不連續(xù)特征雙站散射特性分析

不連續(xù)特征雙站散射特性分析

現(xiàn)代戰(zhàn)爭技術(shù)和戰(zhàn)場環(huán)境的發(fā)展把飛機的暴露技術(shù)變成了一項重要技術(shù)。它在決定戰(zhàn)爭結(jié)果方面發(fā)揮了重要作用，如遠(yuǎn)程轟炸、遠(yuǎn)程中斷和交叉攻擊。一方面,對于隱身飛行器,存在于常規(guī)飛行器上的主要散射源(如角體散射、腔體散射、鏡面反射等)已大大減縮,此時存在于飛行器表面蒙皮、安裝處、艙門連接處等的縫隙、臺階、鉚釘?shù)炔贿B續(xù)特征散射源占總體散射的比重將大大增加,成為隱身飛行器、坦克、艦艇等設(shè)計的主要矛盾之一。因此,需要對該類散射源的電磁散射特性進行詳細(xì)研究并得到其散射機理,進而提出合理的技術(shù)(如鋸齒化、規(guī)律分布等)進行減縮。另一方面,雙站及多站雷達(dá)成為反隱身的一個重要手段,而目前不連續(xù)特征研究主要集中在單站雷達(dá)散射截面(RCS)散射上,為深入研究其雙站散射特性,本文提出一種新穎的不連續(xù)特征雙站RCS測試方法,用于模擬飛行器在敵雙站雷達(dá)照射下執(zhí)行任務(wù)時的不連續(xù)特征散射規(guī)律,為隱身飛行器設(shè)計提供一定的技術(shù)參考。通過對不同雙站角時單直縫隙板、單直臺階板的系列RCS測試,得到了其雙站電磁散射特性,發(fā)現(xiàn)了雙站散射具有的相似性、對稱性和平移性,同時對兩種不連續(xù)特征具有的不同散射特性也進行了詳細(xì)研究,這一研究結(jié)果對于飛行器的雙站隱身設(shè)計具有重要意義。1不連續(xù)特征試驗由于縫隙、臺階等電磁散射相對較弱,如果采取在飛行器或坦克表面開縫隙(臺階)的辦法來研究其影響,不僅試驗件很難精確制作,此時單個(或稍多)的不連續(xù)特征相對整體而言較弱,試驗也不能精確進行,且用于對比不連續(xù)特征影響時需要制作大量單獨的整機試驗件(包括帶不連續(xù)特征和光滑表面兩種),試驗成本很高,且試驗結(jié)果并不可信,可見該方法具有精度低、試驗難度高、成本高的缺點,因此不能進行大量系列化測試。為進行機理性探索研究,以了解不連續(xù)特征的影響,將不連續(xù)特征置于金屬板的對角線(如圖1和圖2所示),金屬板對角線垂直于水平面。該方法可以保證在測試的絕大多數(shù)角度下,平板邊緣不會與電磁波入射方向正交,從而削弱金屬邊緣對結(jié)果的影響。1.1試件和測試儀器本文研究的不連續(xù)特征目標(biāo)為單直縫隙和單直臺階。根據(jù)以上分析,采用金屬平板對角線中央分布的方式,從飛行器實際工程和測試場條件出發(fā),將縫隙和臺階均布置在邊長為400mm的正方形金屬板上,單直縫隙長400mm(見圖1),縫隙寬3mm,單直臺階長為平板對角線長,臺階高2mm(見圖2),兩個試驗件厚度均為5mm。測試儀器為微波暗室內(nèi)的掃頻測試系統(tǒng),矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為Agilent公司的PNA8683B。測試時將不連續(xù)特征所在的對角線垂直于水平面放置,然后旋轉(zhuǎn)測試目標(biāo),進行方位角變化,測試誤差為-40dBm2以下。1.2航天器的方位角目前的雙站RCS測試方法主要為固定測試目標(biāo),發(fā)射天線不變,接收天線旋轉(zhuǎn)180°或360°,得到隨雙站角變化的雙站RCS曲線,這種測試方法可以用來模擬飛行器突防時多個不同雙站雷達(dá)的探測。而當(dāng)飛行器在敵方上空或某一特定區(qū)域上空處于盤旋或格斗狀態(tài)時,上述測試方法不能用來分析,因為此時飛行器相對于雙站雷達(dá)的距離不變,雙站角不變,而飛行器盤旋或格斗時,相對于雷達(dá)的方位角在變化。為模擬飛行器的盤旋或格斗情況,本文提出了一種新的雙站RCS測試方法:固定雙站角(即發(fā)射天線和接收天線位置不變),將試驗件旋轉(zhuǎn)180°或360°,研究其RCS散射特征,每次方位角測試完畢后,可將雙站角進行重新調(diào)整,如圖3所示。固定發(fā)射天線位置,接收天線位于以轉(zhuǎn)臺為中心的圓周(半徑為發(fā)射天線到轉(zhuǎn)臺中心的距離)上,二者夾角(即雙站角)分別取0°,30°,60°,90°和120°。