隐身飞机目标P频段双基RCS特性仿真与分析

张 森

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088；2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室，合肥 230088)

0 引 言

现代战争中制空权的夺取是决定胜利的关键。目前，美国、俄罗斯以及欧盟各国都部署了先进的隐身战机，其中最具代表性的是美国的F-22战机。F-22隐身超音速巡航战机是由美国洛克希德·马丁公司推出的集隐身性、高机动性、超音速巡航性、多用途、高可靠性与可维护性于一体的第5代先进战机。[1]针对该类隐身目标，传统的单基预警雷达不仅很难完成预警任务，且其自身的生存也成为一个紧迫的问题。双/多基预警雷达系统由于其更好的反隐身、反侦察与抗干扰能力，是未来雷达领域装备发展的一个重要方向。[2]对隐身飞机目标的双基RCS特性进行仿真和分析是双/多基预警雷达系统研究的重要内容之一。[3]

本文以F-22作为典型隐身目标，在三维建模的基础上，使用电磁仿真软件FEKO对其进行P频段(反隐身预警雷达普遍使用的频段)的单、双基RCS特性仿真与分析。在目前缺少有效隐身飞机目标P频段双基RCS实测数据的情况下，该方法具有可重复性好、成本低等优点，能为双/多基预警雷达系统的设计及使用提供仿真依据。

1 目标建模与仿真方法

隐身目标的建模是计算其RCS的基础。隐身目标的建模反映的是其外形隐身技术，所建模型的精确程度直接决定其电磁散射特性分析的精确程度。对于F-22隐身飞机目标，目前已有较为精确的CAD三维模型，如图1所示，可利用FEKO软件提供的多种建模数据接口实现直接导入。

图1 F-22飞机三维模型

RCS的各种仿真计算方法均是针对面元进行的。所以，在做电磁仿真计算前，还需要对模型进行面元剖分，得到相应的网格模型。网格模型剖分的粗细程度直接影响电磁计算的精度。对于同一模型，网格剖分越精细网格质量越好，采用同一算法进行电磁计算的精度就越高，但计算时间和对仿真计算机硬件的需求就越大。F-22飞机的翼展13.53 m、机身18.9 m、机高4.049 m。对于P频段(400～500 MHz)，网格模型在剖分过程中其三角面元尺寸设置不超过λ/12，λ对应500 MHz频率的波长。剖分结果如图2所示。

图2 F-22飞机网格剖分模型

网格的疏密由对应区域的复杂程度决定，越复杂的区域剖分的越密。这为计算结果的精确性提供了保证。

在电磁仿真计算中关注的是目标的电尺寸，电尺寸是用波长λ来衡量的。如果目标物理尺寸是L，定义L和波长λ的比值为K=L/λ。当比值小于10时目标就被认为是电小尺寸目标，而大于10时就被认为是电大尺寸目标。对于同一种电磁散射特性仿真算法，当目标的电尺寸增大时算法对计算能力和计算存储量的要求也就越高。当雷达频率提高且电尺寸増大到超过计算机能力限制时就需要采用更加优化的算法。但是，优化算法相对于全波分析算法来说精度略差，计算方法的选择一般来说是计算时间与计算精度的折中。本文研究的频段为普遍用于各种预警雷达的P频段(400～500 MHz)。F-22隐身飞机为电大尺寸目标，选用FEKO软件内置的拥有较高效率和精确度的多层快速多级子算法进行双基RCS计算。[4]

