有源RCS及其應用

謝擁軍, 高 杰,*, 武沛羽, 牛立強

(1. 北京航空航天大學電子信息工程學院, 北京 100191;2. 泰山學院物理與電子工程學院, 山東 泰安 271000)

0 引 言

復雜戰場環境的一個顯著特點是多輻射源的同時存在。戰場上的雷達目標除了探測雷達的照射,同頻段的有意或無意的電子對抗、通信、導航等信號也可能照射到雷達目標上,或直接進入雷達,這一類多輻射源一般為非相干信號。而有意識利用的多輻射源,如分布式相參雷達技術、有源對消隱身技術等對于雷達目標的照射則為相干信號。因此,多輻射源照射下雷達目標散射特性的研究對于復雜環境下雷達探測、分布式相參雷達設計和有源對消隱身設計技術等都具有重要的理論意義和實際應用前景。

國內外學者對目標的電磁散射特性及其雷達散射截面(radar cross section, RCS)進行了大量的研究,但很多是從提高運算效率方面進行研究,如矩量法、有限元法、物理光學法、時域有限差分法等,研究目標的形狀、材質、表面粗糙度、電磁波的頻率和極化特性對目標RCS的影響。有學者采用目標形狀的隨機性研究了目標RCS的隨機特性。有源隱身是解決目標隱身問題最直接最有效的方法,以上均未解決目標在多輻射源照射下其電磁散射特性問題。文獻[16-17]率先在國內開展了目標半空間RCS的研究,通過采用圖形電磁學結合物理光學法計算方法,研究了半空間目標的RCS,解決了低空目標電磁隱身問題。近年來,有些國際學者利用信噪比,從功能上研究了目標雷達回波功率。但是,未從信號級目標多輻射源電磁散射特性方面給出具體的仿真和計算方法。

綜上所述,雖然很多研究者都已關注多輻射源對于目標特性的影響,但還沒有一個嚴格定義的定量化參數,可用于雷達、隱身和電子干擾的設計,尤其是對于多相干信號源照射的情況。因此,針對這一需求,文獻[32-35]初步形成了有源RCS(active RCS, ARCS)的理論和應用成果,本文中也將系統介紹。本文為ARCS概念的綜述論文,首先給出了多輻射源情況下雷達目標散射特性——ARCS參數的定義、仿真計算方法,并介紹了分布式相參雷達系統中多相干信號同時照射下雷達接收到的目標ARCS特性的仿真分析,以及如何應用ARCS來進行有源對消隱身設計。

1 ARCS的定義和仿真方法

1.1 ARCS的定義

當同一目標體受到除雷達輻射源之外的其他輻射源照射時,與固有雷達波照射目標作用在目標體產生調制效應而造成的散射特性與目標體固有散射特性不同。復雜電磁環境中,目標體除了受到固有雷達發射的電磁波照射外,還受到同頻干擾機發射的電磁波照射,同時目標體表面的用頻設備也會主動輻射電磁波,目標體表面產生的感應電流是由固有雷達和多輻射源輻射的電磁波共同作用引起的。這種由非合作輻射源(同頻段的目標體外其他雷達、通訊設備以及目標體上的用頻設備)輻射的信號與目標體相互作用后,與探測雷達照射飛機的表面電流共同形成空間二次輻射,這種視在的RCS,對應于單個雷達照射下的目標的RCS,稱為ARCS。

根據以上描述,目標體ARCS的定義式為

(1)

式中:′為目標的ARCS;為雷達接收天線處目標散射回波的電場; 為由雷達輻射的電磁波在目標處的入射場強;為目標與雷達的距離,當趨于無窮大時表示雷達與目標之間的距離滿足遠場條件,此時的電磁波具有平面波的性質,消除了距離對雷達散射截面的影響。

目標的ARCS示意圖如圖1所示,與目標RCS(單站RCS)不同的是,這里的是雷達、多輻射源、目標上有源設備輻射的電磁波共同與目標體作用后產生的散射回波和天線直射波在雷達天線接收處形成的電場,圖1中 為多輻射源輻射的電磁波在目標處的入射電場。