測試狀態(tài)為單直縫隙板或單直臺階板正對發(fā)射天線,沿順時針方向旋轉(zhuǎn)360°,本文中測試頻率均為10GHz,全部水平(HH)極化(電場垂直于縫隙、臺階所在的對角線),規(guī)定發(fā)射天線垂直于有不連續(xù)特征的一面時為0°方位角。1.3多層快速多極子算法性能測試結(jié)果為驗證測試結(jié)果的可靠性,以單直臺階板為例,由于高頻計算方法(如物理光學(xué)法、物理繞射理論)無法精確模擬不連續(xù)特征表面電流,文中采用改進精度的多層快速多極子算法(MultilevelFastMultipoleAlgorithm,MLFMA)計算了入射頻率為10GHz、雙站角為0°時的散射曲線,并與測試曲線進行對比,結(jié)果如圖4所示。圖4表明,對單直臺階類型的不連續(xù)特征電磁散射,計算和測試結(jié)果吻合很好,全向均值誤差為0.13dB,說明了測試結(jié)果的正確性,因此,該測試方法可以用于分析不連續(xù)特征的電磁散射特征。2單直縫層的雙站散射特性分析2.1雙站角均勻變化對于單站來說,飛行器目標(biāo)正頭向的±30°是觀察的重點區(qū)域,因此在本文研究中,對雙站情況同樣取±30°為重點考查方位,雙站角進行均勻變化(每測得一條曲線雙站角增大30°)。實際測試發(fā)現(xiàn),在目前的測試條件下,120°雙站角之后,發(fā)射天線與接收天線之間的互相影響作用相對強烈,從發(fā)射天線中輻射的電磁能量有部分未經(jīng)目標(biāo)散射直接進入接收天線,造成接收能量增大而致使測試曲線明顯上揚,誤差較大,因此在測試中一般應(yīng)保持雙站角不大于120°。2.2測試曲線分析雙站角分別取0°,30°,60°,90°和120°。反映在極坐標(biāo)系中,表現(xiàn)為發(fā)射天線始終位于0°方向,接收雷達(dá)以30°為間隔,分別取0°,330°,300°,270°,240°位置。測試狀態(tài)為縫隙正對發(fā)射天線,沿順時針方向旋轉(zhuǎn)360°,測試頻率為10GHz,HH極化。各不同雙站角下RCS測試曲線對比如圖5所示,主要方位角角域上的RCS均值統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。首先,由圖5可以看出,0°雙站角下的散射曲線分布形式與其他雙站角下的散射曲線外形基本相似。同時,散射曲線表明,在除峰值附近的其他角域內(nèi),隨雙站角的增大,縫隙的影響較為明顯,表現(xiàn)為RCS散射曲線上升。其次,不同曲線的峰值保持在同一水準(zhǔn)(20dB左右),這是由于單站時峰值對應(yīng)鏡面散射,而其他較小雙站角時,散射類似于鏡面散射。同時,散射曲線也表明,達(dá)到峰值所對應(yīng)的方位角發(fā)生了變化,即測試曲線達(dá)到峰值所需要的角度隨雙站角的增大而依次提前。30°雙站角時,測試曲線在方位角165°左右出現(xiàn)波峰;60°雙站角時波峰出現(xiàn)在方位角約150°的地方;90°和120°雙站角時的峰值則分別對應(yīng)于方位角135°和120°。因此,可以認(rèn)為曲線到達(dá)峰值所需的方位角前移幅度為雙站角的1/2。除去達(dá)到峰值的較小角域,測試曲線大都維持在-10dB以下,而且隨雙站角的增加逐漸上升。從極坐標(biāo)圖上看,曲線所形成的橢圓環(huán)出現(xiàn)不同程度的膨脹,再次證明縫隙對雙站散射的影響。由表1可以發(fā)現(xiàn),單直縫隙板的全向均值隨雙站角增加而增大,增幅最大有6dB左右,而其余兩個角域內(nèi)的RCS均值變化不是很明顯?？偟乜磥?縫隙導(dǎo)致的行波使散射隨雙站角增大時,曲線上升,即散射增強,同時散射達(dá)到峰值對應(yīng)的方位角會隨雙站角的增大而明顯平移。具體表現(xiàn)為以下幾個方面:(1)散射曲線分布的相似性。雙站散射曲線與單站散射曲線相比,形狀基本不變,而幅度發(fā)生一定變化。即雙站散射與單站散射相比,在散射機理上并未發(fā)生明顯改變,目標(biāo)在各個方向上的散射分布也基本不隨雙站角發(fā)生變化。因此如果要對目標(biāo)的雙站隱身能力提出要求,則必然要求該布局具有高的單站全方位隱身能力。(2)散射曲線的對稱性。與單站散射特性類似,對于左右對稱布局,雙站散射曲線關(guān)于雙站角平分線對稱,說明發(fā)射天線與接收天線位置互換對測試結(jié)果并無影響。