金属介质混合无人机目标强散射区域研究

(空军预警学院， 湖北武汉 430019 )

0 引言

在现代军事战争中，无人机作为新一代飞行作战平台，可以对战场环境进行临空侦察，对重要目标实现快速发现、抵近和摧毁。为了提高无人机的生存和突防打击能力，隐身技术在无人机上得到了广泛的应用。目前隐身技术主要分为隐身外形设计和雷达吸波材料(RAM)涂敷[1-2]。无论是采用外形技术降低目标的雷达散射截面(RCS)，还是对其表面涂覆RAM，飞行器目标RCS的评估分析和掌握目标的强散射区的分布情况是十分重要的。

许多学者对飞行器目标强散射区的提取和局部RAM涂敷进行了研究。文献[3]采用物理光学法计算了复杂目标的主要回波源，并分析了RAM涂覆后的散射特性。文献[4]提出了二维高分辨成像及散射中心提取技术，实现了对隐身飞机散射特性的快速分析。文献[5-6]用高阶矩量法仿真分析了介质涂覆目标的双站散射特性，为介质涂覆材料在导弹上的设计应用提供了依据。文献[7-8]基于射线追踪法提出了一种确定复杂目标强散射区的方法，通过涂覆RAM实现了目标RCS的有效减缩。针对飞行器目标的RCS计算多集中于金属结构，其散射特性分析和强散射区提取方法通常基于物理光学、射线追踪和边缘绕射原理，此类分析方法通常忽略目标各部分相互间的藕合效应，虽然具有简便、快速的特点，但仅适用于电大尺寸目标的电磁散射问题，并且对于几何构形复杂或金属介质混合目标则存在一定困难。而无人机多采用金属介质混合目标，针对该类目标电磁散射特性分析的报道还相对较少。

为此，本文从机体等效面电流的角度出发，针对无人机具有内部金属结构和薄介质外壳的特点，基于薄介质金属(TDS-PEC)表面积分方程方法，建立无人机散射问题的电磁场积分方程，通过矩量法求解得到了无人机的面电流分布，仿真分析了ABS塑料、木材和玻璃钢三种典型介质材料为外壳的无人机散射特性，基于其单站RCS和在典型入射方向上的等效机体面电流分布情况确定强散射区。通过在强散射区涂覆RAM，给出了针对不同介电常数机体外壳的RCS减缩方法，有效地降低了机体面电流分布情况，实现了良好的RCS减缩效果。

1 RAM涂覆目标RCS计算理论

1.1 基于薄介质结构的表面积分方程

在雷达常用的L、S、C波段，无人机的介质外壳厚度一般都远小于介质波长，薄介质上的场在介质剖面上可认为是常数。针对这种薄介质层结构，采用TDS-PEC表面积分方程方法相比于其他全波分析方法，对于计算具有涂覆介质的金属结构目标时，其计算量可以大大减少[9]。

对于无人机内部金属，其表面的电场积分方程可表示为

(1)

(2)

式中，k为自由空间的波数。

对于常规电介质材料的薄机体外壳，其相对磁导率为μr=1，故忽略介质中等效磁流对散射方程的影响，同时认为机体外壳为封闭的壳体，其边缘效应可以忽略，则薄介质中的TDS表面电场积分方程可表示为

(3)

式中,τ为薄介质外壳的厚度，Jd为介质壳体上的极化电流，考虑其沿表面同时存在法向分量和切向分量，εr为介质壳体的相对介电常数，Sd表示介质表面。

对于具有吸波特性的超材料介质，其相对磁导率为μr≠1，介质中等效磁流对散射方程的影响不可忽略。但其涂覆在闭合金属结构上，则有薄介质中电场的切向分量和磁场的法向分量可以忽略，则闭合金属涂覆吸波超材料的电场积分方程可表示为

(4)

将式(1)、式(3)、式(4)组成联立方程，根据矩量法对其用RWG基函数进行离散和加权后得到一系列的矩阵方程，然后在求解该矩阵方程得到所需要的电流系数，即可求得介质和金属上的面电流分布情况。其有效性和准确性在文献[10-11]中进行了验证，本文直接采用该方法对金属介质混合材料无人机的面电流分布情况进行分析。

1.2 RCS计算

雷达散射截面的一般表达式为

(5)

式中，Esc表示散射电场，Einc表示入射电场。其中基于TDS-PEC方法求解的散射场可表示为

(6)