圖1 ARCS兩種情況示意圖Fig.1 Two cases of schematic about ARCS

根據其定義,目標體的ARCS除了與目標的材料、幾何參數和物理參數、入射雷達波的參數、目標相對于雷達的姿態角有關外,多輻射源參數也起著非常重要的作用。

1.2 ARCS的仿真方法

在具體計算過程中,采用遠場量(具有電壓的單位)來求解場點的散射場,為場點處距目標的距離與此處電場的乘積,這個遠場量由仿真軟件直接計算可以得出,則場點處的散射電場為

(2)

將式(2)代入式(1)可得

(3)

由此可以看出,基于多輻射源的ARCS的值與散射場和入射場 有關,式(3)與距離無關,簡化了計算流程。下面給出了具體求解目標的ARCS時的流程。

(1) 繪制或導入目標的三維模型。

(2) 設置仿真條件。設置材料屬性,即目標材質,如鐵,鋁,鋅等;設置邊界條件;設置仿真頻率;設置激勵源,在多輻射ARCS仿真中,雷達入射波和多輻射源入射波均可以被設置為平面波、球面波、柱面波等;按要求設置入射波的方向、極化方式和初相位;設置天線的饋電相位和功率參數;設置目標的輻射方向,選擇目標體散射的方向角。

(3) 計算得到目標的遠場。

(4) 利用式(3)計算得到基于多輻射源的目標的ARCS。

2 多輻射源照射下雷達ARCS仿真分析

2.1 ARCS和RCS的一致性

為了在不同的應用中使用ARCS的概念,有必要論證ARCS和RCS的一致性。在文獻[32]中ARCS的概念通過一個金屬圓柱結構進行的仿真驗證,仿真結果如圖2所示。入射波 和 為頻率是1 GHz的平面波, 在平面上朝著軸斜向下入射, 為多輻射源,設置 =0驗證上面所提ARCS的計算方法與RCS的計算的一致性。是目標的散射場,金屬圓柱的半徑和高分別為0.75 m和1.5 m。

圖2 金屬圓柱模型的在不同Ei M照射下RCS和ARCSFig.2 RCS and ARCS with different Ei M of the metal cylinder structure

當為0°和90°時,ARCS最大為26.32 dB和16.28 dB,這是由于電磁波垂直入射時鏡面反射在后向散射中起著重要的作用。當=90°時,RCS和ARCS之間的誤差小于0.1 dB,在整個角度范圍內,RCS和ARCS的平均誤差為0.07 dB,因此RCS與ARCS具有高度的一致性。

2.2 入射源相干與非相干條件下的ARCS比較

為了進一步證明相干和非相干分布在不同相位的特性,在文獻[32]中,采用一個理想導體棱臺模型為例計算。棱臺模型參數如圖3所示,上下地面為邊長分別是0.3 m和1.5 m的正方形,模型高為1.5 m, 和 與上面仿真計算設置相同。

棱臺模型在多輻射源與雷達波相位之間存在同相、反相以及90°相位差的相干干擾和非相干干擾時的模型的ARCS如圖3所示。

圖3 棱臺模型的相干干擾與非相干干擾Fig.3 Coherent external disturbances and incoherent external disturbances of the prismatic model

可以看出,相干干擾與非相干干擾影響差別很大,在計算非相干干擾沒有考慮電場的相位,當雷達和多輻射源的后向散射場回波有相同的極化方式和相位時,總場的后向散射會顯著增強,當極化方式相同,相位相反,后向散射場減少。

分布式相參雷達利用多個雷達接收信號之間的相參合成處理,用于目標探測,雷達接收端的視在RCS也是雷達回波信號與多輻射源回波信號的相參合成。因此,這種情況下用于設計雷達系統的雷達方程中的RCS為典型的ARCS。圖4為飛機模型在不用角度入射的多輻射源與雷達信號相參情況下的目標的ARCS計算結果,其中理想導體的飛機模型尺寸大約為1.9 m×1.3 m,雷達波入射方向從下朝著軸正上方入射,多輻射源入射角度分別與軸負半軸成0°,30°,60°以及90°夾角,兩種入射具有相同的相位。可以看出,不同角度入射的多輻射源與相同的雷達信號相參對于目標電磁散射也會帶來巨大的改變。

圖4 飛機模型在不同角度入射的多輻射源照射下的ARCSFig.4 ARCS of aircraft mode lirradiated by multiple-radiators at different incident angles