(3)散射曲線峰值的平移。雙站角的出現(xiàn)使得測試曲線出現(xiàn)平移,幅度基本為雙站角的1/2,平移方向為從發(fā)射天線指向接收天線,平移后的曲線峰值處于發(fā)射天線和接收天線夾角平分線上。(4)曲線的全向RCS均值隨雙站角的增大而增大,極坐標(biāo)中的散射橢圓環(huán)向外膨脹,說明縫隙對雙站RCS具有較大貢獻,這成為隱身飛機的一個設(shè)計內(nèi)容,同時,為雙站雷達(dá)對飛行器的探測提供了可能性。3雙站角的影響測試狀態(tài)與單直縫隙板一致,得到其散射曲線如圖6所示,RCS均值統(tǒng)計結(jié)果見表2。由于臺階和縫隙的區(qū)別,對于單直臺階板的雙站RCS曲線:首先,散射曲線表現(xiàn)為弱對稱性,即對所有雙站角,其散射曲線均關(guān)于對應(yīng)波峰弱對稱分布;其次,與單直縫隙板的雙站散射相似,臺階僅影響RCS曲線幅值的變化,而對整個散射曲線的分布影響較小,仍具有一定的相似性。同時,隨著雙站角的增加,測試曲線出現(xiàn)相應(yīng)的平移,移動幅度為雙站角的1/2,平移方向為從發(fā)射天線指向接收天線,平移后的曲線峰值處于發(fā)射天線和接收天線夾角平分線上。在0°～90°角域內(nèi),曲線隨雙站角的增加逐漸下降,雙站角達(dá)到120°時曲線變得平緩而有所上升。圖6中的橢圓環(huán)隨雙站角的增加而呈弱對稱收縮,表明隨著雙站角的增加,臺階散射影響逐漸減弱。由表2可見單直臺階板的全向均值隨雙站角增加而減小,減縮幅度最大為6dB左右,僅在120°雙站角時由于直接接收電磁發(fā)射能量的影響而略升;0°～30°角域內(nèi)和330°～360°角域內(nèi)的幾何均值也有6～20dB的減縮?？偟貋砜?臺階導(dǎo)致的行波散射基本隨雙站角增大而減弱,而且散射達(dá)到峰值對應(yīng)的方位角度會隨雙站角的增大而明顯提前,提前量為雙站角的1/2。綜上所述,根據(jù)雙站情況下RCS散射曲線峰值及曲線的平移性質(zhì),雙站探測可能導(dǎo)致某些在單站散射中未處于重點姿態(tài)角內(nèi)的波峰在散射圖發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情況下進入重點探測范圍,特別是,峰值位置的改變可能導(dǎo)致接收天線較容易探測到目標(biāo),引起飛行器目標(biāo)隱身性能的降低,因此雙站隱身能力的判定應(yīng)結(jié)合主要威脅的雙站角和整機全方位所有波峰位置進行。4雙站角的影響表面不連續(xù)特征本身為假想的目標(biāo)散射源,離開不連續(xù)特征板,不連續(xù)特征不能獨立存在,因此對其進行研究比較困難。為深入研究,首先,將不同雙站角下的不連續(xù)特征板與對應(yīng)的金屬平板的雙站散射曲線進行對比,以研究不連續(xù)特征的雙站散射特性;其次,由前所述,雙站測試曲線出現(xiàn)平移,且幅度為雙站角的1/2,即散射曲線關(guān)于雙站角平分線對稱,因此,對不同雙站角,計算出關(guān)于雙站角對角線左右90°角域內(nèi)的RCS均值,結(jié)合散射曲線研究不連續(xù)特征影響。圖7和圖8分別為60°和90°雙站角時(其他雙站角情況類似)的單直縫隙板、單直臺階板與金屬平板的散射曲線。為方便分析,將方位角歸一化,規(guī)定雙站角對角線位置對應(yīng)0°,這與第2節(jié)和第3節(jié)(以方位角為標(biāo)準(zhǔn))有所不同。圖7和圖8表明,縫隙、臺階對電磁散射的影響比較明顯,對單直縫隙板,散射曲線表現(xiàn)為相對金屬平板的平穩(wěn)上升,且在掠入射時較大,而單直臺階板散射曲線表現(xiàn)為中間高、邊緣低的特點;對不同的雙站角,散射曲線相似。60°雙站角時,金屬平板、單直縫隙板和單直臺階板的幾何均值分別為-34.9550,-15.8082,-15.3301dBm2;90°雙站角時分別為-34.7272,-13.6671,-19.0543dBm2,均值增幅達(dá)15dB甚至20dB,同時,雙站角增大時,縫隙的影響增強而臺階的影響減弱。5測試條件的影響研究得到以下規(guī)律:(1)散射曲線的相似性。對單直縫隙板和單直臺階板,雙站RCS散射曲線均具有和對應(yīng)入射頻率下的單站散射曲線分布形式相似的特點,不同的不連續(xù)特征對幅值的影響不同。(