基于RCS的舰炮防护罩隐身外形设计及优化

宋洪震，姚忠，康总宽，杜喜昭

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

在现代海战中，隐身对于舰船的生存力有着重要的意义[1-4]。水面舰船隐身主要包括雷达隐身、声隐身、红外隐身以及其他物理场隐身。对于现代舰船，其海上探测手段主要依靠雷达，海上作战主要的攻击武器中如舰炮、反舰导弹等也要依靠雷达系统来完成对目标的指示和制导[5]，因此雷达隐身就特别重要。作为舰面上重要的舾装件，舰炮位于舰面明显和开阔的位置，结构上无法与舰船上层建筑融为一体，因其体积大，雷达特征信号显著，对舰船的隐身性能有较大的影响[6-11]。舰炮的雷达隐身已成为各国海军的重点关注问题之一。目前国内外对于舰炮隐身的技术手段主要集中于外形隐身技术和雷达吸波材料的应用[9-12]。外形隐身设计具有效果好、适应波段宽、不需维护等优点，是新式武器系统在设计和研制过程中最为有效和首先应当采用的隐身途径[1,11-12]。如今国内外中大口径舰炮皆使用了具有隐身性能的多面体防护罩，有的还涂覆了吸波涂料[7]。文献[10]以舰面设备防护罩为对象，设计3种不同倾角的隐身外形方案，使用物理光学法对3种方案进行了RCS仿真，确定了隐身外形倾角优选方案。文献[11]使用矩量法对某型无人武器站防护罩初始模型进行了RCS仿真，根据仿真结果改进了防护罩侧面的倾斜角度和使用V字形斜面，对无人武器站进行整体覆盖，实现了武器站整体隐身，为体积较小且需外露的目标实现隐身设计提供了一种可行的方法。大口径舰炮防护罩体积大，使用文献[10-11]隐身外形方案会造成防护罩体积臃肿，质量增加，而且尺寸过大的平板结构会增大雷达散射特性，从而使防护罩的隐身性能大大降低。从大口径舰炮总体布局出发，利用外形隐身技术，笔者设计了一种多面体外形隐身防护罩初始模型，使用物理光学法对其进行RCS仿真来评估防护罩的隐身性能。

1 雷达隐身理论

1.1 雷达截面(RCS)

雷达截面(RCS)是一种表征目标雷达散射强弱的物理量，常用σ来表示量值，单位m2.目标的RCS与目标的几何外形、尺寸、材料电磁参数、目标在雷达入射时的姿态角、入射波的频率和波形、极化方式等因素有关[1,12]。目标RCS表示为

(1)

式中：Pt为雷达发射功率；Pr为雷达接收功率；Gt为雷达发射增益；Gr为接收天线增益；λ为雷达波长；R为目标到雷达的距离。

从式(1)可知，目标的RCS与探测距离R的四次方成正比。在雷达设计参数确定的情况下，降低目标的RCS，可大大缩短雷达的探测距离。

由于RCS值波动比较大，在实际应用中常用分贝值(即相对于1 m2的分贝数)来表示：

σdBsm=10 lgσ.

(2)

1.2 外形隐身设计原则

由于垂直面的镜面反射>二面角反射>凹腔反射>曲面镜面反射>爬行波绕射>边缘反射>尖顶反射>倾斜平面镜面反射[13],因此在舰炮防护罩外形隐身设计时应尽量避免强反射源，主要考虑以下几点因素[1,7,8,12]：

1)避免有可能产生镜面反射的平面、大曲率半径的镜面；

2)避免防护罩外侧暴露的缝隙、腔体、缺口等；

3)消除或减少防护罩外侧的边缘和尖顶结构；

4)避免角反射器结构(如3个平面垂直相形成的角反射器，会使照射过来的电磁波通过多重反射，返回到原来的方向，而且在宽广的范围内,呈现很大的反射面积)；

5)尽量实现防护罩外侧面平滑、干净，将必须的凸出物和外挂物与防护罩融合体设计；

6)考虑面对的是单站雷达还是双站雷达。

2 防护罩初始模型

大口径舰炮要求防护罩要满足结构紧凑、质量轻、内部空间可供人操作设备和走动、低RCS等技术指标。以防护罩长、宽、高为尺寸约束条件，结合外形隐身设计原则，设计了多面体外形隐身防护罩初始模型，如图1所示。除面板13是内倾8°，其余面板都是内倾5°，倾角内倾为正。

防护罩外形最大尺寸大于200波长(X波段)，属于电大尺寸物体，占用的CPU核数和内存很大，在一般工作站计算机上难以实现全尺寸计算。因此笔者建立了如图1所示的防护罩1∶20缩比模型，在电磁仿真软件FEKO[14]中使用物理光学法(Physical Optics，PO)进行RCS仿真。

