体目标水面雷达靶的设计与实现*

王海涛 付 军 刘华军

(91550部队93分队 大连 116023)

体目标水面雷达靶的设计与实现*

王海涛 付 军 刘华军

(91550部队93分队 大连 116023)

体目标水面雷达靶可以真实地模拟海上目标的电磁散射特性。介绍了特定水面舰艇的模型CAD设计、模型制作和几何建模方法,对缩微模型室内电磁散射测量和理论计算结果进行了比对。体目标雷达靶使用多个各类反射器实现特定目标的RCS模拟,给出了海上测试与理论计算的比对结果。体目标雷达靶具有模拟目标种类多、操作简单和维修性好等优点,在实际靶场使用中取得了较好效果。

水面靶标;体目标;雷达散射截面;模拟

Class NumberTP391.9

1 引言

海上水面雷达靶的目标模拟特性是衡量反舰武器系统在实战条件下作战效能如何的一个重要尺度。现代水面作战舰艇具有机动和隐身性能好、抗打击手段多等特点,要求靶标建设从实战出发,提高模拟真实目标的能力,以全面检验和考核反舰武器系统的实战性能[1]。

现役水面雷达靶,模拟目标散射特性的手段是采用一个中心反射体,模拟的目标特性为点目标,只是从目标散射能量上模拟真实目标。点靶由于散射中心及能量集中在一点,使得反舰武器命中精度相对很高,却无法考核反舰武器制导系统存在目标角闪烁情况下的命中精度。

体目标雷达靶是根据典型水面舰艇目标的几何形状及构造,对其散射特性进行测量和分析,确定其雷达散射特性。然后利用各种反射器,在船体上按照真实目标的散射特性分布规律进行组合拼装,以实现雷达靶与模拟对象在雷达散射特性上的一致性。由于体目标雷达靶是对真实目标散射能量、散射中心分布及形体等多个特征进行模拟,因此在实际使用效果上,体目标靶要优于点靶。

2 真实目标水面舰船雷达散射特性实验室建模与计算

现代水面舰船外形结构复杂,雷达散射特性由多个散射中心产生,并随来袭武器的方位、俯仰的不同随时变化[2]。要真实模拟水面舰船目标,首先必须获得其真实的雷达散射特性。但是对于大多数舰船,尤其是敌方舰船来说,海上实际RCS测试的方式并不可行。目前主要还是采用实验室CAD设计与模型制作、几何建模、模型室内电磁散射测量、建模模型理论计算分析等方法进行。

2.1 真实目标水面舰艇模型CAD设计与模型制作

在搜集整理真实目标水面舰艇详尽资料的基础上,绘制船体型线图和总布置图的CAD图。在上述基础上,完成舰炮、导弹发射架、鱼雷发射管、舰载雷达、舾装等部分的制图。然后在计算机上,将船体及上层建筑沿基线方向进行了一定密度的剖分(20～60站不等),记录每个剖面上的特征点坐标,再结合各种舰船水面上建筑的表面特征,以ASCII码的形式汇总,便形成了完整的舰船外形参数,将舰体特点及其总布置全貌做出准确的、全面的描述。

典型舰体物理模型及所有零部件按比例缩微1∶50,依照图纸制作。舰身、甲板、舰桥、导弹发射架、炮塔、桅杆及舰载雷达等的制作材料全部按照实际情况模拟,采用金属制作;其中舰载雷达罩采用透波材料制作,以达到仿真效果。各组件均固定在舰体上。模型表面按实际颜色涂金属色漆。舰体内部相应地做防锈处理。

图1 真实目标几何模型

2.2 真实目标水面舰艇模型几何建模

在计算机上针对水面舰艇船体和上层建筑复杂的结构以及众多的舰上装备,对真实几何模型结构提出分级描述的方法,即按船体及舰上装备的不同外形结构,先对整舰进行分解,分解成若干个组件,诸如船体、舰桥、舰载雷达、导弹发射架、桅杆等,而上述组件中有的又可分解成各种几何单元。通常是在组件或组件的几何单元上进行网格划分,这样建模即方便又准确。这个方法把真实目标水面舰艇几何模型结构分成以下三级:

