飞机运动特征对动态RCS序列的影响分析⋆

刘万萌，童创明，王 童，翟夕阳

（空军工程大学防空反导学院，西安 710051）

飞机运动特征对动态RCS序列的影响分析⋆

刘万萌，童创明，王 童，翟夕阳

（空军工程大学防空反导学院，西安 710051）

针对超音速隐身飞机难以探测的问题，仿真分析了F-22飞机在不同运动特征下的动态RCS，并对其频率响应和极化响应特性做进一步的研究。首先设定飞行航迹，并考虑实际中随机抖动的影响，获取时变的雷达视线姿态角；其次应用物理光学并结合等效电磁流的方法，计算分析了飞机以不同的速度沿不同航迹飞行时的动态RCS。对于使飞机动态RCS变化最明显的运动特征，仿真计算了其在不同频段、不同极化下的动态RCS。仿真结果表明：在不同航迹下，飞机速度对其动态RCS的影响程度不同，且当飞机沿小航路捷径低速或者高速飞行时，其RCS值减小最为明显，利用极化响应和频率响应特性可以有效地削弱这一影响。研究成果对于超音速隐身飞机目标的预警探测具有重要意义。

运动特征，速度，超音速隐身目标，动态RCS

0 引言

雷达散射截面（RCS）是用来度量目标对照射电磁波散射能力的物理量，与入射电磁波的频率、极化方式和雷达的视线角变化有关［1］。

目前研究目标的动态散射特性比较常用的方法包括外场测量和仿真计算［2］，但是外场测量的成本高，且对场地有较高的要求，因此，许多专家学者更倾向于选择电磁计算仿真来研究目标的动态RCS特性，见文献［3-8］。

随着飞机性能的提高，现在已有不少隐身飞机能够实现超音速飞行，然而涉及飞机速度对其动态RCS影响的文献少之又少。本文将采用准静态法获取目标动态RCS序列，以能实现超音速飞行的典型隐身飞机目标F-22为研究对象，研究F-22目标沿不同航路捷径和高度，以不同的速度飞行时，其动态RCS的频率响应和极化响应特性，为雷达探测超音速隐身飞机目标提供了仿真依据。

1 动态RCS仿真分析

1.1 飞行航迹设定

为研究超音速隐身目标的飞行速度、高度以及航路捷径对其动态散射特性的影响，本文将设定飞机进行侧站定常平飞机动。在侧站平飞过程中，航迹偏转角保持不变，航迹倾角为零，且速度滚转角也是零［4］。以雷达所在位置为原点，建立地面雷达坐标系 OXgYgZg［7］，飞机沿OXg轴负向做侧站平飞机动，则在雷达坐标系中，依据空气动力学原理可得：

式中，V为飞机侧站平飞速度；P为发动机推力；G为飞机重力；α为迎角；X和Z分别为空气阻力和升力。基于上式，对侧站平飞的航迹建模并求解，求得迎角α≈5°，在飞行过程中飞机保持姿态不变。在侧站定常平飞航迹中，当巡航高度H=6 km时，大航路捷径和小航路捷径分别选取CS=90km和CS=10km；航路捷径为40 km时，高度选取H=3 km和H=10 km的两种情况。隐身飞机的突防起点均选取与雷达站水平距离x=100 km处。在以上设定的每一条航迹中，采用准静态法获取超音速隐身目标的速度为0.5 Ma、1.1 Ma和1.7 Ma时的动态RCS，对比分析飞行速度在不同航路捷径和高度下对其动态RCS的影响。

1.2 雷达视线角解算

在飞机航迹设定中已经建立了地面雷达坐标系，下面将建立机体坐标系并定义雷达视线姿态角，如图2所示。

图1 预设飞行航迹

图2 机体坐标系下雷达视线姿态角

空间中任一点P在地面雷达坐标系中的坐标为，定义φ、η和γ分别为偏航角、俯仰角和滚转角，通过这3个角度可以建立点P在雷达坐标系中的坐标与其在机体坐标系中的坐标之间的关系［1，9］：

飞机在飞行过程中难以避免风向、气流等自然因素的影响，会产生随机抖动，这是一个随机过程，其最终结果是导致雷达视线角的随机抖动，因此，在解算雷达视线角时叠加随机抖动的影响更加符合实际情况。本文采用如下的随机抖动模型［10］对这种姿态抖动的影响进行描述：

