低RCS目標雷達散射特性增強方法研究

徐頂國 魏子豪 駱盛 劉鈞圣 王軍 趙軍民

摘要：隱身飛機的出現對導彈的作戰能力提出了更高的要求，增大敵方目標自身雷達散射特性是未來導彈反隱身技術發展的一個重要方向。為了實現低RCS目標電磁增強，本文擬針對典型隱身飛機，基于電磁理論和導彈反隱身技術，設計了幾種不同的目標RCS增強方案；利用基于多層快速多極子算法（MLFMM）的FEKO軟件，計算、分析不同增強方案在低RCS目標載體上的RCS特性和增強效果，其結論為未來導彈反隱身技術和智能化導彈的發展提供參考。

關鍵詞：隱身飛機；反隱身；雷達截面積；多層快速多極子算法

中圖分類號：TN02文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.05.006

目前，美、日等國家已開始批量裝備第五代（美、俄稱謂）隱身戰斗機F-22、F-35，俄羅斯的第五代戰斗機蘇-57也已經服役，該類作戰飛機的最大優勢就是具有先進的隱身性能，不僅可以減小被發現的距離，還使全機的雷達散射特性大幅度減小，導致來襲導彈的脫靶率大大增大。以F-22為例，如圖1所示，取F-22的前向RCS為0.01m2，與前向0.1m2的作戰目標比較，在其他條件相同的情況下，前者的超視距空戰效能比后者高出5倍左右。

因此，迫切需要破解以F-22為代表的第五代戰斗機的隱身性能，快速提升對F-22等隱身飛機的防御、打擊和威懾能力。

對于極低RCS的隱身飛機而言，導彈如何能準確地實現搜索、跟蹤、攻擊低可探測性目標，增大敵方低RCS目標的散射特性是未來導彈反隱身技術和智能化導彈的一個重要發展方向。

鑒于反隱身技術的敏感性，從公開發表的文獻中，國外關于利用導彈技術來實現敵方自身目標特征增強研究的相關成果和論文很難檢索到。在國內，也沒有公開發表的類似基于導彈反隱身技術的目標特性增強研究[1-9]，本文擬針對典型隱身飛機，基于電磁理論和彈射技術，設計了幾種不同的RCS特性增強方案，并建立典型的低RCS外形數值模型；利用基于多層快速多極子算法（MLFMM）的FEKO軟件，計算、分析不同增強方案對某低RCS目標的RCS特性和RCS增強效果，其方案和結論為未來導彈反隱身技術和智能化導彈的發展提供參考。

1研究理論

1.1計算方法

本文采用多層快速多極子算法（MLFMA），該方法是一種快速有效地求解電磁散射的方法，具有計算能力穩定、速度快、精度高等特點[7-10]。通過多層快速多極子方法求解混合積分方程（CFIE）并選擇RWG型基函數計算目標表面電流分布，采用式（1）～式（3）計算散射場和雷達截面積（RCS）：

利用基于基于多層快速多極子算法的FEKO軟件進行計算。采用遠場平面波照射，計算類型為單站RCS，極化方式為水平極化（HH）和垂直極化（VV），計算方位角為0°～180°，計算步長為1°，其中0°方位角定義為電磁波從機頭沿飛機軸線向后照射。

1.2計算結果驗證

為了驗證該多層快速多極子算法方法對尖點繞射尖點、前緣行波散射、表面縫隙等弱散射的精度。設計了一個低RCS載體[4]，如圖2所示。擬通過理論計算和試驗兩種方法對比分析不同橫向縫隙在±15°內的RCS誤差范圍。

圖3給出了9.41GHz頻段仿真和試驗數據。從計算和試驗結果對比可以看出，在方位角±15°范圍，兩種橫向縫隙的RCS值變化基本趨于一致。說明該理論算法和計算結果是正確可行的。

