SBR雷达散射截面快速算法在雷达隐身设计中的应用

李 伟

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



SBR雷达散射截面快速算法在雷达隐身设计中的应用

李 伟

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

目前RCS预估方法大致可以分为两大类：精确方法和近似方法。而近似方法运算速度快，适合在工程实际中应用，但准确度相对较低。选取了弹跳射线(SBR)法，既具有运算速度快的特点，又具有较高的准确度。简要论述了其原理以及应用情况，通过典型算例验证了其方法仿真的准确度，并介绍了某型雷达外形隐身设计案例。

雷达横截面；预估方法；弹跳射线法；雷达外形隐身

0 引 言

现代雷达在探测目标的同时，还要考虑自身的隐身效果。尤其当前舰艇朝着隐身方向发展，要求舰载雷达的设计必须考虑隐身效果。为了减少舰载雷达的雷达横截面积(RCS)，目前主要通过对雷达暴露在舱外的设备进行外形结构隐身设计以及雷达表面涂覆吸波材料(或加装具有频选特性的天线罩)来实现。随着高速计算机和各种仿真软件的飞速发展，外形结构隐身设计技术的发展十分迅速，目前已成为雷达隐身设计中广泛采用的最有效技术手段。

对雷达外形结构进行隐身设计，重点要针对雷达RCS比较突出的结构不断进行优化设计，在保证雷达技术指标的前提下，尽量减少雷达自身的RCS。而对雷达RCS的获取，可以采用实测和仿真计算2种手段。实测方法包括微缩模型测量和实物远场测试2种，其优点是测量结果直接准确；缺点是费时费力，特别是要消费大量的财力，需要匹配建设相应规模的微波暗室、外场测试环境以及配备大量测试仪表。随着计算电磁学的快速发展，产生了各种数值方法，例如矩量法、时域有限差分法、频域有限差分法、有限元法等，这些数值方法使电磁场数值分析研究产生了前所未有的重大进展，并获得了大量的科研成果。仿真计算则是通过应用电磁场数值方法研究的成果，依托高速计算机平台编制仿真软件，并通过对软件参数的优化调整，不断逼近真实结果，从而实现对目标RCS的获取。其解决了实测带来的耗时耗力的问题，且通过电磁散射算法的不断优化，其仿真结果已经基本接近实测结果，在工程领域得到了广泛应用。

RCS预估方法大致可以分为两大类：一种是基于波动方程求解的精确方法；一种是基于高频算法的近似方法。精确方法虽然可以得到相对准确的目标RCS值，但算法本身对运行计算机硬件要求很高，而且计算时间长，离工程应用还有一定的差距。高频算法运算速度快，对计算机硬件要求也低，在工程上得到了广泛应用。但其是一种近似方法，仿真结果与真实值有一定差距，在工程上更多地用于评判其RCS变化趋势。

1 弹跳射线(SBR)方法

弹跳射线[1](SBR)方法属于高频算法的一种，但相比于以往的高频算法，它考虑到了电磁波在目标表面多次散射的效应，将所有散射射线在远场辐射叠加，得到更加精确的目标RCS值。其克服了传统高频方法不能处理电磁波在目标表面多次反射作用的局限，为工程中的目标RCS预估提供了更快速、可靠的算法。

SBR方法主要分为射线路径追踪、射线强度追踪和远场积分三部分。

射线路径追踪：利用一系列紧密相连的射线管来模拟电磁波入射到目标表面，对所有射线管进行路径追踪就可以模拟电磁波在目标表面的传播。

射线强度追踪：对射线与目标表面的交点场强的跟踪计算。

远场积分：根据射线路径跟踪和场强度跟踪，可以求出射线经过多次反射回到射线口面时的电场分布，将口面上的电场等效为磁流源，进行口径积分，可求出目标表面的散射场[2]：

(1)

2 仿真算法及结果比对

根据公式(1)编制目标RCS随角度变化曲线的算法，算法只考虑对目标采用平面三角面元进行拟合，散度因子取1；当目标为纯金属导体时，反射系数矩阵(R)i对应用平行极化波(TM波)和垂直极化波(TE波)分别为1和-1；当目标为介质或目标表面涂敷介质时，反射系数矩阵(R)i可由文献[3]计算。

为验证算法准确性，本文参考文献[4]中的典型模型结构(取杏仁核结构和带缝锥体结构)，对模型进行仿真分析，与参考文献中的结果进行比对，验证其正确性。

2.1 杏仁核结构

该结构是美国航空航天局(NASA)专门用于设计验证各种数值算法程序的可靠性的基准目标。其几何建模如图1所示, 杏仁核模型的尺寸为：

当-0.416 67

(2)

当0

(3)