1.3 RAM参数设计

具有金属背板的单层RAM吸波涂层对于单频点电磁波具有良好的吸波性能，结构如图1所示，主要设计参数为复介电常数ε、复磁导率μ和涂覆厚度d，其中涂覆厚度一般小于1/4波长，复磁导率一般复值模小于10，幅角小于45°[12]。具体参数可通过传输线理论进行设计。

图1 涂覆单层吸波示意图

根据正入射条件下的传输线理论，从吸波层表面看向区域3的输入阻抗为

(7)

吸波层表面的电压反射系数为

(8)

当反射系数Γ=0时，有Zin=Z1。当区域3中为金属时，其特性阻抗Z3=0，根据式(7)可以得

(9)

当区域2中的介质参数μr，εr和d满足方程(9)，则入射波通过区域2时，被区域2完全吸收。

当区域3为空气时，其特性阻抗与区域1相同，即Z3=Z1，当反射系数Γ=0时，根据式(7)可以得

(10)

则入射波通过区域2时具有透射和吸波特性，而不具有反射特性。

2 典型介质材料外壳的散射特性分析

采用TDS-PEC方法对ABS塑料、木材和玻璃钢三种典型介质材料为机体外壳的金属介质混合无人机目标进行了计算，给出垂直极化波入射条件下，水平方位面上的单站RCS仿真结果。在实际作战过程中，无人机的巡航和突防是最主要的两个阶段，巡航时，飞机一般作侧向平飞运动，飞机的侧向暴露给雷达；而在突防过程中，飞机的鼻锥方向是威胁最大的方向，且这两个方向下的无人机单站RCS具有较大值。因此将这两个方向作为典型入射方向进行分析，根据该入射条件下的等效面电流分布情况作为强散射区提取的依据。相对于无人机体坐标系电磁波入射方向如图2(a)所示，入射波从水平方位面内入射，俯仰角为0°，方位角为φ。当φ=0°时，入射波从机头方向入射；当φ=90°时，入射波从机身侧向入射；当φ=180°时，入射波从机尾方向入射。

假设金属介质混合结构无人机身长为1.20 m，翼展为1.06 m。无人机外壳采用介质材料，厚度为5 mm，内部器件为金属结构。利用Solidworks软件建立三维金属介质混合材料无人机模型，通过Hyermesh对模型简化和修复，并产生仿真计算所需的高质量网格[13]，其内部剖面结构如图2(b)所示，灰色部分为介质机体外壳，黄色部分为内部金属结构。仿真分析该目标垂直极化入射条件下的单站RCS，计算频点为3 GHz。

(a) 整机图

(b) 内部剖面图图2 无人机结构模型

2.1 ABS塑料

ABS工程塑料为最为常见的机体外壳材料，其质量轻，易加工和塑形，是透射性良好的介质材料，其典型的相对介电常数εr=1.5,tanδ=0.001。对ABS塑料材质为机体外壳的金属介质混合无人机进行仿真。其水平方位面上的单站RCS结果如图3中实线所示，可以看出，其主要反射方向为0°，90°，180°，其中0°方向上的散射主要由机头金属部件产生，90°方向上的散射主要由机身侧面金属结构产生，在180°方向散射主要由机尾电机产生，65°方向散射由机头、机身中部结构在该方向的散射同相叠加产生。

图3 涂覆RAM后无人机单站RCS减缩效果比较

仿真分析垂直极化波沿机头方向入射时激励的机体面电流分布如图4(a)所示，沿机身侧向入射时激励的机体面电流分布如图4(b)所示。通过对机体面电流的比较分析发现，机身面电流在机体内部金属部件上分布较强，散射主要由机体内部的金属零件产生，在介质结构机体外壳上并未形成较大的面电流分布，其对目标RCS贡献较小。在机头方向入射时，在机体各个内部金属部件的前端产生了较大的面电流分布，在机身侧向入射时，在机体内部各金属部件的侧面产生了较大的面电流分布，因此确定强散射区为机体内部金属结构。

(a) 机头方向入射

(b) 机身侧向入射图4 ABS材质无人机的面电流分布

为进一步验证，ABS金属混合材质无人机的强散射贡献区为机体内部金属部件，根据2.2节设计一种工作在3 GHz的薄RAM材料，其RAM参数为：相对介电常数εr=16∠30°, 相对磁导率μr=25∠20°, 涂敷厚度d=2.6 mm，该参数满足式(3)，使其对3 GHz频点的入射波具有良好的吸波效果。

