周新鵬 魏國華 吳嗣亮 王 旭 王達(dá)偉

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具有尾翼的復(fù)雜導(dǎo)彈模型超寬帶散射特性分析

周新鵬*魏國華 吳嗣亮 王 旭 王達(dá)偉

(北京理工大學(xué)電子與信息學(xué)院 北京 100081)

為了滿足對(duì)復(fù)雜導(dǎo)彈測(cè)量和檢測(cè)的需要，該文建立了具有尾翼的復(fù)雜導(dǎo)彈模型，研究在極窄脈沖照射條件下該導(dǎo)彈目標(biāo)散射特性。利用時(shí)域有限差分(Finite-Difference Time Domain, FDTD)法計(jì)算該導(dǎo)彈模型的瞬時(shí)散射回波，分析遠(yuǎn)場(chǎng)電磁波不同入射條件下導(dǎo)彈散射回波特性及近場(chǎng)不同轉(zhuǎn)角條件下導(dǎo)彈瞬時(shí)散射回波特性。通過對(duì)該導(dǎo)彈瞬時(shí)散射回波特性分析，得出了目標(biāo)散射中心的成因及散射波形特點(diǎn)，在雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的理論參考價(jià)值。

電磁散射；沖激脈沖；有限時(shí)域差分法；導(dǎo)彈模型；尾翼

1 引言

近年來，超寬帶技術(shù)由于具有高距離分辨率，被廣泛應(yīng)用到雷達(dá)領(lǐng)域，例如，測(cè)距[1]、定位[2]、目標(biāo)識(shí)別、成像[6,7]等。這些功能是雷達(dá)依據(jù)目標(biāo)電磁散射回波來實(shí)現(xiàn)的，因此，研究目標(biāo)瞬時(shí)電磁散射回波特性在雷達(dá)應(yīng)用中具有重要意義。

早期超寬帶電磁散射特性主要是在頻域中完成的[8]。近年來，隨著時(shí)域電磁學(xué)的發(fā)展，在時(shí)域研究目標(biāo)散射特性引起了廣泛興趣。當(dāng)極窄脈沖照射到復(fù)雜目標(biāo)，其回波不再是簡單的延時(shí)入射波的疊加，而是由目標(biāo)材料、幾何結(jié)構(gòu)和視線角決定散射特性的散射中心回波的疊加。考慮到高斯脈沖特性、目標(biāo)材料損失和電磁波與目標(biāo)表面的相互作用，文獻(xiàn)[9,10]引入目標(biāo)沖激響應(yīng)擴(kuò)展因子，代替有限理想散射點(diǎn)簡單疊加。平板、球體、圓柱體等簡單目標(biāo)的超寬帶散射特性被廣泛地研究，獲得了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于簡單目標(biāo)，在時(shí)域中，理論計(jì)算、真實(shí)實(shí)驗(yàn)、仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果都是一致的；但利用理論計(jì)算分析飛機(jī)、導(dǎo)彈這類復(fù)雜目標(biāo)的散射特性難度較大，目前主要依賴于真實(shí)實(shí)驗(yàn)和仿真試驗(yàn)研究該類復(fù)雜目標(biāo)的散射特性[17,18]。

本文以某型空空導(dǎo)彈為原型，以真實(shí)目標(biāo)尺寸建立導(dǎo)彈模型，以一階高斯微分為發(fā)射信號(hào)，利用時(shí)域有限差分(Finite-Difference Time Domain, FDTD)法研究該型導(dǎo)彈超寬帶瞬時(shí)電磁散射特性。首先，建立真實(shí)尺寸的導(dǎo)彈模型；其次，在遠(yuǎn)場(chǎng)平面波、不同入射角條件下進(jìn)行時(shí)域FDTD仿真，分析該導(dǎo)彈模型遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)域散射波形及散射特性；再次，在近場(chǎng)環(huán)境，基于單基地雷達(dá)，不同轉(zhuǎn)角情況下進(jìn)行時(shí)域FDTD仿真，分析該導(dǎo)彈模型近場(chǎng)瞬時(shí)散射特性。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 導(dǎo)彈模型

本文建立導(dǎo)彈3維模型如圖1所示，該導(dǎo)彈模型有一個(gè)球冠、一個(gè)圓錐體、一個(gè)圓柱體及8個(gè)棱錐體組成，各部分尺寸如圖1所示。在仿真中，導(dǎo)彈外殼材料選擇為銅，導(dǎo)彈外殼厚度為1 cm，彈體直徑為0.3 m，彈頭球冠直徑為0.05 m，彈頭球冠與圓錐體相切形成光滑曲面，操縱舵前緣棱邊與圓柱體的夾角為，尾翼前緣棱邊與圓柱體的夾角為。