图3 H=6 km，CS=10 km的雷达视线角

1.3 目标RCS计算

1.3.1 RCS计算方法

物理光学法（PO）是用散射体表面的感应电流取代散射体本身，通过对表面感应场的近似和积分而求得散射场，其出发点是Stratton-Chu散射场积分方程。在平面波入射情况下，物体表面远区散射场可写为［12］：

等效电磁流法（MEC）是对棱边的绕射计算［13］，该方法的基本点是假设在围绕奇异性（边缘回路）的各点处存在线电流和线磁流，并以远场辐射积分的形式对它们求和，克服了焦散问题。对于边缘为C的任意劈边，它的远区边缘绕射场可表示为：

1.3.2 算法有效性验证

这里采用等效电磁流棱边修正的物理光学法和FEKO中的快速多极子（MLFMM）对F-22目标模型的后向散射进行计算，图4中0°对应机头方向，入射波频率为3 GHz，水平极化，俯仰角为90°。可以看出，该算法计算结果与商用软件计算结果吻合的很好，证明了该算法的正确性。从计算结果可以看出，随方位角变化，F22的RCS值起伏较大，最大值和最小值之差达到50 dB，而且在正前鼻锥方向水平±45°和正后方±30°范围内RCS值普遍较小，其平均值分别为-17 dB和-5 dB，隐身效果较为明显，但F-22超音速隐身飞机的侧向RCS值较大。

图4 f=3 GHz时F22的RCS特性曲线

1.4 动态RCS序列仿真分析

下面将对比分析F-22隐身飞机沿不同的航路捷径和高度，以不同速度飞行时的动态RCS时间序列特性，入射波频率为3 GHz。首先分析F-22隐身飞机沿不同的航路捷径，以不同的速度飞行时的动态RCS序列特性，仿真结果见下页图5。

由图5（a）可以看出，当F-22隐身飞机采取低速（V=0.5 Ma）飞行时，只有在 375 s～450 s时间段内，其RCS值比V=1.1 Ma时较大些，其余时间段内均偏小；当飞机采取高速（V=1.7 Ma）飞行时，只有在125 s～200 s时间段内，其RCS值比V=1.1 Ma时较大些，其余时间段内均偏小，而且飞机高速飞行时的动态RCS时间序列起伏剧烈。这是因为当航路捷径较小时，只有飞机飞行到雷达站附近时，其侧面才会较多地暴露在雷达探测范围之内。如果飞机低速飞行，则在较长的时间内是机头方向暴露在雷达的探测范围之内；如果飞机高速飞行，则飞机在雷达站附近飞行的时间很短，在较长的时间内是机头或机尾方向暴露在雷达探测范围之内。因此，当飞机采取高速和低速飞行时，都会对这段时间内的动态RCS序列产生很大的影响。从图5（b）可以看出，飞机沿大航路捷径飞行时，其RCS起伏偏差并不如小航路捷径时那么明显。原因是当航路捷径较大时，即使飞机采取高速飞行，其雷达视线角的变化范围仍不会很大，这种情况可以理解为大航路捷径“削弱”了飞机飞行速度对其动态RCS的影响。进一步比较图5可以看出，当飞机沿小航路捷径飞行时，其RCS值起伏剧烈。

图6是F-22隐身飞机以不同的速度沿不同高度飞行时的动态RCS序列。由图6（a）可以得出，F-22目标沿大高度飞行过程中，当采取低速飞行时，在400 s～500 s时间段内，其RCS值比速度适中时较大些；当采取高速飞行时，在125 s～200 s时间段内，其RCS值比速度V=1.1 Ma时较大些，这与飞机沿小航路捷径飞行时的现象类似，那么原因也是相似的。从图6（b）中可以看出，飞机沿小高度飞行过程中，不论其速度是多少，其动态RCS起伏偏差均不大，这是因为当飞行高度较低时，雷达视线角变化范围并不大。同样，这种情况可以理解为小高度“削弱”了飞机飞行速度对其动态RCS时间序列的影响。比较图6，两图中的动态RCS序列变化趋势差别并不明显，由此可以得出飞行高度对飞机动态RCS序列的影响并不大。

