構模型，可以認為修補區域大小應為r=25.5 mm的破洞。因此，本文采用面積相近的中心頻率在2.45GHz的微帶天線進行電磁仿真。因HFSS是業界公認的三維電磁場設計和分析的工業標準[15]。本文使用HFSS對微帶天線進行建模如圖2所示。中心區域為金屬導體，模擬破損的修復區域。

圖2 微帶天線HFSS模型

微帶天線的遠場場強三維分布如圖3所示。

圖3 遠場電場三維分布

可以看出，該天線的主瓣區域主要集中在方位角為-75°～75°的區域，也是該天線輻射特征最明顯的范圍。使用近遠場變換得到的遠場電場與理論遠場電場的對比如圖4所示。

圖4 2種算法與近場遠場場強的比較

根據獲得的近場數據，通過近遠場變換得出漸進前和漸進后的算法的遠場分布并將其進行對比，可以發現圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)三者相幅值和包絡接近，證明該算法可行。漸進算法和通過理論遠場場強獲得的遠場RCS的對比圖。

圖5 球面波環式近遠場變換與遠場的對比

仿真結果表明，改進算法和HFSS生成的理論遠場分布曲線在0°～100°區域十分接近，在100°～180°最大差約為1.3 dB。由于飛行器的隱身特性主要體現在對雷達的前向隱身[16]，并且輻射特征主要是由散射的主瓣體現的。因此可以認為該算法可以在工程應用中使用。

3 結束語

本文通過數學手段對波數求導等手段實現了球面波與平面波之間的聯系，推導出了球面波環式掃描近遠場變換算法。使用漸進式后的核函數顯然具有更好的可編程性。使用Matlab和HFSS軟件求出一個模擬蒙皮破損區域大小的微帶天線的近場遠場電場特征。使用算法求解出其局部遠場方向圖，并將其與理論值進行了對比。通過仿真對比可以看出，漸進算法在主瓣區域具有較高的準確性，驗證了該算法具有較高的工程應用價值。

未來工作將主要集中在針對低輻射能量區域的誤差補償和對更復雜模型的RCS檢測上。完善該算法在復雜條件下的精確性。

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(AutomationDepartment,ShenyangAerospaceUniversity,ShenyangLiaoning110136,China)

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2016-12-08

TN955

A

1003-3106(2017)08-0079-04

徐 濤 男，(1971—)，副教授。主要研究方向：RCS測試技術、新型傳感技術。

王德毅 男，(1989—)，碩士研究生。主要研究方向：RCS測試技術。