金屬介質混合無人機目標強散射區域研究

(空軍預警學院， 湖北武漢 430019 )

0 引言

在現代軍事戰爭中，無人機作為新一代飛行作戰平臺，可以對戰場環境進行臨空偵察，對重要目標實現快速發現、抵近和摧毀。為了提高無人機的生存和突防打擊能力，隱身技術在無人機上得到了廣泛的應用。目前隱身技術主要分為隱身外形設計和雷達吸波材料(RAM)涂敷[1-2]。無論是采用外形技術降低目標的雷達散射截面(RCS)，還是對其表面涂覆RAM，飛行器目標RCS的評估分析和掌握目標的強散射區的分布情況是十分重要的。

許多學者對飛行器目標強散射區的提取和局部RAM涂敷進行了研究。文獻[3]采用物理光學法計算了復雜目標的主要回波源，并分析了RAM涂覆后的散射特性。文獻[4]提出了二維高分辨成像及散射中心提取技術，實現了對隱身飛機散射特性的快速分析。文獻[5-6]用高階矩量法仿真分析了介質涂覆目標的雙站散射特性，為介質涂覆材料在導彈上的設計應用提供了依據。文獻[7-8]基于射線追蹤法提出了一種確定復雜目標強散射區的方法，通過涂覆RAM實現了目標RCS的有效減縮。針對飛行器目標的RCS計算多集中于金屬結構，其散射特性分析和強散射區提取方法通?；谖锢砉鈱W、射線追蹤和邊緣繞射原理，此類分析方法通常忽略目標各部分相互間的藕合效應，雖然具有簡便、快速的特點，但僅適用于電大尺寸目標的電磁散射問題，并且對于幾何構形復雜或金屬介質混合目標則存在一定困難。而無人機多采用金屬介質混合目標，針對該類目標電磁散射特性分析的報道還相對較少。

為此，本文從機體等效面電流的角度出發，針對無人機具有內部金屬結構和薄介質外殼的特點，基于薄介質金屬(TDS-PEC)表面積分方程方法，建立無人機散射問題的電磁場積分方程，通過矩量法求解得到了無人機的面電流分布，仿真分析了ABS塑料、木材和玻璃鋼三種典型介質材料為外殼的無人機散射特性，基于其單站RCS和在典型入射方向上的等效機體面電流分布情況確定強散射區。通過在強散射區涂覆RAM，給出了針對不同介電常數機體外殼的RCS減縮方法，有效地降低了機體面電流分布情況，實現了良好的RCS減縮效果。

1 RAM涂覆目標RCS計算理論

1.1 基于薄介質結構的表面積分方程

在雷達常用的L、S、C波段，無人機的介質外殼厚度一般都遠小于介質波長，薄介質上的場在介質剖面上可認為是常數。針對這種薄介質層結構，采用TDS-PEC表面積分方程方法相比于其他全波分析方法，對于計算具有涂覆介質的金屬結構目標時，其計算量可以大大減少[9]。

對于無人機內部金屬，其表面的電場積分方程可表示為

(1)

(2)

式中，k為自由空間的波數。

對于常規電介質材料的薄機體外殼，其相對磁導率為μr=1，故忽略介質中等效磁流對散射方程的影響，同時認為機體外殼為封閉的殼體，其邊緣效應可以忽略，則薄介質中的TDS表面電場積分方程可表示為

(3)

式中,τ為薄介質外殼的厚度，Jd為介質殼體上的極化電流，考慮其沿表面同時存在法向分量和切向分量，εr為介質殼體的相對介電常數，Sd表示介質表面。

對于具有吸波特性的超材料介質，其相對磁導率為μr≠1，介質中等效磁流對散射方程的影響不可忽略。但其涂覆在閉合金屬結構上，則有薄介質中電場的切向分量和磁場的法向分量可以忽略，則閉合金屬涂覆吸波超材料的電場積分方程可表示為

(4)

將式(1)、式(3)、式(4)組成聯立方程，根據矩量法對其用RWG基函數進行離散和加權后得到一系列的矩陣方程，然后在求解該矩陣方程得到所需要的電流系數，即可求得介質和金屬上的面電流分布情況。其有效性和準確性在文獻[10-11]中進行了驗證，本文直接采用該方法對金屬介質混合材料無人機的面電流分布情況進行分析。

1.2 RCS計算

雷達散射截面的一般表達式為

(5)

式中，Esc表示散射電場，Einc表示入射電場。其中基于TDS-PEC方法求解的散射場可表示為

(6)