由于縫隙散射和彈坑散射都屬于弱散射范疇，故該方法對彈坑等散射特性的仿真計算，也同樣是適用的。

2電磁增強方案和仿真對比分析

為了評估不同的低RCS目標電磁特性增強方案，需要設計一種雷達散射量級同F-22前向等效的低RCS目標載體數模模型進行方法研究。在典型杏仁核外形的基礎上，設計低散射外形模型，如圖4、圖5所示。利用上述方法的FEKO軟件進行仿真優化設計，其在X波段上，控制其RCS低于-30dBsm。

在其低RCS載體平臺上，開展不同彈RCS增強方案對低RCS載體的雷達散射特性和RCS貢獻研究。

（1）單球方案

在低散射平臺上設置20mm直徑小球，浸入一半的體積。通過仿真計算，在X波段，方位角±15°，俯仰角0°，其RCS均值為0.0021m2，如圖6所示。

（2）雙球方案

在低散射平臺上設置兩個小球端射的情況。通過仿真計算，在X波段，方位角±45°，俯仰角0°，其RCS均值0.0044m2，如圖7所示。

若增大端射小球間距，RCS均值略有降低，約0.0041m2，如圖8所示。

（3）多球方案

在低散射平臺上設置10個小球，位置隨機分布。通過仿真計算，在X波段，方位角±45°，俯仰角0°，其RCS均值0.014m2，如圖9所示。

（4）多六面體彈孔方案

如果將缺陷設為彈孔形式，則RCS增強效果不明顯。 10個六面體彈孔的計算模型及計算結果如圖10所示，其位置、角度隨機。整體均值在0.004m2左右，若要達到預期的增強效果，需進一步增加缺陷的數量。

（5）表面電磁缺陷方案

橫向縫隙缺陷對RCS的增強效果分析。當目標表面形成縫隙缺陷時，表面行波在縫隙處由于電磁不連續而產生后向回波散射。縫隙散射與縫隙的間隙、臺階以及深度存在一定的相關性。本節對典型縫隙進行仿真計算。

設置6種不同參數的狀態如下：（1）0.2mm寬，0.5mm深（淺裂紋）；（2）0.5mm寬，0.5mm深；（3）0.5mm寬，2mm深（蒙皮砸穿）；（4）1.5mm寬，2mm深；（5）0.2mm寬，2mm深，0.5mm臺階；（6）0.2mm寬，2mm深，1mm臺階。

在低散射平臺上設置縫隙，縫隙長度300mm，并對局部網格加密，如圖11所示在低散射平臺上設置縫隙及局部網格加密示意圖。各狀態RCS計算結果如圖12所示。

由計算結果可知，0.2mm寬度縫隙，X波段RCS約-30dBsm。增大縫隙寬度，導致RCS增大。當縫隙寬度增大至1.5mm，產生RCS峰值-26dBsm。另一方面，增大臺階，RCS迅速增大。對于0.2mm縫隙，臺階1mm，RCS可達-22dBsm。

在RCS特性上，縫隙在前向方位上產生峰值，超過一定方位角后，RCS迅速下降，增大效率不高。

3結論

通過對比分析幾種不同RCS增強方案的仿真結果，可以得出以下結論：在同一方位角方向上射擊，采用端射可以有效增強該方位上的RCS；采用彈頭形狀的RCS增強效果比采用彈孔的RCS增強效果要好；彈頭分布密集的RCS增強效果比彈頭稀疏的RCS增強效果要好；采用多邊形狀彈坑的RCS增強效果優于球形的RCS增強效果；電磁缺陷對低RCS目標前向具有RCS增強效果。

參考文獻

[1]桑建華，周海.隱身技術推動新一代飛行器發展和技術進步[J].航空科學技術，2014，23（4）：2-7. Sang Jianhua，Zhou Hai. Stealth technology promoting the new generation aircraft design technology[J].Aeronautical Science& Techology，2014，23（4）：2-7.（in Chinese）

[2]鄧洪偉，尚守堂，金海，等.航空發動機隱身技術分析與論述[J].航空科學技術，2017，28（10）：1-7. Deng Hongwei， Shang Shoutang， Jin Hai， et al. Analysis and discussion on stealth technology of aeroengine[J]. Aeronautical Science & Techology，2017，28（10）：1-7. （in Chinese）

