隐身桅杆与主船体耦合RCS特性研究

程子君 吴启华

1海军驻大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁大连 116001

2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

隐身桅杆与主船体耦合RCS特性研究

程子君1吴启华2

1海军驻大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁大连 116001

2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

隐身桅杆技术是舰船隐身技术发展的重要方向之一，影响隐身桅杆RCS的因素很多，其中，隐身桅杆与主船体间的耦合直接影响RCS的考核结果。首次提出了隐身桅杆与主船体耦合RCS相对增加量的概念，并用以表征其与主船体的耦合特性。采用基于矩量法理论分析桅杆与主船体的耦合影响，研究结果可应用于隐身桅杆RCS综合评价。

隐身桅杆；RCS；耦合

1 引言

高性能雷达是现代舰船等武器平台必不可少的传感器，雷达通过接收并分析回波中包含的特征信息来探测和识别目标。迫于军事需求和武器装备的发展，各种军事目标为了在复杂战争环境下不易被敌方雷达侦察到以提高自身的生存能力和突防能力，采用了诸多雷达隐身技术，舰船隐身技术也相应得到了迅猛发展，已发展到指标分配阶段。隐身桅杆作为现代舰船的技术亮点，逐渐成为舰船隐身技术发展的重要方向之一［1－3］。很多国家投入大量的人力和物力，将隐身桅杆作为独立部件开展综合研究，研制出一大批具有实战意义的舰船隐身桅杆产品。

隐身桅杆研究的一项重要研究内容是RCS考核，隐身桅杆由于其独有的特性，即与主船体的耦合特性。在现有的考核试验中，往往把隐身桅杆作为独立部件进行考核，尚未表述与主船体的耦合特性，考核的结果不能准确说明隐身桅杆装舰后的隐身效果。

2 研究方法有效性验证

理论分析认为，RCS是入射波返回功率的量度，它是方位角、散射体形状、频率、发射和接收天线极化特性的函数。RCS所关注的散射场是由入射波在散射体上感应电流的二次辐射引起的。因此，目标形体的变化对于同一雷达入射波的散射机理、回波功率是不同的，所呈现的散射截面也有差异，如何表征目标形体的变化与目标RCS的变化关系是重要的研究课题。

首先，我们应用RCS分析软件计算金属平板和金属立方体的单站RCS，并将结果与相关文献进行对比分析，以验证本文分析手段的有效性。图1和图3所示分别为边长a＝b＝0.165 m的金属平板和边长为1 cm的金属立方体在单位平面波照射下的计算结果，单位平面波波长λ＝0.034 m。入射场E→i沿 x 轴方向极化，即E→i＝exp［jk0（ysinθ＋zcosθ）］x^，k0＝2π／λ 为自由空间的波数。 图 2 所示为相关文献［4］采用矩量法计算结果，图4所示为相关文献［5］用AWE方法计算的结果。对比分析计算结果可知，采用本文的研究方法获得的金属平板和金属立方体单站RCS结果与相关文献的结果十分吻合，证明该方法在分析金属平板和金属立方体单站RCS是可靠的，适用于由简单面体构成的抽象隐身桅杆模型RCS研究。

3 简单复合形体耦合RCS特性

借用“散射中心”的概念分析讨论简单复合体的散射特性，会使分析问题的思路简洁清晰，尤其可以借用前面的简单形体如平板、立方体等的散射特性分析简单复合形体的散射特性。下面讨论球－锥－球体组合的散射特性。

球－锥－球体由2个半径分别为a和b的2个球体与1个截锥体组成，显然该复合体的两个连接处是散射中心，产生绕射相象，两个球体和截锥体的表面在不同的视角方向上会产生强的镜面反射，同时在复合体表面还存在爬行波。