圖1 導(dǎo)彈模型結(jié)構(gòu)及其尺寸

2.2激勵(lì)信號(hào)模型

3 遠(yuǎn)場(chǎng)導(dǎo)彈模型散射特性

3.1 遠(yuǎn)場(chǎng)仿真模型

圖2 遠(yuǎn)場(chǎng)導(dǎo)彈仿真模型

對(duì)于導(dǎo)彈而言，電磁波主要是對(duì)導(dǎo)彈前半球進(jìn)行照射，因此仿真入射波仰角為，方位角分別為時(shí)的散射回波。圖3為平面波激勵(lì)信號(hào)和時(shí)的導(dǎo)彈目標(biāo)散射回波。圖3清楚地表明，入射方位角為時(shí)，本文提供的導(dǎo)彈模型有6個(gè)強(qiáng)散射回波，表1給出了各強(qiáng)散射回波到第1個(gè)強(qiáng)散射回波的測(cè)量距離。由表1可知，第1個(gè)強(qiáng)散射回波是由彈頭球冠鏡面反射形成的局部滑動(dòng)散射中心，稱之為彈頭散射中心；第2個(gè)強(qiáng)散射回波是由錐體與圓柱體相交不連續(xù)處散射形成的邊緣散射中心；第3個(gè)和第4個(gè)強(qiáng)散射回波分別是由操縱舵前緣和尾翼前緣與圓柱體連接處散射形成的；第4個(gè)和第6個(gè)強(qiáng)散射回波分別是由操縱舵后緣尖端和尾翼尖端電磁波繞射形成的。

圖3 入射角時(shí)的導(dǎo)彈散射回波

表1時(shí)導(dǎo)彈強(qiáng)散射回波的距離(m)

表1時(shí)導(dǎo)彈強(qiáng)散射回波的距離(m)

強(qiáng)散射回波i123456 00.5051.4682.0283.9434.576

為了研究導(dǎo)彈各強(qiáng)散射瞬時(shí)回波波形特點(diǎn)，計(jì)算波形保真度因子[13]。對(duì)于兩個(gè)信號(hào)和，其波形保真度因子定義為

甲洛洛回到家里，想著自己家里，老婆帶著三個(gè)兒子，也是飽一頓餓一頓，但還好，自己每個(gè)月有個(gè)十三塊錢的工資。平時(shí)在食堂里節(jié)約好午飯，早飯和晚飯也就基本夠吃了，可近來由于小阿布，自己也得捏緊褲袋。

表2時(shí)導(dǎo)彈各強(qiáng)散射回波的波形保真度因子

表2時(shí)導(dǎo)彈各強(qiáng)散射回波的波形保真度因子

0.640.990.840.830.580.92 0.880.500.830.840.920.63 0.740.790.590.940.700.80 0.970.820.950.610.560.61

表3時(shí)導(dǎo)彈各散射中心的距離(m)

表3時(shí)導(dǎo)彈各散射中心的距離(m)

散射中心i2345678 15o0.4591.4011.9383.8014.443-- 30o0.3991.2511.6293.3943.7813.9434.166 45o0.2800.9821.3201.5431.9562.9553.227

圖4 在入射波仰角，不同方位角時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)導(dǎo)彈目標(biāo)散射信號(hào)

3.3不同仰角時(shí)的導(dǎo)彈目標(biāo)散射特性

圖5 不同入射波仰角時(shí)的導(dǎo)彈模型散射回波

由圖4和圖5可以看出，本文給出帶有尾翼的導(dǎo)彈模型，其散射特性較為復(fù)雜，其復(fù)雜性主要表現(xiàn)在操縱舵和尾翼的散射特性。通過分析圖4和圖5，可以得到以下結(jié)論：

(2)彈頭球冠散射中心散射波形為反相入射波微分，圓錐體與圓柱體連接處散射波形為入射波，操縱舵前緣和圓柱體連接處散射波形為反相入射波微分，操縱舵后緣繞射波形為入射波微分，尾翼前緣和圓柱體連接處散射波形為反相入射波，尾翼尖端繞射波形為入射波；

(3)電磁波在照射陰影區(qū)的舵和尾翼尖端產(chǎn)生繞射，形成散射中心；

(5)該導(dǎo)彈的電磁復(fù)雜性主要體現(xiàn)在操縱舵和尾翼的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸上。

4 近場(chǎng)導(dǎo)彈模型散射特性

建立近場(chǎng)仿真模型如圖6所示。天線到導(dǎo)彈中心=5 m，導(dǎo)彈圍繞導(dǎo)彈中心在平面上逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)。選擇的波形同上，極化方向?yàn)檩S方向。由于是分析導(dǎo)彈散射特性，不考慮天線傳遞函數(shù)的影響，仿真中利用式(1)激勵(lì)點(diǎn)源產(chǎn)生球面波，仿真場(chǎng)景邊界為PML邊界。圖7為導(dǎo)彈在不同轉(zhuǎn)角下的散射回波。

