某型空中靶标雷达反射特性增强技术研究

2018-07-04郭晓鹏章玮玮张林锐高伟波

兵器装备工程学报 2018年6期

郭晓鹏，肖军，章玮玮，张林锐，高伟波

(1.陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050000; 2.中国华阴兵器试验中心，陕西华阴 714200)

空中靶标是武器攻击或探测空中目标的替代物，是一种动态实物模拟器。它用来检验整个武器系统的战术技术性能[1]。因此，从武器系统考核要求出发，要求空中靶标雷达反射特性尽可能逼真于真实目标。由于空中靶标在外形尺寸(翼展4～7 m，机体长度3～6 m，远小于真实目标)、形态结构(机体大部分为木质材料或纤维复合材料)等方面与真实目标差别较大，因此自身的雷达散射截面积比真实目标要小得多，如国产B—2靶机平均的雷达反射截面积约为 -6 dBm2。国内关于直升机的雷达散射截面积的计算结果表明，在雷达探测最具威胁的鼻锥方向,直升机RCS的算术均值为8.2 dB[2]。直接使用空中靶标模拟武装直升机，考核武器系统综合效能时，往往不能全面考核武器系统探测、识别、捕获、跟踪目标等方面的实际能力；在原型机上改造时，又存在周期长，成本高等不足[3-4]，因此，必须采取雷达增强技术，增强空中靶标雷达反射特性，使物理尺寸较小的空中靶标等效于物理尺寸较大的真实直升机，从而提高空中靶标可探测性，全面考核武器系统探测、识别、捕获、跟踪目标等方面的实际能力。

1 空中靶标雷达反射特性模拟计算

随着对目标雷达散射截面积计算精确预估和低成本等要求的不断提高，各国相继开发和推出了一批用于目标雷达散射截面积分析计算的软件(如FEKO,XPATCH,GRECO等)，仿真计算也迅速成为目标RCS计算的首选方法[5]。

FEKO是一个以矩量法(MOM)为基础的三维全波电磁场分析软件[6]，集成了多层快速多极子方法(MLFMA)、物理光学法(PO)等多种算法，形成了一套完整的电磁计算体系。采用FEKO软件对靶标RCS计算分析，可以分为几何建模、网格剖分、求解计算三个步骤[7]。

1.1 几何建模

FEKO软件可以利用自带的CADFEKO模块建立几何模型，也提供了丰富的导入其他建模软件接口。对于复杂模型，一般通过专业的3D软件建模(如UG,Pro Engineer,Catia等)，然后通过FEKO软件接口导入已建立的三维模型。3D建模中，需利用CAD模型处理工具，在不影响整机RCS特性的情况下，对靶标连接、尾喷口以及由于CAD造型原因导致的靶标表面缝隙等部位进行封闭和模型修复处理。本文采用FEKO自带的建模模块，分别建立靶标机体模型、发动机模型和靶标组合模型如图1～图3所示。

1.2 网格剖分

网格模型剖分的质量和数量决定了FEKO软件计算能否成功以及计算时间的长短，例如，计算一个200万个未知量的网格模型需要25 GB的计算机内存和10 h左右的计算时间，所以，网格剖分应以节约时间和计算机资源而又能成功计算为准则。

FEKO软件自身具有网格剖分功能，但对于复杂大尺寸目标，FEKO软件剖分的网格质量一般很难满足计算要求，需采用HYPERMESH,ICEM CFD,ANSYS等专业软件剖分网格。网格划分一般取入射波1/6～1/10波长为网格单元边长，就可以满足FEKO软件的要求，但对于品质比较好的网格模型，可以适当增大网格尺寸，从而节约时间和计算机硬件资源[8]。网格划分完成后模型如图4～图6所示。

1.3 求解计算及结果分析

CADFEKO中矩量法(MoM)可以求解任意目标RCS且精度高，但是对硬件要求高；多层快速多极子方法(MLFMA)算法在满足一定精度的情况下提高了计算速度，因此选用多层快速多极子方法(MLFMA)算法[9]。

求解计算主要是正确设置参数，靶标机体材料为玻璃钢,密度0.98 kg/m3，介电常数3，正切损耗0.1，入射波300 MHz，水平极化，采用MLFMM方法计算0～360°的水平面单站RCS方位图每10°取一个点，分别计算靶标机体模型、发动机模型、靶标组合模型的RCS分布图和RCS方位图，如图7～图12所示。

从其中可以看出，靶标机体RCS最大值为-4.61 dB(0.346 m2)，发动机RCS最大值为-9.11 dB(0.123 m2)，靶标组合模型RCS最大值为-3.18 dB(0.48 m2)，由于靶标自身雷达反射特性远远弱于武装直升机，因此需采用增强技术实现增强空中靶标雷达反射特性。

2 空中靶标雷达反射特性增强

随着对空武器系统的不断发展，空中靶标目标特性模拟技术不断发展，雷达增强技术主要有无源雷达增强技术和有源雷达增强技术两种[10,11]。有源雷达增强系统犹如一部应答机，但是它能适用于多种波段，并对回波进行放大增强，但需要反复选择天线、天线位置，反复调试，且系统要由机上供电，成本较高，因而不适用于中小型空中靶标。无源雷达增强技术主要采用铝箔涂覆、角反射器、龙伯透镜等无源增强器增强靶标雷达反射特性，其特点是装设较为简便，无需电源，无需电气连接，质量轻，效率高，成本低，适用于中小型空中靶标。

利用铝箔涂覆技术对某型空中靶标的减速板和垂尾进行了增强(见图13、图14)。

对平面反射，增加的雷达反射截面积σ

(1)

式中：σ为雷达反射截面积(m2)；b,h为铝箔涂平面长和宽(m)；λ为入射波波长。

对圆柱体反射，增加的雷达反射截面积σ

(2)

式中：r为涂覆圆柱面半径(m)；h为涂覆圆柱面高(m)。

根据减速板和垂尾实际尺寸，建立减速板和垂尾的FEKO模型，进行网格化分后，加载300 MHz水平极化波，得到结果如下：

1) 阻力板贴敷铝箔纸后，靶标雷达反射截面积增加0.11 m2(-9.42 dB，见图15)，靶标在迎头方向雷达反射特性增强最明显(-9.42 dB)，增加约25%，尾向增加约-13 dB(见图15)；

2) 垂尾板贴敷铝箔纸后，靶标雷达反射截面积增加0.816 m2(-0.9 dB，见图16)，雷达反射特性在入射波垂直于垂尾时达到最大值(见图16)，此时靶标雷达反射特性增加约185%；

3) 靶标整体贴敷铝箔纸后，靶标雷达反射截面积增加8.85 m2(9.47 dB)，见图17，接近直升机鼻锥(见图17)，方位角60°～120° )方向RCS的算术均值(8.2 dB)，可以在一定程度上模拟直升机的RCS特性。