1.3 RAM參數設計

具有金屬背板的單層RAM吸波涂層對于單頻點電磁波具有良好的吸波性能，結構如圖1所示，主要設計參數為復介電常數ε、復磁導率μ和涂覆厚度d，其中涂覆厚度一般小于1/4波長，復磁導率一般復值模小于10，幅角小于45°[12]。具體參數可通過傳輸線理論進行設計。

圖1 涂覆單層吸波示意圖

根據正入射條件下的傳輸線理論，從吸波層表面看向區域3的輸入阻抗為

(7)

吸波層表面的電壓反射系數為

(8)

當反射系數Γ=0時，有Zin=Z1。當區域3中為金屬時，其特性阻抗Z3=0，根據式(7)可以得

(9)

當區域2中的介質參數μr，εr和d滿足方程(9)，則入射波通過區域2時，被區域2完全吸收。

當區域3為空氣時，其特性阻抗與區域1相同，即Z3=Z1，當反射系數Γ=0時，根據式(7)可以得

(10)

則入射波通過區域2時具有透射和吸波特性，而不具有反射特性。

2 典型介質材料外殼的散射特性分析

采用TDS-PEC方法對ABS塑料、木材和玻璃鋼三種典型介質材料為機體外殼的金屬介質混合無人機目標進行了計算，給出垂直極化波入射條件下，水平方位面上的單站RCS仿真結果。在實際作戰過程中，無人機的巡航和突防是最主要的兩個階段，巡航時，飛機一般作側向平飛運動，飛機的側向暴露給雷達；而在突防過程中，飛機的鼻錐方向是威脅最大的方向，且這兩個方向下的無人機單站RCS具有較大值。因此將這兩個方向作為典型入射方向進行分析，根據該入射條件下的等效面電流分布情況作為強散射區提取的依據。相對于無人機體坐標系電磁波入射方向如圖2(a)所示，入射波從水平方位面內入射，俯仰角為0°，方位角為φ。當φ=0°時，入射波從機頭方向入射；當φ=90°時，入射波從機身側向入射；當φ=180°時，入射波從機尾方向入射。

假設金屬介質混合結構無人機身長為1.20 m，翼展為1.06 m。無人機外殼采用介質材料，厚度為5 mm，內部器件為金屬結構。利用Solidworks軟件建立三維金屬介質混合材料無人機模型，通過Hyermesh對模型簡化和修復，并產生仿真計算所需的高質量網格[13]，其內部剖面結構如圖2(b)所示，灰色部分為介質機體外殼，黃色部分為內部金屬結構。仿真分析該目標垂直極化入射條件下的單站RCS，計算頻點為3 GHz。

(a) 整機圖

(b) 內部剖面圖圖2 無人機結構模型

2.1 ABS塑料

ABS工程塑料為最為常見的機體外殼材料，其質量輕，易加工和塑形，是透射性良好的介質材料，其典型的相對介電常數εr=1.5,tanδ=0.001。對ABS塑料材質為機體外殼的金屬介質混合無人機進行仿真。其水平方位面上的單站RCS結果如圖3中實線所示，可以看出，其主要反射方向為0°，90°，180°，其中0°方向上的散射主要由機頭金屬部件產生，90°方向上的散射主要由機身側面金屬結構產生，在180°方向散射主要由機尾電機產生，65°方向散射由機頭、機身中部結構在該方向的散射同相疊加產生。

圖3 涂覆RAM后無人機單站RCS減縮效果比較

仿真分析垂直極化波沿機頭方向入射時激勵的機體面電流分布如圖4(a)所示，沿機身側向入射時激勵的機體面電流分布如圖4(b)所示。通過對機體面電流的比較分析發現，機身面電流在機體內部金屬部件上分布較強，散射主要由機體內部的金屬零件產生，在介質結構機體外殼上并未形成較大的面電流分布，其對目標RCS貢獻較小。在機頭方向入射時，在機體各個內部金屬部件的前端產生了較大的面電流分布，在機身側向入射時，在機體內部各金屬部件的側面產生了較大的面電流分布，因此確定強散射區為機體內部金屬結構。

(a) 機頭方向入射

(b) 機身側向入射圖4 ABS材質無人機的面電流分布

為進一步驗證，ABS金屬混合材質無人機的強散射貢獻區為機體內部金屬部件，根據2.2節設計一種工作在3 GHz的薄RAM材料，其RAM參數為：相對介電常數εr=16∠30°, 相對磁導率μr=25∠20°, 涂敷厚度d=2.6 mm，該參數滿足式(3)，使其對3 GHz頻點的入射波具有良好的吸波效果。