圖6 近場(chǎng)導(dǎo)彈散射仿真模型

圖7 近場(chǎng)導(dǎo)彈在不同轉(zhuǎn)角的散射回波

表4導(dǎo)彈轉(zhuǎn)角為時(shí)各散射中心回波的波形保真因子

表4導(dǎo)彈轉(zhuǎn)角為時(shí)各散射中心回波的波形保真因子

0.380.530.510.680.760.69 0.470.500.670.510.550.44 0.680.600.860.780.910.83 0.670.790.780.860.750.83 0.890.820.980.800.790.73 0.700.890.790.980.970.99

同理可以得到產(chǎn)生垂直反射波的最大轉(zhuǎn)角為

由式(7)和式(8)可知，產(chǎn)生鏡面垂直反射波的范圍和旋轉(zhuǎn)點(diǎn)到點(diǎn)源的距離以及圓柱體的長度有關(guān)。在本文仿真中，轉(zhuǎn)角范圍在時(shí)，產(chǎn)生鏡面垂直反射回波。

通過分析近場(chǎng)環(huán)境下基于單基地雷達(dá)的導(dǎo)彈散射特性，總結(jié)起來，可以得到如下結(jié)論：

(1)導(dǎo)彈在近場(chǎng)的散射中心位置和遠(yuǎn)場(chǎng)基本一致，但其散射波形有明顯區(qū)別。

(2)近場(chǎng)導(dǎo)彈各散射中心的散射波形隨著導(dǎo)彈目標(biāo)轉(zhuǎn)角變化而有所變化。

(3)導(dǎo)彈在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，其圓柱體表面會(huì)產(chǎn)生鏡面垂直反射波，該散射中心的散射回波幅度遠(yuǎn)強(qiáng)于其它散射中心。

(4)在照射陰影區(qū)，電磁波在操縱舵和尾翼的尖端、棱角以及不連續(xù)處產(chǎn)生繞射，形成強(qiáng)散射中心。

5 結(jié)論

本文研究了帶有尾翼復(fù)雜導(dǎo)彈的超寬帶散射特性，首先通過分析遠(yuǎn)場(chǎng)該導(dǎo)彈的瞬時(shí)散射波的特點(diǎn)，研究了該導(dǎo)彈遠(yuǎn)場(chǎng)散射中心成因和隨入射角變化特點(diǎn)，其次通過分析近場(chǎng)該導(dǎo)彈瞬時(shí)散射波特點(diǎn)，研究了近場(chǎng)該導(dǎo)彈散射中心隨導(dǎo)彈轉(zhuǎn)角的變化特點(diǎn)及產(chǎn)生垂直反射波的范圍。通過對(duì)該導(dǎo)彈瞬時(shí)散射波特點(diǎn)分析，得到了該導(dǎo)彈超寬帶散射特性的結(jié)論，這些結(jié)論對(duì)于該型導(dǎo)彈測(cè)量、成像、識(shí)別具有重要的理論參考價(jià)值。

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Analysis on Ultra-wideband Scattering Characteristics of Complex Missile with Empennages

Zhou Xin-peng Wei Guo-hua Wu Si-liang Wang Xu Wang Da-wei

(,,100081,)

In order to meet the requirement for measurement and detection of complex missile targets, a complex missile model with empennages is established and its scattering characteristics are studied under the conditions of the missile irradiated by extremely short pulse. Transient scattering echoes of the missile model are calculated using Finite-Difference Time Domain (FDTD) algorithm. The characteristics of the missile scattering echoes are analyzed at different incident angle conditions in far field and at different rotational angle of the missile in near field. These analyses on the scattering echo characteristics reveal the causes of the missile scattering centers and characteristics of scattering waveforms, which can provide theoretical reference in radar application.

Electromagnetic scattering; Impulse pulse; Finite-Difference Time Domain (FDTD) algorithm; Missile model; Empennage

TN011

A

1009-5896(2015)08-1868-06

10.11999/JEIT141238

周新鵬 xinpeng_780304@163.com

2014-09-23收到，2015-05-08改回，2015-06-09網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版

周新鵬： 男，1978年生，博士生，研究方向?yàn)槌瑢拵Ю走_(dá)成像和信號(hào)處理.

魏國華： 男，1977年生，副研究員，研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)及其信號(hào)處理.

吳嗣亮： 男，1964 年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾盘?hào)處理理論與技術(shù)、目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別理論與技術(shù)、電子系統(tǒng)仿真與信號(hào)模擬.