·目标级外形结构是指整舰;

·组件级外形结构是指舰桥、舰载雷达、桅杆等;

·单元级外形结构是指导弹的底座、发射架等。

对水面舰艇的组件级和单元级的外形结构进行剖分,在其中形成若干剖面。然后在每个剖面上,根据外形结构的特点确定若干形值点,给定这些形值点的坐标值。依照该舰的特定结构,把拆解的组件搭建成整舰,由组件上形值点数据的总和就形成了该舰几何模型的剖面数据,在此基础上,对组件级几何外形表面上进行网格划分,形成网格的几何模型。采用UG技术对该级舰进行三维造型。图1给出了真实目标几何模型在一个观察方向上的三维造型。

2.3 舰船电磁散射计算方法

对舰表面上的一次散射,用面元法进行分析与计算。先用外形剖分形成的网格模型的顶点构成三边形面元,再通过物理光学理论来求解面元的散射场。物理光学理论通过雷达照射目标产生的表面电流感应场的物理光学积分而求得散射场,物理光学积分可以变换为围线积分进行数值计算。

对于舰表面上的M个面元,其总散射场是通过M个面元经遮挡计算后的若干面元的散射场在目标坐标系进行矢量叠加。

对舰上凸凹部位的多次散射,用若干个诸如两面角、三面角、顶帽、浅底空腔和深底空腔的体素进行分析与计算。多次散射场是通过N个体素经遮挡计算后的若干体素的散射场在目标坐标系进行矢量叠加。

把舰表面的一次散射场与舰上的多次散射场进行叠加,得到目标舰船的总散射场。在上述理论分析的一次散射计算中计及了几十个组件,多次散射计算中采用了各个不同组件及其不同部位上的上百个体素[3]。

2.4 目标舰物理模型电磁散射测量和计算结果分

析比对

在微波暗室对目标舰物理模型进行了点频RCS的测量,测量频率为35GHz,擦地角分别为0°、20°、30°、40°,方位角范围是 0°～360°,方位角间隔为0.2°。在同样的测量参数和目标尺寸下用目标舰理论模型进行计算[4]。对擦地角为 0°、20°、30°、40°四种状态下的计算和测量的各四组数据(每组1801个数据),按照GJB3830-99《目标雷达散射截面数据格式要求》,对计算数据和测量数据分别进行窗口长度为5°、滑动步长为1°的平滑处理,得到四种状态下的的计算和测量的各四种均值数据(每组361个均值数据),对四种状态下的计算和测量的均值数据做点对点均方根处理,得到四种状态下的均方根误差值,如表1所示。

表1 目标舰实验室测试值与理论计算值均方根误差(dB)

把上面对比结果直接作为模型的精度来验证理论模型有其局限性。对于1∶50物理模型,如果做精度意义下的校模,那么按照缩比定律,测试频率应达到850GHz以上,在目前测试条件下是不可能实现的。然而,目标舰1∶50模型长约3m,测试Ka波段的波长为毫米级,目标尺寸远大于测试波段波长,仍为电大尺寸,所以1∶50模型的测试与计算结果仍能体现该目标的高频电磁散射特点。在此前提下,室内测试结果对理论计算进行验证具有一定的参照意义,意义在于通过这样的比对,有助于分析并找出舰上哪些是强散射中心,及这些强散射中心在舰上的分布,这样可对建模方法做有效的检验,使理论模型更接近于目标电磁散射的实际情况。由于点频RCS测试与计算的结果主要反映了该目标上强散射中心的幅度变化,就目标舰1∶50模型频率点35GHz的测试与计算的对比结果数据说明:理论模型准确地反映了该舰上的强散射中心。

图2 RCS计算与测量的均值对比曲线(频率 35GHz,擦地角 0°)