仿真分析RAM涂敷在機體內部金屬后的無人機散射特性，水平方位面上的單站RCS結果如圖3中虛線所示，可以看出，在大多數角域的單站RCS減縮效果明顯。在0°方向上RCS降低了 -19.2 dB，在90°方向上RCS降低了-5.2 dB，在180°方向上RCS降低了-12.8 dB。在40°和120°角度上RCS 降低較小，可能的原因是部分金屬結構的邊緣為直角結構，RAM涂覆在金屬棱邊處時的吸波性能較差，導致RCS減縮效果不佳。無人機等效面電流分布情況如圖5所示，其中在機頭方向入射時激勵的機體面電流分布如圖5(a)所示，在機身側向入射時激勵的機體面電流分布如圖5(b)所示。可以看出，RAM涂覆明顯降低了內部金屬部件上的等效面電流分布情況。對于低介電常數的介質材料，薄機體外殼主要成透波特性，在機體外殼上形成的等效面電流分布較弱，針對機體內部金屬部件的RAM涂覆可以實現良好的RCS減縮效果。

(a) 機頭方向入射

(b) 機身側向入射圖5 機體內部涂覆RAM后無人機面電流分布

2.2 木材

木材為傳統的機體材料，具有良好的韌性且不易變形，能在較大的溫度范圍內保持良好的材料特性，干燥的木材是透射性良好的介質材料，其典型的相對介電常數為εr=2.8,tanδ=0.002。針對機體外殼為木材的金屬介質混合無人機，仿真分析其在水平方位面內的單站RCS。仿真結果如圖6中實線所示，可以看出，其主要反射方向為0°,30°,70°,90°,150°和180°，其中0°方向散射主要由機頭金屬部件產生，30°和70°方向上的散射主要由機身側面和機身機翼前沿交匯處產生，90°方向散射主要由機身側面產生，150°方向散射由機身中部金屬部件和機尾電機在該方向的散射同相疊加產生，180°方向散射主要由機尾電機產生。

圖6 涂覆RAM后無人機單站RCS減縮效果比較

垂直極化波在機頭方向和機身側向入射時激勵的機體面電流分布如圖7(a)、(b)所示。通過對機體面電流的比較分析發現，機身面電流在機體內部金屬部件上分布較強，RCS強反射部位主要通過機體內部的金屬零件完成，在機身側面和機身機翼前沿交匯處，以及介質材料垂尾上形成了較強的等效面電流分布，在介質結構的機翼上并未形成較大的面電流分布，機體外殼整體對RCS貢獻較小。在機頭方向入射時，在機體各個內部金屬部件的前端和介質材料垂尾上產生了較大的面電流分布，在機身側向入射時，在機體內部各金屬部件和機身圓柱的側面產生了較大的面電流分布，因此確定強散射區為機體內部金屬、機身側面和機身機翼前沿交匯處和垂尾部分。

(a) 機頭方向入射

(b) 機身側向入射圖7 木材材質無人機的面電流分布

為了實現RCS減縮效果，降低機體上產生的等效面電流分布，在強散射區涂覆RAM，其參數與2.1節中的RAM參數相同。其水平方位面內的單站RCS結果如圖6中虛線所示，可以看出，在大多數角域的單站RCS減縮效果明顯，在散射較強的幾個方向上均實現了-7 dB以上的RCS減縮效果。只是在40°和120°角度上RCS 降低較小，與2.1節中相類似。無人機等效面電流分布情況如圖8所示，其中在機頭方向入射時激勵的機體面電流分布如圖8(a)所示，在機身側向入射時激勵的機體面電流分布如圖8(b)所示。可以看出，RAM涂覆明顯降低了強散射區上的等效面電流分布情況，實現了良好的RCS減縮效果。

(a) 機頭方向入射

(b) 機身側向入射圖8 機體內部涂覆RAM后無人機面電流分布

2.3 玻璃鋼

除了低介電常數的薄介質材料，玻璃鋼常作為無人機機體外殼來改善機體強度，其具有質輕而硬、不導電、機械強度高、耐腐蝕等特性。由于所使用的樹脂和纖維材料不同，材料的電參數差異較大，且具有較大的介電常數和損耗正切值。這里選取一種常用的環氧樹脂玻璃纖維作為機體外殼，其典型相對介電常數為εr=4.5,tanδ=0.005。對金屬介質混合無人機的水平方位面內的單站RCS進行仿真，仿真結果如圖9中實線所示，可以看出，由于金屬外殼的散射特性增強，無人機在多個入射方向上均具有較強的散射特性。