图5所示为在垂直极化入射情况下，一个ka＝1.5（a／λ＝0.24）的球－锥－球体的 RCS 随方向角变化的理论和实验曲线。

我们知道，在高频区，金属球单站RCS趋近于几何光学值πa2，金属圆锥的单站RCS基本上是来自锥底边缘的绕射，而锥顶的绕射则很弱。当观测角增加时，锥的斜边将产生强的镜面反射尖峰。从上图可以看出，球－锥－球体的单RCS曲线较单一锥体或球体的RCS曲线发生了显著变化，虽然峰值出现的规律与锥体的变化趋势基本接近，而波峰和波谷的形状有较大差异，其直接影响平均值。产生这种现象的主要原因是当入射波方位角变化时，由两个球体产生的镜面反射在同相时相加，反相时相减而造成的，并不进行简单的数学叠加。

4 隐身桅杆与主船体耦合特性

4.1 问题定义

隐身桅杆作为现代舰船独立研究部件，其RCS指标均被分配为指定值。在隐身桅杆RCS考核试验中，隐身桅杆与测试支撑物或舰船平台耦合，耦合后会出现多个散射中心，各个散射中心的散射特性及连接处的散射特性对隐身桅杆RCS有不同贡献，耦合后整体RCS是否简单地等于各个部分RCS代数和，是否可以认为隐身桅杆RCS得到有效控制就一定能改善全舰的隐身性能，在考核过程中又如何选择合适的耦合物平衡测量结果，这些都是值得研究的。

首先定义一组参数表征耦合特性指标，用下式表示：

式中，RCS增为隐身桅杆耦合后RCS相对增加量；RCS桅为隐身桅杆在某测量角度范围内的RCS平均值；RCS耦为耦合物RCS在相同的角度范围内RCS平均值；RCS合为耦合后整体RCS平均值（测试条件相同）。

由式（1）分析可知，如果RCS增值太大，则说明耦合物对隐身桅杆RCS的测量结果影响严重；若RCS增小，则可以认为耦合物对隐身桅杆RCS的测量结果影响不大。

通过隐身桅杆模型与典型物体的垂直耦合、水平耦合，研究耦合特性指标RCS增、RCS相对量与隐身桅杆模型、耦合物的关系，分析耦合物的物理状态对隐身桅杆考核结果的影响，为隐身桅杆理论研究和现有考核标准指标的扩展提供技术支撑。

4.2 垂直耦合

试验外场测试或实船测试时，桅杆一般都不是以一个独立部件参加考核，都与一些物体如转台支架、舰船上层建筑等垂直耦合在一起，其周围可能还会有烟囱等金属物，这些目标对桅杆RCS的考核结果是有影响的。

本文选择的角度间隔选择为0.2°，考核频率为9.4 GHz和15.2 GHz。 分析桅杆与长方体的耦合结果，长方体的高度在不断变化，研究耦合物长方体对桅杆RCS考核结果的影响，模型如图6所示。

进行分析时，首先分别计算桅杆和长方体的单站 RCS，方位角度间隔为 0.2°，仰角 0°，入射平面波的频率为9.4 GHz和15.2 GHz， 在完成桅杆与长方体各自单站RCS计算之后，计算二者耦合后的总RCS，在0°～360°内求平均值，研究已定义的相对增加量。

从表1和图7可以看出，在垂直耦合情况下，耦合后整体散射特性是由桅杆和长方体两种散射特性综合而成，二者的贡献大小将随观测角（方位角）而变化。可以用散射中心的概念讨论这个问题，桅杆侧板和连接处都是散射中心。耦合后的整体RCS平均值不是简单地等于长方体和桅杆RCS的代数和，耦合后RCS平均值大于桅杆的RCS平均值，出现一个增加量，而且，随着耦合长方体高度的增加，这个增加量变化更加显著。从RCS相对量来看，在长方体高度不大的情况下，长方体对隐身桅杆的隐身性能影响不显著，而随着长方体高度增加，其RCS值对耦合后整体RCS平均值影响非常明显。

表1 隐身桅杆与不同高度长方体耦合RCS计算结果Tab.1 Computation results of coupled RCS of stealth mast with various heights of cube

