俯仰角对典型水面目标散射影响分析*

丁 凡

(中国舰船研究设计中心 武汉 430064)



俯仰角对典型水面目标散射影响分析*

丁 凡

(中国舰船研究设计中心 武汉 430064)

论文研究典型水面目标随俯仰角变化的RCS的空间特性,从舰船散射特点出发,分析不同散射特点的计算方法,详细分析射线追踪法、物理光学近似法及等效边缘电流法对假定水中舰船目标进行散射特性仿真计算,分析俯仰角对其散射特性的影响,分析典型峰值,得出典型水面目标的RCS特性随俯仰角的改变而发生改变的结论,俯仰角的散射量值与船体的构型、布局密切相关。

俯仰角; 雷达波散射截面; 射线追踪法; 物理光学近似法; 等效边缘电流法

Class Number TP273.2

1 引言

水面舰船是海战的主要生力军,其隐身性能对于提高舰船生命力具有至关重要的作用。水面舰船尺度基本在100m以上,面临威胁主要以反舰导弹为主[1]。随着探测技术的发展,反舰导弹由低空飞行,水平弹道向全方位发射、远程化攻击、超声速、弹道机动多变方向发展,如:白蛉在整个巡航段做爬升、蛇形机动、俯冲等各种机动,或采用大俯冲角攻击;捕鲸叉大约距目标约1.5km处,导弹突然跃升到一定高度,接着以大约30°的俯冲角度直扑目标,直至将其摧毁;俄罗斯的反冲弹道采取近乎垂直的角度高马赫速度直冲目标,现有的防空武器系统无法拦截[2]。目前常规水面舰船RCS评估主要针对反舰导弹掠入射、水平弹道威胁[3],反舰导弹的飞速发展,意味着未来舰船隐身是基于多入射角下的目标特征控制。

本文以典型水面目标为例,首先分析该目标的雷达波散射特点,基于其面临威胁的雷达探测频率、极化形式及角域,选用射线追踪法及物理光学近似法计算该典型水面目标的雷达波散射特性,分析其散射特性随方位角、俯仰角变化分布规律,可用于指导同类水面目标的雷达波散射特征控制[4～6]。

2 典型目标雷达波散射特点

假设有水面目标尺度大于100m,船宽20m,为外飘型单体船,上层建筑由艏部上层建筑、舯部上层建筑、艉部上层建筑三部分组成,上层建筑各侧壁均设置一定倾斜角。分艏部桅杆和艉部桅杆,桅杆尺度相同,侧壁均设置一定倾斜角。舯部上层建筑上设置由两座四方体烟囱排风口。该水面目标右舷有小艇收放部位开口,艏部甲板布置一座武器发射装置,艉部甲板上布有两座武器发射装置。

图1 假想舰船目标几何模型

舰船散射根据其散射原理划分,主要以镜面反射、腔体散射、耦合散射、边缘散射等组成。本文基于三角平面元网格模型,采用物理光学近似法(Physical Optics,PO)计算镜面散射贡献,采用射线追踪法(Shooting and Bouncing Ray,SBR)计算腔体散射、耦合散射散射贡献,采用等效边缘流法(Equivalent Edge Current,EEC)计算目标边缘散射贡献。

图2 舰船散射示意图

本文重点考虑水面舰船面临反舰导弹攻击,以空中威胁为主,威胁频率主要集中在X波段,实际作战时,水面舰船面临威胁区域为其整个上半平面,俯仰角覆盖范围为0°～90°。

3 计算分析方法

3.1 物理光学近似法

根据物理光学法,目标某一面元上的电磁场是入射到其上的场和按几何光学定律从面元反射出的场的向量和。

(1)

3.2 射线追踪法

别纯真年代了。你能离开许振平？离开你的宝贝许康？你们的分手不就是因为彼此的愧疚吗？你应该知道，人都是自己内心的囚徒。不管走再远，不管沿途风景多么美丽，最终都会疲惫地回到原地。

射线追踪法基于几何光学原理,将入射的均匀平面波划分为密集的射线管,高频电磁波的能量沿着细长射线管传播,每个射线管在腔体内经多次反射,最终返回口径处。射线经n次反射并积分后等到总的散射远场为