2 单基RCS计算与分析

2.1 全方位单基RCS特性仿真分析

以中心频率450 MHz水平极化为例，F-22飞机全方位的单基RCS仿真结果如图3所示。

图3 F-22飞机全方位单基RCS

战斗机在实际作战过程中巡航、突防和逃逸是最主要的3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。突防时，飞机的鼻锥方向是威胁最大的方向。而在逃逸过程中，飞机的尾向暴露给雷达。如仅研究机身平面内局部方位角范围的RCS特性与实际情况不符，因为飞机不可能与雷达在同一高度。因此，主要分析F-22飞机侧向、头向和尾向3个局部区域的单基RCS特性，姿态角范围分别为头向60°≤θ≤120°、-30°≤φ≤30°；侧向60°≤θ≤120°、60°≤φ≤120°；尾向60°≤θ≤120°、150°≤φ≤210°。由于目标的RCS会随姿态角剧烈变化，因此用统计的方法对飞机目标3个重点姿态角区域的RCS进行比较分析[5]，分别选用均值、极大值和极小值3种统计参数，比较结果如表1所示。

表1 重点姿态角区域RCS统计表(dBsm)

从仿真结果中可以看出，在方位角小于30°、俯仰角60°～120°的头向范围内，目标的RCS值较小。该角度范围是飞机作战时的主要威胁范围，通过外形隐身已经能够实现飞机的低散射特性。而在侧向、尾向区域，以及俯仰角小于30°或大于150°区域时，目标的RCS都具有较高的值，目标无外形隐身特性。

2.2 不同频点单基RCS特性仿真分析

采用典型俯仰角θ固定为90°的情况来进行不同频点F-22飞机目标RCS趋势分析，仿真结果如图4所示。

图4 单基RCS均值随频率变化趋势

从仿真结果中可以看出，在分析频段内，不同频率对应目标RCS的起伏特性变化并不大，且在所有频点、侧向和尾向区域相较于前向区域均具有更大的RCS值。

3 双基RCS计算与分析

以中心频率450 MHz水平极化为例，F-22飞机双基RCS仿真结果如图5～图8所示。图9为双基RCS散射特性示意图。

图5 F-22目标双基RCS(入射θ=90°、接收θ=90°)

图6 F-22目标双基RCS(入射θ=60°、接收θ=60°)

图7 F-22目标双基RCS(入射θ=60°、接收θ=120°)

图8 F-22目标双基RCS(入射φ=30°、入射θ=60°)

图9 双基RCS散射特性示意图

根据以上对不同入射和接收方向的双基RCS电磁仿真计算和分析，总结出F-22飞机目标的全空域双基RCS特性如下(其中θ与φ分别指入射方位角和入射俯仰角)：

(1) 双基RCS最大位置

考虑到电磁波波粒二象性中的波的性质，任何情况下双基RCS最大值都出现于入射波方向的背向(180°-θ，180°+φ)附近。

(2) 双基RCS次大位置

考虑飞机平飞时上表面和下表面面积最大，由于电磁波的波粒二象性中的粒子性，次大值产生在以飞机上表面或者下表面为反射面的光学路径方向(θ，180°+φ)附近。

(3) 双基RCS第3大位置

在入射方向与飞机平面夹角较小时(即60°<θ<120°)，考虑飞机平飞的情况下飞机侧面的面积也很大。同样，由于电磁波的波粒二象性的粒子性，在(90°，180°-φ)附近有RCS第3大值。

依据上述结论，双/多基预警雷达系统可使用多部雷达从不同方向联合探测实现反隐身。在上述3个RCS大值方向上较单基预警雷达系统，双/多基预警雷达系统能够获得约15 dB的RCS增益。

4 结束语

本文基于FEKO软件对F-22隐身飞机目标的P频段单双基RCS电磁散射特性进行仿真和分析，通过仿真得出：F-22隐身飞机目标虽然在头向单基RCS很小，但在侧向、尾向及俯仰角小于30°或大于150°区域，其单基RCS会变得较高，并无隐身特性；其双基RCS具有3个大值区域，相对于入射方向(θ，φ)，最大值区域为背向(180°-θ，180°+φ)附近，次大值区域为光学路径(θ，180°+φ)附近，当入射方向与飞机平面夹角较小时第3大值区域出现在(90°，180°-φ)附近。该结论可为双/多基预警雷达系统的设计及使用提供仿真依据。