圖9 涂覆RAM后無人機單站RCS減縮效果比較

(a) 機頭方向入射

(b) 機身側向入射圖10 玻璃鋼材質無人機的面電流分布

機體面電流分布如圖10所示，當入射波從機頭方向入射時形成的機體面電流分布如圖10(a)所示，當入射波從機身側向入射時形成的機體面電流分布如圖10(b)所示。通過對機體面電流的比較分析發現，機體外殼介質的相對介電常數升高，其散射作用更加明顯，在機體外殼上形成的等效面電流變大，其對RCS的貢獻不可忽略。在機頭方向入射和機身側向入射時，由于機體外殼的散射和耦合作用，機身內部金屬部件的前端和側向均產生了較大的面電流分布，且在介質材料的垂尾和機翼上也形成了較強的面電流分布。

為了降低玻璃鋼金屬混合材質無人機的RCS，根據其介質機體外殼的等效面電流分布特性，提出3種RAM涂覆方式，方案1只對內部金屬部件上涂覆RAM材料，其參數與2.1節中的材料參數相同。方案2對全機身涂覆具有金屬襯底的RAM材料，方案3在機體內部涂覆RAM，同時在機體外殼中添加鐵氧體粉末，增加材料的相對磁導率[14-15]，設機體外殼的相對磁導率與相對介電常數相等，通過式(10)可以看出，此時材料的反射特性較小,主要體現為透射或吸波特性。

(a) 機頭方向入射

(b) 機身側向入射圖11 機體內部涂覆RAM后無人機面電流分布

仿真分析3種方案的RCS減縮性能，對于采用涂覆方案1的無人機，其在水平方位面上的單站RCS仿真結果如圖9中的紅色圓圈標記的虛線所示。在機體外殼材質的相對介電常數較高時，只對內部金屬部件涂覆RAM的減縮效果并不理想，在30°,60°,90°和140°等方向上幾乎沒有減縮效果。對其在機頭方向入射和機身側向入射時形成的機體面電流分析如圖11所示，可以看出相比于低相對介電常數的介質，方案1仍在玻璃鋼材質的機體外殼上形成了較大的面電流分布情況，其對RCS的貢獻較大，僅對機體內部金屬部件無法實現較好的RCS減縮效果。

采用減縮方案2的無人機，其在水平方位面內的單站RCS仿真結果如圖9中藍色倒三角標記的虛線所示，其整體RCS減縮效果略好于方案1，但在30°,90°,140°方向上的減縮效果較差。在機頭方向入射和機身側向入射時形成的機體面電流如圖12所示，方案2降低了無人機整機的面電流分布效果，但大尺寸的介質機體外殼均對RCS產生了貢獻。在機頭、機翼前緣和機身外殼側向部位存在曲率變化較大區域，該部位上RAM的吸波效果較差，雖然對整機進行了RAM材料涂覆，但其帶來的減縮效果并不明顯，且全機涂覆需要較高的RAM材料成本。

(a) 機頭方向入射

(b) 機身側向入射圖12 全機身涂覆RAM后無人機面電流分布

對于采用涂覆方案3的無人機，其在水平方位面上的單站RCS仿真結果如圖9中的綠色正三角標記的虛線所示，其整體RCS減縮效果相比于方案1、2更為明顯，在0°方向上RCS降低了-22.0 dB，在90°方向上RCS降低了-7.9 dB，在180°方向上RCS降低了-5.8 dB。對其在機頭方向入射和機身側向入射時形成的機體面電流分析如圖13所示，由于調整了機體外殼材料的相對磁導率，改善了介質結構機身對電磁波的透射性能，使其機身上形成的等效面電流大大降低，使得對RCS貢獻的等效面電流分布集中在內部金屬部件上，并通過涂覆RAM的方式進行集中吸收，最后實現了良好的RCS減縮效果。

(a) 機頭方向入射

(b) 機身側向入射圖13 透射性材料機體外殼和內部涂覆RAM后無人機面電流分布

3 結束語

本文從機體等效面電流的角度出發，針對無人機具有內部金屬結構和薄介質外殼的特點，基于TDS-PEC方法建立無人機散射問題的電磁場積分方程，通過矩量法求解得到了無人機的面電流分布，分析其單站RCS特點和在典型入射方向時的等效機體面電流分布情況，并確定強散射區。通過對強散射部位涂敷RAM材料，降低了機體面電流分布，實現了良好的RCS減縮效果。當機體外殼的介電常數較低時，其強散射區主要集中在內部金屬結構上，隨著介電常數的增加，其薄介質外殼對RCS的貢獻不可忽略，并在殼體上形成新的強散射區。通過改善非金屬材質機體外殼的透射性，使得強散射區域集中在具有RAM涂覆的內部金屬結構上，相比于全身RAM涂覆，實現了良好的RCS減縮效果的同時，減少了RAM的涂覆成本，研究結果對無人機的隱身設計具有參考意義。