4.3 水平耦合

水平耦合研究主要目的是研究隐身桅杆装船后周围船体结构如烟囱等对隐身桅杆RCS的影响。影响因素很多，但对于装船隐身桅杆，各种船体结构距离隐身桅杆的相对位置是固定的，各种船体结构与隐身桅杆水平耦合的状态很多，研究每一种状态是不现实的，只能对研究对象进行抽象，研究隐身桅杆与长方体的耦合，研究隐身桅杆与物理尺寸为3 m×3 m×2 m（长×宽×高）长方体的不同水平距离的耦合情况，研究方法同垂直耦合，分析模型如图8所示。

从表2和图9、图10可以看出，在水平耦合情况下，耦合后整体散射特性是由桅杆和长方体两种散射特性综合而成，二者的贡献大小将随着观测角（方位角）而发生变化。长方体垂直面的强镜面反射对计算结果影响很大，耦合后的整体RCS平均值也不简单地等于长方体和桅杆RCS平均值代数和，耦合后RCS平均值小于桅杆的RCS平均值，但相对于隐身桅杆本身出现了一个很大的增加量，主要是由长方体的很强的镜面反射引起的，而且，随着耦合长方体与隐身桅杆的间距变化，这个增加量变化也在发生相应变化，长方体与隐身桅杆水平耦合大大影响隐身桅杆RCS的考核结果。

表2 隐身桅杆与不同高度长方体水平耦合RCS计算结果Tab.1 Computation results of plane coupled RCS of stealth mast with various heights of cube

图9 9.4G 桅杆＋2 m 长方体单站RCS（间距8 m）Fig.9 Single station RCS of 9.4G mast plus 2 m cube（space 8 m）

图10 15.2G 桅杆＋2 m 长方体单站RCS（间距8 m）Fig.10 Single station RCS of 15.2G mast plus 2 m cube（space 8 m）

5 结论

通过隐身桅杆与长方体的垂直耦合、水平耦合研究，验证了相对增加量的概念，理论计算分析隐身桅杆与长方体的多种耦合状态。通过分析可知，隐身桅杆在与长方体发生垂直耦合或水平耦合后，耦合后整体单站RCS并不简单等于隐身桅杆与长方体单站RCS之和，出现一个增加量，在隐身桅杆RCS实际考核试验中，应引入适当的修正因子修正支撑物等目标的耦合影响，修正后的考核结果也比较符合实际情况。

［1］阮颖铮.雷达截面与隐身技术［M］.北京：国防工业出版社，2005.

［2］王沫然.MATLAB与科学计算 ［M］.电子工业出版社，2004.

［3］朱英富，张国良.舰船隐身技术［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2003.

［4］ROSS R A.Radar cross section of Rectangular flat plates as a function of aspect angle ［J］.IEEE Trans.Antennas Propaget，1966，33（3）：329-335.

［5］REDDY C J，DESHPANDE M D，COCKRELL C R，et al.Fast RCS computation over a frequency band using method of moments in conjunction with asymptotic waveform evaluation technique［J］.IEEE Trans.Antennas Propaget，1998，46（8）：1229-1233.

The RCS Characteristics of Coupling Between Stealth Mast and Main Hull

Cheng Zi-jun1Wu Qi-hua2
1 Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.， Ltd， Dalian 116001，China
2 China Ship Research and Design Center， Wuhan 430064，China

Stealth mast is one of the important elements for developing stealth ship.The characteristics of coupling between stealth mast and structure of main hull depend on many factors that directly influence the radar cross section （RCS）.For describing the coupling characteristics， a concept of relative increment of RCS was proposed to define the coupling of stealth mast and main hull of ship.Additionally，method of moment （MOM） was used to analyze the influence of stealth mast on the hull structure.The results can be applied to a synthesized assessment of actual design.

stealth mast； RCS； coupling

U674.7

A

1673－3185（2011）03－45－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.03.010

2010-04-18

程子君（1964－），男，高级工程师，硕士。研究方向：舰船电磁兼容总体优化设计。

吴启华（1974－），男，高级工程师，硕士。研究方向：舰船电磁兼容总体优化设计。