仿真分析RAM涂敷在机体内部金属后的无人机散射特性，水平方位面上的单站RCS结果如图3中虚线所示，可以看出，在大多数角域的单站RCS减缩效果明显。在0°方向上RCS降低了 -19.2 dB，在90°方向上RCS降低了-5.2 dB，在180°方向上RCS降低了-12.8 dB。在40°和120°角度上RCS 降低较小，可能的原因是部分金属结构的边缘为直角结构，RAM涂覆在金属棱边处时的吸波性能较差，导致RCS减缩效果不佳。无人机等效面电流分布情况如图5所示，其中在机头方向入射时激励的机体面电流分布如图5(a)所示，在机身侧向入射时激励的机体面电流分布如图5(b)所示。可以看出，RAM涂覆明显降低了内部金属部件上的等效面电流分布情况。对于低介电常数的介质材料，薄机体外壳主要成透波特性，在机体外壳上形成的等效面电流分布较弱，针对机体内部金属部件的RAM涂覆可以实现良好的RCS减缩效果。

(a) 机头方向入射

(b) 机身侧向入射图5 机体内部涂覆RAM后无人机面电流分布

2.2 木材

木材为传统的机体材料，具有良好的韧性且不易变形，能在较大的温度范围内保持良好的材料特性，干燥的木材是透射性良好的介质材料，其典型的相对介电常数为εr=2.8,tanδ=0.002。针对机体外壳为木材的金属介质混合无人机，仿真分析其在水平方位面内的单站RCS。仿真结果如图6中实线所示，可以看出，其主要反射方向为0°,30°,70°,90°,150°和180°，其中0°方向散射主要由机头金属部件产生，30°和70°方向上的散射主要由机身侧面和机身机翼前沿交汇处产生，90°方向散射主要由机身侧面产生，150°方向散射由机身中部金属部件和机尾电机在该方向的散射同相叠加产生，180°方向散射主要由机尾电机产生。

图6 涂覆RAM后无人机单站RCS减缩效果比较

垂直极化波在机头方向和机身侧向入射时激励的机体面电流分布如图7(a)、(b)所示。通过对机体面电流的比较分析发现，机身面电流在机体内部金属部件上分布较强，RCS强反射部位主要通过机体内部的金属零件完成，在机身侧面和机身机翼前沿交汇处，以及介质材料垂尾上形成了较强的等效面电流分布，在介质结构的机翼上并未形成较大的面电流分布，机体外壳整体对RCS贡献较小。在机头方向入射时，在机体各个内部金属部件的前端和介质材料垂尾上产生了较大的面电流分布，在机身侧向入射时，在机体内部各金属部件和机身圆柱的侧面产生了较大的面电流分布，因此确定强散射区为机体内部金属、机身侧面和机身机翼前沿交汇处和垂尾部分。

(a) 机头方向入射

(b) 机身侧向入射图7 木材材质无人机的面电流分布

为了实现RCS减缩效果，降低机体上产生的等效面电流分布，在强散射区涂覆RAM，其参数与2.1节中的RAM参数相同。其水平方位面内的单站RCS结果如图6中虚线所示，可以看出，在大多数角域的单站RCS减缩效果明显，在散射较强的几个方向上均实现了-7 dB以上的RCS减缩效果。只是在40°和120°角度上RCS 降低较小，与2.1节中相类似。无人机等效面电流分布情况如图8所示，其中在机头方向入射时激励的机体面电流分布如图8(a)所示，在机身侧向入射时激励的机体面电流分布如图8(b)所示。可以看出，RAM涂覆明显降低了强散射区上的等效面电流分布情况，实现了良好的RCS减缩效果。

(a) 机头方向入射

(b) 机身侧向入射图8 机体内部涂覆RAM后无人机面电流分布

2.3 玻璃钢

除了低介电常数的薄介质材料，玻璃钢常作为无人机机体外壳来改善机体强度，其具有质轻而硬、不导电、机械强度高、耐腐蚀等特性。由于所使用的树脂和纤维材料不同，材料的电参数差异较大，且具有较大的介电常数和损耗正切值。这里选取一种常用的环氧树脂玻璃纤维作为机体外壳，其典型相对介电常数为εr=4.5,tanδ=0.005。对金属介质混合无人机的水平方位面内的单站RCS进行仿真，仿真结果如图9中实线所示，可以看出，由于金属外壳的散射特性增强，无人机在多个入射方向上均具有较强的散射特性。