根据以上工作,可得到典型目标 RCS数学模型,主要包括目标船主要散射中心分布、RCS分布特性分析预估、缩比模型测量数据及分析结果。

3 体目标雷达靶模拟的实现与海上测试

3.1 雷达靶单元模拟器组合方案设计

体目标雷达靶采用的反射器单元类型有三角形三面角反射器、圆角形三面角反射器、正方形三面角反射器、带调接板的正方形三面角反射器及其组合:八联装的三角形三面角反射器或八联装的正方形三面角反射器。各种角反射器各有其特点,比如正方形三面角反射器的优点是在直角边长相同的条件下正方形三面角反射器的RCS值最大因而体积较小重量较轻,但缺点是使用中较易发生变形。实际使用可根据需要选用。

体目标雷达靶的散射特性模拟由上述不同种类和数量的反射器单元组成。根据目标舰RCS数学模型,首先利用目标特性分析设计软件得出特定目标的靶标反射器组合方案库,包括使用的反射器单元的种类、数量和各自室的空间分布。然后根据反射器组合方案库,将各种规格的模拟单元安装在雷达靶的靶杆或支架上。模拟器单元的安装接口采用模块化设计,便于组合拼装和使用,具有良好的互换性。图3所示为组装完毕的一种体目标雷达靶反射器组合。

图3 体目标雷达靶反射器组合

图4 雷达靶岸基海上测试方法几何俯视图

3.2 体目标雷达靶海上测试及结果分析

体目标雷达靶岸基海上雷达散射特性测试方法具体如图4所示。θ为RCS测试系统照射天线的3dB宽度,方位角a为舰首方向偏离中心波束的角度,R1为天线到组合靶中心的水平距离,R2为3dB波束在组合靶中心位置的横向扩展线度。测量系统设在海边的小山上,海拔高度约在100m。雷达靶在海上宽阔水域抛锚定位后,测量系统通过同轴光学仪器对海上目标搜索,海上测试时以雷达靶为中心半径1000m区域内应无其它水面目标。雷达靶船体依靠自身侧推装置进行360°旋转圆周运动,船位不能超过雷达波束的横向扩展线度。带有GPS测量并采集自身的位置与航向数据,供事后数据处理使用。测试时利用气球悬挂定标球的方式进行标定[5]。

采用岸基海上测量方式,在俯仰2.5°条件下对雷达靶进行全方位RCS测试,相当于俯仰-15°～30°范围内的一个切口数据,并在该切口进行测试与设计的比较,以验证设计的准确性。在相同状态下平滑后的设计数据与测试数据的比对见图5。从曲线的对比中可以看到,雷达靶点频RCS的测量与计算结果在量级和变化趋势上基本保持一致。

图5 雷达靶一种组合测试数据与计算数据平滑前后比较

4 结语

体目标水面雷达靶克服了点源雷达靶的缺点,构成了多散射中心的分布,提高了模拟逼真度。此雷达靶已成功地应用于某反舰武器试验,具有模拟目标种类多、逼真性高、装配、拆卸简单和维修性好等优点,在实际靶场使用中取得了良好的效果。

[1]王文斌.海军装备试验靶标技术[M].北京:国防工业出版社,2007

[2]黄培康.雷达目标特性[M].北京:电子工业出版社,2004

[3]阮颖铮.雷达截面与隐身技术[M].北京:国防工业出版社,1998

[4]张居风,冯德军,王雪松.雷达目标动态RCS仿真研究[J].系统仿真学报,2005(4)

[5]何国瑜,芦才成,等.电磁散射的计算和测量[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006

Design and Realization of a Volume Distributive Target Ship

Wang Haitao Fu Jun Liu Huajun
(Unit 93,No.91550 T roops of PLA,Dalian 116023)

Volume distributive target radar vessel can simulate ship's RCS characeristic in a truthful way.A warship size-reduced model CAD design,model fabrication and geometry model method is introduced,the result of the model laboratry RCS range test and computer-based theory calculations is presented.The simulation of volume distributive target radar vessel to the warship is realized by some kinds of radar reflectors,the measurement data of the target vessel RCS range test at open sea is compared with RCS theory calculations.The application of the target ship has the advantage of multi-class maritime targets RCS simulation,simple operation and easy maintaining,it has gained in effect in the course of engineering sea test.

target vessel,volume distributive target,radar cross section,simulation

TP391.9

2010年9月17日,

2010年10月16日

王海涛,男,硕士研究生,高级工程师,研究方向:水面靶标技术。