潜艇天线动态RCS的统计分析*

刘 畅 黄继进 徐林杰 范月霞

(武汉船舶通信研究所 武汉 430200)

潜艇天线动态RCS的统计分析*

刘 畅 黄继进 徐林杰 范月霞

(武汉船舶通信研究所 武汉 430200)

潜艇的非声隐身性能近年来得到了一定重视,非声隐身的一个重要指标就是电磁隐身,而雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)表征了目标对照射电磁波的散射能力。天线一般处于舰艇的最高位置,它是被雷达探测的主要散射源之一,因而天线系统将直接影响到全舰雷达隐身性能。论文以潜艇鞭形天线为研究对象,以物理光学法(PO)为获取基础RCS的手段,并考虑了实际作战情况下与理想条件的不同,得到了不同于理想条件下天线RCS的统计数据,有助于提高获取目标RCS 数据的完整性和可信度。

天线; 雷达散射截面; 物理光学法; 统计分析

1 引言

目标的雷达散射截面是表征雷达目标对照射电磁波散射能力的一个物理量,是描述雷达目标信息最重要、最基本的一个参数[1]。雷达目标RCS特性的研究主要可分为理论分析和测量技术两个方面,其中测量又包括全尺寸目标测量、缩比目标模型测量和动态目标测量等三种途径。理论计算的方法较复杂,并且只适用于少数典型目标的求解；全尺寸目标散射测试场能够提供逼真的战场环境,但其造价和测试费用大；动态测量的误差因素较多,因而其测量精度不高；现代室内测量场不但能够提供高精度的RCS数据,而且可以实现360°全方位测量,因此,基于目标缩比模型的室内静态测量数据为大多识别算法所采用[2]。

潜艇天线属于典型的电大尺寸复杂散射体。对此类目标电磁散射的研究,迄今没有理论上严格的计算方法,所以只能在各种近似的基础上寻求相对合理的解决办法[3]。

2 基础RCS的获取——物理光学法(PO)

数值方法和高频方法[2,4]是目标电磁特性分析中常用的两类方法。数值方法又包括了有限元法(FEM)、矩量法(MOM)、多层快速多极子方法(MLFMA)等；高频方法又包括了物理光学(PO)法、物理绕射理论(PTD)[5]、几何光学(GO)法、一致绕射理论(UTD)[6]及弹跳射线(SBR)方法等。物理光学(Physical Optical,PO)法理论通过对感应场的近似积分而求得散射场,它可以对平面和单弯曲表面等几何光学法不能计算的结构进行 RCS 的求解。物理光学法的出发点是斯特拉顿—朱兰成(Stratton-Chu)散射场积分方程,并根据高频场的局部性原理,完全的忽略目标的各部分之间的相互影响,而仅根据入射场独立地近似确定表面感应电流。

2.1 远场近似

由远区条件,可以对自由空间的格林函数及其梯度进行近似,从而简化积分的运算,得到远区散射场的积分公式为[7]

(1)

(2)

2.2 切平面近似

切平面近似假定表面电流的值等于在积分面元ds处物体为理想的光滑平面时的表面电流值,并由此来近似计算积分中的总场。由于待求目标为理想导体,因此总的电磁场的切向分量为

(3)

(4)

式中,Hi为目标表面单元处的入射波磁场强度。将上述的切向场条件代入式(1)、(2),得到理想导体物理光学法的远区散射场积分表达式：

(5)

(6)

通常,用感应电流和感应磁流对散射的贡献进行描述,其表达式为

(7)

(8)

因此,对于理想导体,采用物理光学法近似,其表面的感应电、磁流为

(9)

(10)

亮区为入射波能够直接到达的区域,暗区为入射波不能直接照射的区域,物理光学法假定在物体的阴影部分切向场严格等于零。

因此,可通过理想导体表面的物理光学电流进行积分,求解远区的散射电磁场,其表达式为

(11)

(12)

求出目标的远区散射场后,代入雷达散射截面的计算公式,即可对目标的单、双站RCS进行分析计算。

3 仿真方法

静态RCS数据包括理论计算、暗室测量、外场静态测量等获取的结果,动态RCS数据通常指目标特性测量雷达系统对实际测试目标的测量结果[8]。静态是指目标位置不动,雷达以某一固定的俯仰角进行全方位向测量目标RCS的方式。为直观反映目标全向散射特性,静态测量结果通常以极坐标形式呈现。

由于实际作战过程中,潜艇在水面航行时,雷达视线俯仰角不可能为固定值,但是由于距离非常远,通常情况下俯仰角可以认为在0°～0.5°,且天线不可能时刻处于垂直水面的状态,利用静态数据分析目标特性仅具有理论参考价值。

原始数据的急剧起伏说明了目标RCS值的随机性,而采用一些统计参量则有助于描述其统计特性。常用的统计参量包括区段均值、标准差、极大值、极小值和极差等,以及概率密度函数、累积分布函数和中值[9]。

对于飞行器这样的雷达目标,其飞行时的姿态是影响其RCS的关键因素,通过建立雷达坐标系、目标坐标系以及二者之间的转换关系,解算飞行器的姿态角,将目标运动轨迹离散化为若干采样点,动态RCS序列由采样点上的若干RCS值组成[10]。

