機載投擲式角反射器陣列電磁散射特性分析

于群 張義 趙非玉 過凱 劉圓圓 班駁

（中國電子科技集團公司光電研究院, 天津 300308）

0 引 言

角反射器是一種用于形成雷達假目標的無源干擾裝置，一般由三面相互垂直的金屬平板或帶有金屬鍍層的非金屬平板組成.根據光學鏡面反射原理，入射的電磁波會產生三次反射，最終沿入射反方向返回，從而產生較高的雷達散射截面（radar cross section, RCS），能夠模擬比自身尺寸大得多的目標雷達散射特性，對雷達制導武器產生假目標干擾欺騙作用[1].角反射器自二戰(zhàn)時期一直發(fā)展至今，已發(fā)展出了多種結構形式，有擺放式及充氣式角反射器等，如英國橡皮鴨舷外充氣式角反射器等[2]，主要應用于地面及海面戰(zhàn)場，空中應用較少[3-4].

角反射器具有結構簡單、成本較低、RCS 大、頻段連續(xù)覆蓋無空白、干擾持久等優(yōu)點，因此在極化、頻寬、起伏等雷達特性方面與真實目標相似度高[5].并且通過不同結構形式的角反射器組合以及陣列排布，能夠實現(xiàn)對角反射器陣列全角域雷達散射特性的調控，從而達到對特定目標雷達散射特性進行模擬的目的[6].本文給出了一種新型角反射器陣列的結構設計，并通過仿真分析及模型樣件測試驗證了該角反射器陣列的雷達散射特性，可用于隱身飛機平臺投放并伴隨飛行，產生無源假目標干擾效果，對于防護隱身飛機平臺具有一定的應用價值.

1 角反射器及飛機RCS 特性分析

1.1 角反射器RCS 特性分析

角反射器主要為三面角反射器，按照各面的結構形式劃分包括三角形角反射器、方形角反射器以及圓形角反射器等，如圖1 所示.

圖1 三種主要角反射器結構Fig.1 Three main corner reflector structures

角反射器雷達散射特性的計算以惠更斯-費涅爾（Huygengs-Fresnel）原理為基礎[7]，采用幾何光學法求得RCS 為

式中：AT為與電磁波垂直的投影面積； λ為波長.計算后得到三種角反射器的最大RCS 為：

考慮三種角反射器全角域RCS 特性（如表1 所示），可以看出：三角形角反射器的RCS 雖然較小，但是其角度特性最好；方形角反射器雖然RCS 最大，但是其角度特性較差；圓形角反射器RCS 及角度特性較為均衡.因此，通過將三種角反射器進行組合設計，可以得到不同RCS 特性的角反射器陣列，以模擬特定目標[8].

表1 三種角反射器RCS 特性對比Tab.1 Comparison of radar scattering characteristics of 3 corner reflectors

1.2 典型飛機目標RCS 特性分析

飛機平臺作為空中主要作戰(zhàn)平臺，其隱身性能是一個非常重要的性能指標，直接影響飛機戰(zhàn)場生存能力，在飛機設計之初就會重點考慮[9].RCS 特性是隱身性能的重要指標之一，主要受飛機結構及蒙皮材料的影響，當前先進的飛機平臺都進行了雷達隱身設計.飛機平臺作為復雜目標，對電磁波的作用主要包含鏡面反射、邊緣繞射、尖頂繞射、爬行波繞射、行波繞射和非細長體因電磁突變引起的繞射等，如圖2 所示.而對于無隱身措施的常規(guī)飛機，其散射場包括反射和繞射場，主要是鏡面反射和邊緣繞射起作用[10].受飛機結構決定，其各方向雷達散射特性差異較大.當前隱身飛機均采用了機身氣動外形隱身、機翼氣動外形隱身、進氣道隱身以及表面縫隙隱身等多種措施，使得鏡面反射及邊緣繞射基本消失，有效降低了飛機平臺全角域的RCS.國內有學者對典型隱身飛機平臺F-35 及B-2 進行了三維數字建模并通過仿真分析了其在10 GHz 頻率的RCS 特性，結果如圖3 所示[11].可以看出，隱身飛機整體的RCS 特性較低，其中F-35 飛機前向RCS 最小，約為0.1 m2；后向RCS稍大，約為0 dB(1 m2)；側向受機翼及其他結構影響RCS 相對最大，達到13 ～15 dB（20～30 m2）.B-2 轟炸機除前側向RCS 較大外，基本在0 dB(1 m2)以下.

圖2 隱身飛機電磁波作用原理示意圖Fig.2 Schematic of electromagnetic wave action principle of stealth aircraft

圖3 典型隱身飛機平臺模型RCS 特性[11]Fig.3 RCS characteristic curve of typical stealth aircraft platform model[11]

因此，可以利用三種角反射器組合設計一種角反射器陣列[12]，對飛機平臺尤其是隱身飛機平臺的RCS 特性進行模擬，從而應用于飛機平臺自衛(wèi)防護.