[3]桑建華，周海.飛行器表面電磁缺陷及雷達吸波材料應用[J].航空材料學報，2003，23（2）：51-55. Sang Jianhua，Zhou Hai. The electrom-agnetic discontinui-ties of the aircraft surface and an application of the radar absorbing materials[J]. Journal of Aeronautical Materials，2003，23（2）：51-55.（in Chinese）

[4]桑建華.飛行器隱身技術[M].北京：航空工業出版社，2013. Sang Jianhua. Aircraft stealth[M]. Beijing： Aviation Industry Press，2013.（in Chinese）

[5]桑建華，張宗斌，王爍.低RCS飛行器表面弱散射源研究[J].航空工程進展，2012，3（3）：257-262. Sang Jianhua，Zhang Zongbin，Wang Shuo. Research on the radar cross section of weak scatters on stealth vehicle[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering， 2012，3（3）：257-262.（in Chinese）

[6]張鈺.表面電磁缺陷散射建模及其RCS縮減研究[D].西安：電子科技大學，2016. Zhang Yu. Research on scattering modeling and radar cross section reduction of electromagnetic discontinuities on surface[D].Xian：University of Electronic Science and Technology of China，2016.（in Chinese）

[7]張揚，艾俊強，王健，等.隱身飛機機身側棱電磁散射特點分析[J].航空工程進展，2017，8（1）：17-22. Zhang Yang，Ai Junqiang，Wang Jian，et al. Analysis on electromagnetic scattering characteristics of fuselage lateral edge on stealth aircraft[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering， 2017，8（1）：17-22.（in Chinese）

[8]張宗斌，陳益鄰，高正紅.三維復雜目標求解的多層快速多極子方法[J].南京航空航天大學學報，2007，39（2）：222-226. Zhang Zongbin，Chen Yilin，Gao Zhenghong. Mlfma for solution of 3D complex object[J].Journal of Nanjing University ofAeronautics &Astronautics，2007，39（2）：222-226.（in Chinese）

[9]阮穎錚.雷達截面與隱身技術[M].北京：國防工業出版社，2001. Ruan Yingzheng. Radar cross section and stealth technology[M]. Beijing： National Defense Industry Press， 2001. （ in Chinese）

[10]Brett S N. Lockheed Martians affordable stealth[M]. USA：National Press Club，2000.

（責任編輯王昕）

作者簡介

徐頂國（1985-）男，博士，高級工程師。主要研究方向：飛行器總體設計與武器系統總體設計。

Tel：18182420878

E-mail：xudingguo2003@126.com

魏子豪（2001-）男，學士，主要研究方向：自動化。

駱盛（1986-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：武器系統總體設計。

劉鈞圣（1979-）男，碩士，研究員。主要研究方向：導彈武器系統總體研究。

王軍（1977-）男，博士，研究員。主要研究方向：空地導彈武器系統研究。

趙軍民（1980-）男，碩士，研究員。主要研究方向：空地導彈武器系統研究。

Study on the Method to Enhance the Scattering Characteristics of the Low RCS Targets

Xu Dingguo1，*，Wei Zihao2，Luo Sheng1，Liu Junsheng1，Wang Jun1，Zhao Junmin1

1. Xian Modern Control Technology Research Institute，Xian 710065，China 2. Beihang University，Beijing 100191，China

Abstract： The emergence of stealth aircraft puts forward better requirements for the combat capability of missiles. Increasing the scattering characteristics of enemys stealth aircraft is an important development direction of antistealth technology of the future missile. In order to enhance the scattering of the low RCS target， this paper is based on electromagnetic theory and anti-stealth technology of missile， several different enhancement schemes are designed. The scattering characteristic and the enhancement effect at deferent band and azimuth are calculated and analyzed with FEKO software， based on multilevel fast multiple method （MLFMM）. The conclusion provides reference for the development of anti-stealth technology and smart missile in the future.

Key Words： stealth aircraft； anti-stealth； RCS； MLFMM