潜艇天线的动态RCS仿真可以借鉴此思路,通过模拟运动过程中的雷达目标目标姿态变化,来达到仿真其动态RCS的目的。但是潜艇天线与飞行器又有不同之处,飞行器在全程可以视为刚体,没有形变,但是由于潜艇鞭形天线长达10m,具有柔韧性,其挠曲不能忽视,本文采用简单的倾斜来模拟其挠曲。

4 仿真结果

图1 天线3D建模示意图

选取了四个比较典型的姿态进行仿真,10m鞭形天线,由4节组成,每节半径分别为50mm、40mm、30mm、20mm,入射电磁波频率为10GHz,俯仰角设为0°,极化均为HH,为符合战场被搜索的情况仅考虑单站RCS。天线倾斜方向为x轴,由对称性和出于减少计算量的考虑,仅仿真了0°～180°。

4.1 垂直

图2 天线垂直时单站RCS仿真

表1 天线垂直时动态RCS统计参数

4.2 倾斜2.5°

图3 天线倾斜2.5°时单站RCS仿真

表2 天线倾斜2.5°时动态RCS统计参数

4.3 倾斜5°

图4 天线倾斜5°时单站RCS仿真

表3 天线倾斜5°时动态RCS统计参数

4.4 倾斜7.5°

图5 天线倾斜7.5°时单站RCS仿真

表4 天线倾斜7.5°时动态RCS统计参数

4.5 倾斜10°

图6 天线倾斜10°时单站RCS仿真

表5 天线倾斜10°时动态RCS统计参数

潜艇在航行过程中,为简化鞭形天线的姿态变化规律,认为其各个姿态在一段时间内是平均分布的。那么在这一段时间内的RCS均值可以认为是0～10°各姿态RCS线性均值的平均。

σmean=10.67dbsm

结合图表可以看出其RCS有如下规律：

1) 除垂直状态的天线,动态RCS对倾角敏感,起伏剧烈；

2) 目标在正侧向(方位角90°时)附近时RCS最大；

3) 目标RCS的动态范围较大,可达70dB。

5 结语

目标在运动过程中由于各种复杂因素的影响,其实际姿态往往与通过测量或计算得到的预估姿态存在差异,主要表现为姿态的扰动。姿态扰动是静动态测量与仿真 RCS数据的主要误差源之一。本文通过用仿真不同的倾角模拟不同条件下的天线姿态,并分析其统计数据,得到了与理想状态下不同的结果。未来还可以结合设计舰体的运动航迹来建立目标天线的动态RCS数据库,并通过受力分析计算其挠曲使其各方面更符合实际作战的情况。

[1] 黄培康,殷红成,许小剑.雷达目标特性[M].北京:电子工业出版社,2005:16-19.

[2] 阮颖铮.雷达截面与隐身技术[M].北京:国防工业出版社,1998:9-10.

[3] 顾俊,王万富,童广德.引信目标RCS理论算法的发展及应用[J].上海航天,2003,04:18-21.

[4] E. F. KNOTT. A Progressing of High-Frequency RCS Prediction Techniques[J]. Proc. IEEE,1985,73(2):252-264.

[5] Hasnain H. Syed,John L. Volakis. PTD Analysis of Impedance Structures[J]. IEEE Trans. Antennas Propaga.,1996,44(1):983-988.

[6] R.G. Koujoumijan , P. H. Pathak. A Uniform Geometrical Theory of Diffraction for An Edge in a Perfectly Conducting Surface[J]. Proc. IEEE,1974,62(11):1448-1461.

[7] 陈毅乔.电大尺寸目标的电磁特性分析方法研究[D].成都:电子科技大学,2008:13-15.

[8] 戴崇.雷达目标动态RCS特性建模方法研究[D].北京:国防科技大学,2013:25-26.

[9] 曾勇虎,王国玉,陈永光,等.动态雷达目标RCS的统计分析[J].电波科学学报,2007,04:610-613.

[10] 刘佳,方宁,谢拥军,等.姿态扰动情况下的目标动态RCS分布特性[J].系统工程与电子技术,2015,04:775-781.

Dynamic RCS Statistical Analysis of Submarine Antenna

LIU Chang HUANG Jijin XU Linjie FAN Yuexia

(Wuhan Ship Communication Research Institute, Wuhan 430200)

The non-acoustic stealth performance of submarines has been paid more attention in recent years. An important index of non-acoustic stealth is electromagnetic stealth and radar cross section (RCS) characterizes the scattering ability of target. Antenna is generally in the highest position of the ship. It is one of the main source of scattering, and thus the antenna system will directly affect the entire radar stealth performance. In this paper, the submarine whip antenna is taken as the research object, the physical optics (PO) is taken as the means to obtain the basic RCS, and the difference between actual combat situation and the ideal conditions is considered, the statistical data of the RCS of the antenna is different from that of the ideal condition, which helps to improve the integrity and credibility of the target RCS data.

antenna, radar cross section, physical optics, statistical analysis

TN823

2016年9月10日,

2016年10月30日

刘畅,男,硕士研究生,研究方向:天线雷达散射截面。黄继进,男,硕士,研究员,研究方向:天线和舰船通信技术。徐林杰,男,硕士,工程师,研究方向:信息安全技术。范月霞,女,硕士,工程师,研究方向:信息安全技术。

TN823

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.018