2 角反射器陣列設計及RCS 分析

2.1 角反射器陣列設計

角反射器陣列結構組合理念是基于現(xiàn)有方形、圓形及三角形角反射器結構形式，并且陣列具備相對較高的側向RCS 和較好的飛行氣動特性，能夠具備與隱身飛機相似的雷達散射特性.角反射器整體基于氣動特性較好的圓柱形結構進行多級設計，通過不同結構形式的角反射器進行多級軸向疊加構成，達到對角反射器陣列側向RCS 增強的效果.

角反射器陣列結構如圖4 所示，整體設計為四級結構，前端第一級由四個圓形角反射器組成，根據角反射器RCS 理論公式計算得到0.1 m2對應邊長為50 mm；第二級由四個方形角反射器組成；第三級為八個三角形角反射器傾斜一定角度相互連接組成；尾部第四級同樣由四個方形角反射器組成.參考當前較為熱點的如“亮云”投擲式有源誘餌結構特點[13]，在第四級外部連接有折疊尾翼結構，貯存狀態(tài)時可折疊收納，在投放使用后自動展開，從而實現(xiàn)角反射器的快速調姿穩(wěn)定平飛并保持一定時間的慣性飛行，如圖5 所示.后三級角反射器周向半徑均與第一級保持一致以降低空氣阻力，軸向長度每級設定為100 mm，從而增加整體長度并提高飛行穩(wěn)定性.

圖4 角反射器陣列結構示意圖Fig.4 Corner reflector array structure

圖5 “亮云”投擲式有源誘餌結構示意圖Fig.5 The structure of “BriteCloud” active cast decoy

1）第一級角反射器是整個角反射器陣列在前向RCS 的主要貢獻單元，且是主要的空氣阻力受力部分，需要具備一定的RCS 及角度特性，且結構外形能夠具備減阻效果.因此選擇四個圓形角反射器組成第一級，以滿足RCS 特性及減阻需求.

2）第二級角反射器需要增強陣列在側向的RCS 特性，因此選擇RCS 最大的四個方形角反射器來組成第二級，并通過圓形平板與上下級進行連接.

3）第三級角反射器考慮對整個陣列在前側向及后側向的RCS 特性進行一定的補償，考慮隱身飛機平臺前后側向的RCS 并不突出，因此選擇角度特性最好、方便連接的八個三角形角反射器.其中四個向前側方傾斜，四個向后側方傾斜，在公共邊進行連接，組成第三級，并通過圓形平板與上下級進行連接.

4）第四級角反射器為整個陣列在后向RCS 的主要貢獻單元，選擇四個方形角反射器，并且在側邊連接有四個折疊尾翼，來幫助陣列在高速飛行狀態(tài)下保持平飛，并提高飛行穩(wěn)定性.

對角反射器陣列的第二、三、四級進行軸向加長，可以進一步提高角反射器陣列在側向的RCS 特性，并且通過多個相同的圓形平板進行上下級連接，使得陣列整體更加符合流線型設計，以減小飛行阻力.

2.2 基于CST 的角反射器陣列RCS 仿真分析

對四級角反射器陣列模型通過CST 電磁仿真軟件進行分析[14-15]，從第一級開始逐級疊加，從而分析每一級角反射器對于整個陣列RCS 特性的貢獻.

1）一級角反射器陣列RCS 特性分析

對第一級角反射器建模并進行仿真分析，角反射器邊長為50 mm，入射電磁波設定為遠場平面波，頻率選取為10 GHz，垂直極化方式，得到其前向RCS 特性曲線，結果如圖6 及圖7 所示.可以看出，在前向較寬的角度范圍內均能夠具備一定的RCS 特性，在0°附近的RCS 最大值約為?0.97 dB（0.8 m2）.

圖6 一級角反射器陣列仿真結果Fig.6 Simulation results of one stage corner reflector array

圖7 一級角反射器陣列周向RCS 特性Fig.7 Circumferential RCS characteristic curve of one stage corner reflector array

2）二級角反射器陣列RCS 特性分析

對第一級與第二級角反射器組成的陣列建模并進行仿真分析，第二級角反射器高度設定為100 mm，并選取φ=90°得到其周向RCS 特性曲線，結果如圖8 及圖9 所示.可以看出，由于二級角反射器陣列在第一級圓形四象限角反射器的基礎上增加了第二級圓底方形角反射器，陣列整體在側向的RCS 有了明顯提高，在90°附近RCS 最大值約為0 dB（1 m2）.