3 應用ARCS概念進行有源對消隱身的仿真分析

空間中的兩個信號可能會產生相干干擾,從而使得合成信號變得更強或者更弱,有源對消利用目標的散射特性,利用目標本身自帶的有源設備設計對消信號,通過對消信號和雷達回波信號之間的干擾抵消來實現目標在特定方向散射場的減少。實際上,這是雷達照射波和目標上的對消輻射源共同對目標進行照射,造成雷達接收端的視在RCS恰好可以用ARCS描述。有源對消是ARCS概念的有一個典型應用場景,下文以一個飛機模型為例,在飛機模型上安裝兩個單級子天線,當目標被雷達信號照射的時候,目標表面的天線向著四周輻射能量,通過控制天線饋電的功率的大小以及相位特性,實現在朝著雷達方向上的散射場的減小,而用ARCS的概念可以用來評估有源對消的效果。

兩個單級子天線被放置在飛機模型正上方中間位置,如圖5所示,其中 和 分別是雷達波的入射電場和朝著雷達方向的散射場,雷達波與天線工作頻率均為1 GHz,雷達波入射方向為垂直軸向下,入射電場幅值為1 V/m。通過天線相位特征研究在不同天線饋電功率下使得朝著雷達方向的散射場最小。現將天線的功率分別設置為0.000 1 W, 0.001 W, 0.01 W和0.1 W進行計算討論,在兩個單級子天線中,其中一個天線的相位設置為180°,另外一個天線的相位從0°～360°設計成一個間隔為5°的變量,通過計算在天線不同相位和不同功率下目標的ARCS,得到一種使得朝著雷達方向散射場減少最多的情形。

圖5 天線不同功率激勵時隨著天線相位變化的飛行器模型 ARCS計算結果Fig.5 ARCS of aircraft model with antenna phase variation under different antenna feed power

當天線沒有激勵的時候,雷達入射波照射目標時單站RCS為19.27 dB,圖5給出了在天線不同功率與相位下目標的ARCS的計算結果。在天線功率分別為0.000 1 W, 0.001 W, 0.01 W 和0.1 W時,飛行器的ARCS最小分別為18.44 dB, 16.32 dB,-0.94 dB和18.54 dB,此時天線饋電的相位分別為350°, 350°, 345°和190°,與天線未激勵時目標的RCS相比,ARCS分別減少了0.83 dB, 2.95 dB, 20.21 dB和0.73 dB。

在有源對消的設計中,雷達接收端計算的視在RCS中的散射場包括雷達、多輻射源、目標上有源設備輻射的電磁波共同與目標體作用后產生的散射回波和天線直射波在雷達天線接收處形成的電場。從圖5的結果可以看出,在一定范圍內,隨著天線饋電功率的增大,ARCS值減小幅度較大。當天線功率增加到一定程度時,天線輻射的電場強度過大,導致有源對消效果不佳。該有源對消設計與評估方法對于較大RCS的目標更有效。

4 結束語

目標處在復雜電磁環境中會受到外界多輻射源以及自身用頻設備的干擾,基于評估此時目標電磁散射特性變化的要求,提出來ARCS的概念。本文綜述了ARCS的定義、仿真方法和應用示例,通過計算雷達端的視在RCS數值評估目標在受到多輻射源以及自身有源設備干擾時的電磁散射特性,利用ARCS定量討論了相干干擾與非相干干擾對于目標電磁散射的影響,并給出了有源對消的示例,用ARCS評估有源對消的效果,對于雷達隱身具有重要的意義。

隨著雷達設備的發展,ARCS的概念可以應用到更多的雷達體制中,這種相參合成的理念在雷達的多發單收、單發多收以及多發多收等方面都有著較多的應用。另外,現階段針對高頻的有源對消實現還較為困難,隨著技術以及電子設備的發展,針對中高頻雷達的有源對消這一研究方向必將有著飛速發展,不僅僅局限于利用天線實現有源對消,未來在隱身飛行器表面進行電磁能量和相位感知,利用不同有源設備對于來波方向的電磁能量進行消除,利用ARCS定量評估有源對消的結果,為實現目標的雷達隱身提供更多的方法。