基于SBR的新型多次散射RCS计算方法研究

齐玉涛 姚凯凯 张馨元

摘 要：复杂目标一般都存在腔体结构或目标部件之间的多次散射效应，对其进行准确预估是提高RCS计算精度的关键。本文从目标三维CAD模型特点出发，在保证模型拟合精度的基础上采用一种新的射线追踪方法，可有效的提高射线追踪精度和计算效率，给出的计算实例表明本文方法具有较高的计算精度，可推广应用于复杂军事目标的RCS计算中，具有较高的工程实用价值。

关键词：雷达散射截面（RCS）;腔体结构;射线追踪;弹跳射线法（SBR）

中图分类号：TN973.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）22-0077-02

0 引言

对于飞机、导弹等具有复杂外形的电大尺寸目标，其主要的散射源包括机翼、机身的面元散射，进气道、尾喷口等腔体结构的多次散射，机身各部件之间的多次散射等等，一般在快速计算过程中往往忽略多次散射计算，影响了计算精度。目前，多次散射计算的高频方法包括模式法（Modal）、迭代物理光学法（IPO）、弹跳射线法（SBR）等多种方法，由于其清晰的物理概念和快速计算的特点，在实际工程应用中占有非常重要的地位，尤其是SBR方法的应用最为广泛，它不但可高效的计算腔体内部散射，也可对部件间的多次散射进行有效分析。但SBR方法也有求解精度和效率受射线追踪精度和效率限制的缺点。对于面元拟合模型，射线追踪精度无法有效保证，造成计算精度的损失，因此可利用Unigraphics造型软件的二次开发功能，基于几何模型直接进行射线循迹，避免模型拟合带来的循迹误差，提高计算效率和精度。

1 理论方法

假设均匀平面波照射通过设定的参考面沿入射方向照射到目标模型上，均匀平面波可表示为：

（1）

其中和分别为电场垂直和水平两个正交分量;

（2）

和分别为入射波的俯仰角和方位角。

SBR方法的计算过程可分为三个部分：

（1）射线管路径追踪。给出目标的几何模型和入射场设置，追踪射线在目标中的整个传播路径;（2）射线管场强追踪。基于几何光学法求出射线最后一次离开目标表面的场强;（3）远场积分求解。根据物理光学法求出目标的后向散射场与RCS。

1.1 基于UG的射線管路径追踪

本文结合UG软件的建模技术和二次开发工具UG/Open API开发了新的射线追踪方法，这种基于UG的新型射线追踪方法不仅能够准确地对NURBS曲面模型进行射线追踪，而且编写程序时不需考虑模型消隐和线面求交等问题，相较于传统射线追踪方法更加高效精确。主要步骤如下：

（1）编写程序获取动态目标模型部件标识名（.tag），UG中所有的模型部件对象都有各自的标志名，通过标志名可访问部件对象所有的几何信息;（2）利用二次开发工具UG/Open API函数获取目标包围盒，选择包围盒的一个面作为参考面，然后在参考面上划分射线管进行射线追踪。当入射方向改变时，调整模型姿态，重新获取目标模型包围盒;（3）通过调用UG/Open API函数求射线与目标表面的交点以及交点处目标表面的法矢量等信息;（4）根据所求得的交点的位置及法矢量等信息，利用Snell定律求出射线在此交点处的反射线;（5）将反射线作为入射线与目标表面进行下一次求交，如此循环往复，直至射线离开目标射向无穷远处。

1.2 场强追踪

在射线追踪过程中，射线管的场强与相位也会随射线的传播而发生相应的变化，根据几何光学原理，沿射线的电场分布表达式如下

（3）

其中和分别为射线与目标第i+1个和第i个交点处入射场，为第i个交点处的并矢反射系数，为两个交点间散射因子。

（4）

1.3 远场积分

本文利用UG及其二次开发工具，将照射在目标上的射线管分为两类。第一类是射线管照射在目标外表面，选择在目标表面作远场积分;第二类是射线管照射在腔体内部，通过在腔体口径面设置一个有界平面，在SBR射线追踪过程中射线管最后一次离开物体表面射向无穷远处时，有界平面筛选出从含腔目标腔体中出射的射线管并在有界平面上作积分;将所有的射线管的积分结果进行矢量叠加，就可以求得整个目标的RCS。

2 计算实例

如图1所示的圆形直腔，腔体外直径15.9cm，内直径15cm，高29cm。图2所示的单向平面元拟合模型，采用底面圆形用内切72边形拟合。入射波频率为10GHz。

针对这两个模型，采用SBR方法进行计算对比，如图3所示，可以看出，总体趋势都比较吻合，但在部分角度时二者偏差较大，且曲面模型的结果更加吻合实验结果，说明为了求解射线与目标的交点，采用复杂面元剖分目标模型会降低SBR算法的计算精度。为进一步说明情况，我们选取目标与Z轴夹角为30°时，进行单条射线垂直极化路径追踪，如图4所示。说明对目标进行平面剖分时，会存在误差，而且误差会随着射线在目标部件间反射次数的增多而增大，随着射线反射次数的增多，射线追踪的误差越来越大，这样求出的RCS精度就会不高甚至是错误的。进一步用实例说明了本文提出的SBR算法具有较高的计算精度。

3 结语

本文针对复杂外形目标多次散射问题，提出基于UG软件二次开发功能进行射线追踪计算RCS的方法，通过仿真计算实例说明可高效的进行射线的追踪，并验证对比了追踪精度，说明了本文方法的可行性，具有较大的工程应用价值。

参考文献

[1] Ling H，Chou R C，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] 李建周，吴昌英，侯新宇，许家栋.基于Unigraphics的雷达散射截面预估软件设计[J].电波科学学报，2005，20（2）：222-225.

[3] 李建周，许家栋，郭陈江，韦高.一体化雷达散射截面计算方法研究[J].西北工业大学学报，2003，21（4）：449-452.

[4] 蒋应富，李建周，许家栋，段洪.新型通用进气道类复杂腔体结构电磁散射计算方法[J].航空学报，2009，30（9）：1740-1744.

[5] 丁凡.基于SBR的舰船目标多次散射RCS计算[J].舰船科学技术，2015，37（4）：98-101.

[6] 孙占久，聂宏，昂海松，卞恩荣.含腔复杂军事目标 RCS综合计算方法[J].南京航空航天大学学报，2009，41（1）：80-84.