圖8 二級角反射器陣列仿真結果Fig.8 Simulation results of two stage corner reflection array

圖9 二級角反射器陣列周向RCS 特性Fig.9 Circumferential RCS characteristic curve of two stage corner reflector array

3）三級角反射器陣列RCS 特性分析對前三級角反射器陣列建模并進行仿真分析，第三級角反射器高度設定為100 mm，環(huán)繞對稱共計八個三角形角反射器彼此連接，并選取φ=90°得到其周向RCS 特性曲線，結果如圖10 及圖11 所示.可以看出，三角形角反射器的角度特性較好，陣列整體的RCS 有了一定提高，側向及前后側向的RCS 更加均勻.在0°附近RCS 最大值約為?0.97 dB（0.8 m2），在90°附近約為0.79 dB（1.2 m2）.

圖10 三級角反射器陣列仿真結果Fig.10 Simulation results of three stage corner reflection array

圖11 三級角反射器陣列周向RCS 特性Fig.11 Circumferential RCS characteristic curve of three stage corner reflector

4）四級角反射器陣列RCS 特性分析

四級角反射器陣列在三級陣列的基礎上增加了第四級圓底方形角反射器以及折疊尾翼結構.對四級角反射器陣列建模并進行仿真分析，高度同樣為100 mm，選取φ=90°得到其周向RCS 特性曲線，結果如圖12 及圖13 所示.可以看出，其中折疊尾翼對陣列RCS 特性影響不明顯，且第四級角反射器進一步增強了陣列在側向的RCS，在90°附近RCS 最大值約為7.08 dB（5.1 m2）.

圖12 四級角反射器陣列仿真結果Fig.12 Simulation results of four stage corner reflection array

圖13 四級角反射器陣列周向RCS 特性Fig.13 Circumferential RCS characteristic curve of four stage corner reflector

3 角反射器陣列RCS 測試驗證

3.1 陣列樣件遠場RCS 測試

依據四級角反射器陣列結構，采用不銹鋼材料制作等比模型樣件，因折疊尾翼對陣列RCS 的影響較小，對模型樣件進行簡化，不含尾翼部分.為保證焊接強度，樣件采用不銹鋼材質進行制作，制作完成整體質量約1 060 g.采用微波暗室遠場測試系統(tǒng)對角反射器陣列的RCS 特性進行測試.將模型樣件水平放在樣品臺上，樣件尖端正對天線方向，夾角為0°，選取頻率10 GHz，0°～180°周向角范圍，垂直極化方式進行測試并記錄數據，如圖14 所示.通過等比模型樣件的微波暗室遠場測試，得到了四級角反射器陣列周向的RCS 特性，如圖15 所示.可以看出，與仿真結果一致性程度較好，驗證了仿真建模分析的準確性.

圖14 角反射器陣列模型樣件RCS 遠場測試Fig.14 Far field RCS test of corner reflector array model sample

圖15 角反射器陣列模型樣件周向RCS 測試數據Fig.15 Circumferential RCS test data of corner reflector array model sample

3.2 角反射器陣列模擬目標RCS 特性效果分析

前文已經完成了角反射器陣列的數字建模，并基于CST 軟件完成了RCS 特性仿真分析，同時制作了等比模型樣件進行了微波暗室遠場測試，根據仿真及測試結果，與典型隱身飛機目標送RCS 特性進行對比，結果如表2 所示.

表2 隱身飛機與角反射器陣列RCS 特性對比Tab.2 Comparison table of RCS characteristics between aircraft and corner reflector arraysm2

通過對比可知，本文設計的四級角反射器陣列結構的RCS 特性與隱身飛機目標特性相似，均具備前后向RCS 較小、側向RCS 較大的特性.但因F-35 飛機側向RCS 較高，在使用時可通過增加疊加級數，并參考箔條干擾彈使用方法進行多發(fā)投放，對角反射器形成的RCS 以及假目標數量進行調整，同時配合飛機機動規(guī)避動作，以提高干擾效果.

4 結 論

本文首先對單個角反射器與隱身飛機目標的RCS 特性進行了分析，為通過角反射器陣列組合實現(xiàn)對隱身飛機目標RCS 特性的近似，設計了一種由四級角反射器單元組成的角反射器陣列.并針對其結構進行了仿真建模與RCS 特性分析[15-16]，同時制作等比模型樣件進行了微波暗室遠場測試，驗證了仿真分析的準確性并分析了與典型隱身飛機目標RCS 特性的近似效果.

當前大量裝備的脈沖多普勒（pulse Doppler, PD）雷達制導導彈導引頭主要通過相對徑向速度和目標雷達散射特性進行目標識別和跟蹤，該角反射器陣列結構通過投放能夠在空中保持一定時間的慣性飛行，從而形成與飛機近似的運動及RCS 特性，以干擾誘騙雷達制導武器，對于隱身飛機平臺末端自衛(wèi)防護具有較高實用價值和應用前景.