2.1 物理光学法(PO)

物理光学法[12,15]是一种计算电大尺寸物体雷达散射截面的电磁仿真算法。物理光学法通过对感应场的近似积分而求得散射场，计算表面感应电流时完全忽略了各部分感应电流相互之间的影响，而仅根据入射场独立的近似确定表面感应电流。

在应用物理光学法来分析目标的散射场问题时，需要从Stratton-Chu积分方程出发，并做如下假设：物体表面的曲率半径远远大于波长；物体表面上只有被入射平面波直接照射到的区域才会产生感应电流；物体的受照射表面上的感应电流特性和在入射点与表面相切的无限大平面上的电流特性相同。目前使用物理光学法计算目标雷达散射截面，普遍是将目标表面剖分为许多小三角形面元，用这些小三角形面元来求解散射场，对于求解其中的积分，只需要在每个三角形上进行计算，这为计算任意形状目标的雷达散射截面提供了极大的便利。

防护罩缩比模型尺寸大于仿真频率波长的10倍，因此其雷达散射特征属于高频散射特征区，而且防护罩外形特征主要是平板结构，因此采用物理光学法(PO)对防护罩进行仿真计算。

2.2 仿真设定

在FEKO中，坐标系设置如图2所示。

对于舰炮的威胁主要是来自敌方舰船和空中雷达的探测，多为单站雷达，二者对舰炮的探测方向近似平行于水面[12]，在仰角方向上基本限制在相对于水面0°～3°，在方位角方向上是均等的。因此，在FEKO中选取探测仰角θ为87°～90°、方位角φ为0°～360°进行远场单站RCS计算。对舰炮威胁最大的是舰载火控雷达，主要处于X波段，频率8～12.5 GHz.在仿真中取8、10、12.5 GHz 3种频率，采用平面波，极化方式分别采用垂直极化、水平极化，防护罩为全金属化物体。

2.3 仿真结果分析

对防护罩进行多频率、多探测仰角下的RCS仿真，结果如图3、4所示。

对比图3、4中RCS曲线可知：

1)防护罩周向RCS的强散射源都处于0°(360°)、90°、180°、270°方位，而且曲线分布规律一致。

2)同一频率下，探测仰角从87°增大到90°，防护罩的RCS值逐渐变小。这表明防护罩的RCS值与探测角度有关，雷达波入射方向与防护罩面板法线之间的夹角(也就是入射角)越大，防护罩的RCS值越小。因此，增大面板的倾斜角度可以减小防护罩的RCS值。

3)在0°(360°)、180°附近雷达特征主波瓣较窄，而在90°、270°附近雷达特征主波瓣宽大，这表明防护罩在0°(360°)、180°附近很窄的区域内雷达特征信号明显，在90°、270°附近较宽区域(也就是防护罩两侧面)内的雷达特征信号明显。这些区域隐身效果不好，需要采取措施削弱。

3 防护罩外形优化

从上述仿真结果分析中可知：在同一频率下，防护罩在探测仰角87°时RCS值最大，而通过优化防护罩周向各面板的倾斜角度可以减小防护罩周向RCS值。因此，以防护罩周向RCS值极大值为目标函数，以防护罩底部外形尺寸和空间体积为约束函数，以各面板倾斜角度为优化参数，在FEKO软件中采用单纯形法算法进行优化求解。各面板倾斜角度优化设置如表1所示，优化后的防护罩外形如图5所示。

表1 防护罩周向面板角度表

用垂直极化方式和水平极化方式分别在远场单站RCS、平面波、多频率(8、10、12.5 GHz)条件下，对优化后的防护罩在探测仰角87°时的RCS进行仿真计算。RCS分布曲线如图6、7所示。

从图6、7可知：与优化前的防护罩相比，优化后的防护罩周向RCS值有明显降低，尤其在防护罩0°(360°)方位的RCS值降幅最大(倾角变化最大的地方)，在频率为8、10、12.5 GHz时分别降低了223.9%、137.4%和144.3%，RCS最大值在频率为8、10、12.5 GHz时分别降低了13%、29.2%和56.6%，而且角度优化区域内的雷达特征主波瓣也明显收窄，防护罩的隐身性能得到明显改善。

4 结束语

针对大口径舰炮对舰船雷达隐身性能的突出影响，按照隐身外形设计原则，设计了一种多面体外形隐身防护罩。通过优化防护罩周向各面板的倾斜角度，得到了隐身性能较好的防护罩外形。与优化前的防护罩相比，优化后的防护罩周向RCS值有明显降低，防护罩的雷达特征信号得到较好地削弱，防护罩的隐身性能得到很大提高，为其他相似产品防护罩的隐身设计提供了技术参考。