式中:x,y,z的单位均为mm。

图1 NASA杏仁核网格图

本文通过利用SBR方法编制仿真算法，在入射波频率为1.19 GHz的情况下，仿真计算杏仁核结构单站RCS曲线，如图2(a)所示。与图2(b)文献结果相比，两者吻合得很好。

图2 单站RCS曲线示意图

2.2 带缝锥体结构

其几何建模图如图3所示。其外形参数如下：

-605.0534 mm

6.35 mm

0

图3 带缝锥体网格图

对上述结构，利用仿真算法对其单站RCS进行预估。图4(a)给出了入射波频率为896 MHz时的带缝锥体的单站RCS预估图。可以看出，计算所得结果与图4(b)的文献结果吻合得很好。

图4 带缝锥体的单站RCS曲线示意图

3 SBR工程应用

3.1 利用SBR对典型结构进行RCS估算

本文选取雷达外形设计的典型结构形状进行SBR算法仿真分析，典型结构包括：大平面结构、折叠弯角结构和球面结构。

(1) 平面结构

对大平面结构进行SBR算法仿真分析,结果如图5所示。

目前，中国正在稳步地推进生态文明建设和绿色、节能型社会建设。其中水资源是经济社会发展的关键因素，也是关系到中国粮食安全和能源安全的重中之重。由于人们不断提高的生态环境文明意识，百姓对于生活的期望也越来越强烈，水资源支持下的生态文明建设需要越来越多的理论和技术支持。加强水资源的管理将为建设中国生态文明国家奠定科学基础。

图5 平面结构模型及其RCS仿真曲线

(2) 折叠弯角结构

对折叠弯角结构进行SBR算法仿真分析,结果如图6所示。

图6 折叠弯角结构模型及其RCS仿真曲线

(3) 球面结构

对球面结构进行SBR算法仿真分析,结果如图7所示。

图7 球面结构模型及其RCS仿真曲线

查阅文献和上述仿真结果可知：

(1) 平面结构在正对法线方向RCS最大，其他方向RCS则较小；

(2) 折叠弯角结构出现了多次反射情况，形成多处RCS值较大点；

(3) 球面RCS值分布均匀且值最小。

某舰载雷达在未进行隐身设计之前，其天线座(暴露在舱外)存在多处的平面和棱角结构设计，应用SBR算法，得到RCS随角度的分布图，如图8所示。根据对典型结构形状的SBR算法仿真预计结果的建议，对针对RCS较大处结构设计采取以下几种改进方法：

(1) 将大块平面结构设计改为球面或者多面形设计；

(2) 将直角弯结构改为钝角弯或弧形结构；

(3) 将不规整棱角结构采用规则的多面形结构保护罩进行包裹。

图8 隐身设计前的单站RCS计算结果图

对结构改进设计后的天线座进行仿真计算，结果如图9所示，对比图8 RCS值平均减少10 dB左右。

图9 隐身设计后的单站RCS计算结果图

4 结束语

考虑到与工程实际相结合，本文选取高频方法里的弹跳射线法，不仅能计算电大尺寸目标，且计算速度快，准确性相对较高，处理类型种类多。通过对结构体三维设计图进行RCS理论分析，给出了各种结构体的准确RCS值，并与文献中标准值进行比对，验证了方法的正确性，并指导了某型雷达天线座结构的隐身设计，取得了较好的工程应用效果。

[1] LING H,CHOU R,LEE S W.Shooting and bouncing rays:calculating the RCS of an arbitrarily shaped cavity [J].IEEE Transactions on Antennas Propagation,1989,37(2):194-205.

[2] KNOTT E F.雷达散射截面——预估、测量和减缩[M].阮颖铮译.北京:电子工业出版社,1988.

[3] KLEMENT D,PREISSNER J,STEIN V.Special problems in applying the physical optics method for backscatter computations of complicated objects [J].IEEE Transactions on Antennas Propagation,1988,36(2):228-237.

[4] WOO A C,WANG H T G,SCHUH M J,SANDERS M L.Benchmark radar targets for the validation of computational electromagnetic programs[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,1993,35(1)：84- 89.

Application of SBR RCS Rapid Algorithm to Radar Stealth Design

LI Wei

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Existing pre-estimation methods of radar cross section (RCS) can be classified to two kinds:precision method and approximation method.The approximation method has high calculation velocity,is adapted to the application to engineering practice,but the precision is low.This paper uses the method of shooting and bouncing ray (SBR) that has not only fast calculation velocity but also high precision,briefly discusses the principle and application status,validates the simulation precision through classical calculation example,and introduces the shape stealth design case of a certain radar.

radar cross section；pre-estimation method;shooting and bouncing ray method;radar shape stealth

2016-06-30

TN974

A

CN32-1413(2016)05-0034-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.008