图5 不同航路捷径的动态RCS序列

图6 不同高度的动态RCS序列

2 动态RCS频率响应和极化响应特性分析

上述分析表明，当飞机沿小航路捷径（CS=10km）飞行时，若其速度偏低或者偏高，均对其动态RCS序列产生很大的影响。现以F-22隐身目标为研究对象，分析目标沿小航路捷径飞行过程中，采取低速或高速飞行时的动态RCS频率响应和极化响应特性。

2.1 低速飞行时动态RCS频率响应和极化响应特性分析

当F-22隐身目标采取较低速度（V=0.5 Ma）沿小航路捷径（CS=10 km）飞行时，在VHF频段、L频段和X频段两种极化的动态RCS时间序列如图7所示，动态RCS的均值和中值如表1。

图7 V=0.5 Ma时不同频段和极化通道的动态RCS序列

表1 动态RCS的统计参数（单位：dBsm）

由图7和表1可得，目标RCS值随频率的降低而增大，这是因为在米波段时，目标尺寸与电磁波波长在同一数量级，目标产生了谐振现象。同时还可以看出，水平极化的RCS值普遍大于垂直极化的RCS值，这是因为水平极化的入射波电场方向与飞机平飞平面平行，飞机在电场方向的投影长度增大导致RCS值增大。仿真结果说明，当隐身目标沿小航路捷径低速飞行时，采用水平极化的米波段电磁波探测，可以有效地削弱飞机这一运动特征对动态RCS的影响。

2.2 高速飞行时动态RCS频率响应和极化响应特性分析

设定F-22目标速度为V=1.7 Ma，其他参数与图7相同。仿真结果如图8，动态RCS的均值和中值如下页表2所示。

图8 V=1.7 Ma时不同频段和极化通道的动态RCS序列

表2 动态RCS的统计参数（单位：dBsm）

由图8和表2可以看出，当超音速隐身飞机沿小航路捷径高速飞行时，其仿真结果与飞机低速飞行时结果相似。

3 结论

为充分研究超音速隐身飞机的运动特征对其动态RCS序列的影响，文中仿真了12组侧站平飞的动态RCS时间序列。仿真结果表明，当飞机沿小航路捷径低速或者高速飞行时，均会对其动态RCS时间序列产生很大的影响。然后仿真分析了F-22隐身飞机在这一运动特征下的频率响应和极化响应特性，得出采用水平极化的米波段电磁波探测，可以有效地削弱飞机速度偏低或者偏高对其动态RCS的影响，增强雷达目标检测的连续性。研究成果对于动态RCS时间序列的测量分析和隐身飞机的预警探测有重要意义，尤其是为雷达探测高性能的超音速隐身飞机目标提供了理论依据。

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Analysis of the Impact of Aircraft Movement Feature on Dynamic RCS Series

LIU Wan-meng，TONG Chuang-ming，WANG Tong，ZHAI Xi-yang

（Air and Missile Defense Academy，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

To solve the problem of difficult detection for supersonic speed stealth target，the dynamic RCS of F-22 stealth aircraft at different movement feature is simulated and the further research on the frequency and polarization response characteristics is done in this paper.The flight tracks are set and the real-time angles of radar sight with random jitter are obtained.Subsequently，by using physical optics and method of equivalent currents，the dynamic RCS of different speed aircraft at different flight tracks is simulated and analyzed.As for the movement feature that has the biggest effect on the dynamic RCS，its dynamic RCS on different frequencies and polarizations is simulated.The simulation results show that the flying speed affects dynamic RCS differently at different flight tricks，and the RCS value is lowest when the aircraft flies at small course short-cut at lower or higher speed.By using the frequency and polarization response characteristics can weaken the influence efficiently.The results of this paper are of great significance to the early warning and detection of supersonic speed stealth aircraft.

movement feature，speed，supersonic speed stealth target，dynamic RCS

V212

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.07.008

1002-0640（2017）07-033-06

2016-05-05

2016-07-17

国家自然科学基金资助项目（61372033）

刘万萌（1993- ），男，山东菏泽人，硕士研究生。研究方向：目标与环境散射。