(2)

式中,ΔA为第i个射线管在积分面上的投影面积。

3.3 等效边缘电流法

边缘的EEC绕射场可表示为

(3)

图3 电磁散射计算过程示意图

4 计算实例与结果分析

4.1 计算实例

RCS仿真较为重要的一个步骤就是网格剖分。本文采用通用有限元网格处理软件hypermesh,对数字模型剖分为网格模型,再进行仿真计算,以减少仿真计算过程中对内存的消耗[7]。

图4 假想舰船目标计算网格模型

4.2 结果分析

图5 散射球形图

按照HJB180-1998,对仿真数据进行统计分析,并将0°～360°方位角舰船目标RCS值(dBsm)转换成m2求算数平均值[8～10],分析该舰船随俯仰角变化的RCS值变化,如图7所示。

由图6可以看出,该舰船RCS的平均值在0°～5°呈增大趋势,由0°俯仰角的24dB增加为5°俯仰角的49dB;6°～7°呈下降趋势,下降为29dB量值;8°～9°呈上升趋势,由38dB增至64dB量值;随着入射角的增加,在10°～44°俯仰角的区间RCS呈下降趋势,其中25°俯仰角时,RCS量值突增为31dB;45°～81°时RCS呈上升趋势,其中81°俯仰角是量值增加至33°;在81°～89°略有振荡;90°时量值突增至110dB。90°俯仰角的散射峰值是由于甲板大平板结构、上层建筑顶部平面结构造成的。对俯仰角9°、25°下散射量值较大的原因进行分析。

图6 典型水面目标随俯仰角的变化规律示意图

图7 10GHz、VV极化、9°俯仰角RCS曲线图

由图7可以看出,9°俯仰角时在±45°、±135°方位角产生散射峰值较大,超过80dB;在-135°～-45°方位角之间散射量值,量级在30dB左右;选取典型方位角-45°、-60°分析其表面电流分布。

图8 10GHz、VV极化、9°俯仰角、-45°方位角表面电流图

图9 10GHz、VV极化、9°俯仰角、-60°方位角表面电流图

由图8、图9表面电流图可以看出,±45°、±135°方位角的散射峰值是以上层建筑侧壁的镜面散射为主,小艇收放部位的腔体结构贡献了一部分量值。-135°～-45°方位角的散射峰值主要是由于小艇收放部位开口、及上层建筑边缘散射造成的。

图10 10GHz、VV极化、25°俯仰角RCS曲线图

由图10可以看出,25°俯仰角时,除特征方向峰值外,在±47°方位角产生散射峰值较大,超过50dB。选取典型方位角-47°分析其表面电流分布。

图11 10GHz、VV极化、25°俯仰角、-47°方位角表面电流图

由图11表面电流看出,25°俯仰角、-47°方位角的散射峰值主要是由于桅杆的镜面散射、小艇收放部位的腔体散射以及艏部上层建筑与甲板形成的角反射体结构构成的。

5 结语

通过上述分析计算可以看出,典型水面目标的RCS特性随俯仰角的改变而发生改变,在90°俯仰角时,散射量值达到最大,而其他俯仰角的散射量值与船体的构型、布局密切相关。舰船的雷达波隐身设计,主要以提升电子对抗能力,保证生命力的。对于反舰导弹多变的攻击形式,需要明确威胁的特定角域范围,从构型、舰面布置等方面开展隐身设计。

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Varying Regularity of Scattering Characteristics of Pitch Angle on Typical Warship Target

DING Fan

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

The electromagnetic computation data under different pitch angles was processed by using physical optics(PO)、 shooting and bouncing ray(SBR) and equivalent edge current(EEC) method. The varying relations between the typical warship target and the pitch angle was studied. Some scattering characteristics of the peak value are acquired through computation data analysis. Further discussions about the application prospects of the varying regularity in the ship design, which are much useful.

pitch angle, radar cross section(RCS), SBR, PO, EEC

2014年11月6日,

2014年12月17日

国家自然科学基金项目(编号:61303238)资助 作者简介:丁凡,女,博士,工程师,研究方向:舰船总体设计。

TP273.2

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.038