图9 涂覆RAM后无人机单站RCS减缩效果比较

(a) 机头方向入射

(b) 机身侧向入射图10 玻璃钢材质无人机的面电流分布

机体面电流分布如图10所示，当入射波从机头方向入射时形成的机体面电流分布如图10(a)所示，当入射波从机身侧向入射时形成的机体面电流分布如图10(b)所示。通过对机体面电流的比较分析发现，机体外壳介质的相对介电常数升高，其散射作用更加明显，在机体外壳上形成的等效面电流变大，其对RCS的贡献不可忽略。在机头方向入射和机身侧向入射时，由于机体外壳的散射和耦合作用，机身内部金属部件的前端和侧向均产生了较大的面电流分布，且在介质材料的垂尾和机翼上也形成了较强的面电流分布。

为了降低玻璃钢金属混合材质无人机的RCS，根据其介质机体外壳的等效面电流分布特性，提出3种RAM涂覆方式，方案1只对内部金属部件上涂覆RAM材料，其参数与2.1节中的材料参数相同。方案2对全机身涂覆具有金属衬底的RAM材料，方案3在机体内部涂覆RAM，同时在机体外壳中添加铁氧体粉末，增加材料的相对磁导率[14-15]，设机体外壳的相对磁导率与相对介电常数相等，通过式(10)可以看出，此时材料的反射特性较小,主要体现为透射或吸波特性。

(a) 机头方向入射

(b) 机身侧向入射图11 机体内部涂覆RAM后无人机面电流分布

仿真分析3种方案的RCS减缩性能，对于采用涂覆方案1的无人机，其在水平方位面上的单站RCS仿真结果如图9中的红色圆圈标记的虚线所示。在机体外壳材质的相对介电常数较高时，只对内部金属部件涂覆RAM的减缩效果并不理想，在30°,60°,90°和140°等方向上几乎没有减缩效果。对其在机头方向入射和机身侧向入射时形成的机体面电流分析如图11所示，可以看出相比于低相对介电常数的介质，方案1仍在玻璃钢材质的机体外壳上形成了较大的面电流分布情况，其对RCS的贡献较大，仅对机体内部金属部件无法实现较好的RCS减缩效果。

采用减缩方案2的无人机，其在水平方位面内的单站RCS仿真结果如图9中蓝色倒三角标记的虚线所示，其整体RCS减缩效果略好于方案1，但在30°,90°,140°方向上的减缩效果较差。在机头方向入射和机身侧向入射时形成的机体面电流如图12所示，方案2降低了无人机整机的面电流分布效果，但大尺寸的介质机体外壳均对RCS产生了贡献。在机头、机翼前缘和机身外壳侧向部位存在曲率变化较大区域，该部位上RAM的吸波效果较差，虽然对整机进行了RAM材料涂覆，但其带来的减缩效果并不明显，且全机涂覆需要较高的RAM材料成本。

(a) 机头方向入射

(b) 机身侧向入射图12 全机身涂覆RAM后无人机面电流分布

对于采用涂覆方案3的无人机，其在水平方位面上的单站RCS仿真结果如图9中的绿色正三角标记的虚线所示，其整体RCS减缩效果相比于方案1、2更为明显，在0°方向上RCS降低了-22.0 dB，在90°方向上RCS降低了-7.9 dB，在180°方向上RCS降低了-5.8 dB。对其在机头方向入射和机身侧向入射时形成的机体面电流分析如图13所示，由于调整了机体外壳材料的相对磁导率，改善了介质结构机身对电磁波的透射性能，使其机身上形成的等效面电流大大降低，使得对RCS贡献的等效面电流分布集中在内部金属部件上，并通过涂覆RAM的方式进行集中吸收，最后实现了良好的RCS减缩效果。

(a) 机头方向入射

(b) 机身侧向入射图13 透射性材料机体外壳和内部涂覆RAM后无人机面电流分布

3 结束语

本文从机体等效面电流的角度出发，针对无人机具有内部金属结构和薄介质外壳的特点，基于TDS-PEC方法建立无人机散射问题的电磁场积分方程，通过矩量法求解得到了无人机的面电流分布，分析其单站RCS特点和在典型入射方向时的等效机体面电流分布情况，并确定强散射区。通过对强散射部位涂敷RAM材料，降低了机体面电流分布，实现了良好的RCS减缩效果。当机体外壳的介电常数较低时，其强散射区主要集中在内部金属结构上，随着介电常数的增加，其薄介质外壳对RCS的贡献不可忽略，并在壳体上形成新的强散射区。通过改善非金属材质机体外壳的透射性，使得强散射区域集中在具有RAM涂覆的内部金属结构上，相比于全身RAM涂覆，实现了良好的RCS减缩效果的同时，减少了RAM的涂覆成本，研究结果对无人机的隐身设计具有参考意义。