隱身飛機目標P頻段雙基RCS特性仿真與分析

張 森

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088；2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，合肥 230088)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中制空權(quán)的奪取是決定勝利的關鍵。目前，美國、俄羅斯以及歐盟各國都部署了先進的隱身戰(zhàn)機，其中最具代表性的是美國的F-22戰(zhàn)機。F-22隱身超音速巡航戰(zhàn)機是由美國洛克希德·馬丁公司推出的集隱身性、高機動性、超音速巡航性、多用途、高可靠性與可維護性于一體的第5代先進戰(zhàn)機。[1]針對該類隱身目標，傳統(tǒng)的單基預警雷達不僅很難完成預警任務，且其自身的生存也成為一個緊迫的問題。雙/多基預警雷達系統(tǒng)由于其更好的反隱身、反偵察與抗干擾能力，是未來雷達領域裝備發(fā)展的一個重要方向。[2]對隱身飛機目標的雙基RCS特性進行仿真和分析是雙/多基預警雷達系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容之一。[3]

本文以F-22作為典型隱身目標，在三維建模的基礎上，使用電磁仿真軟件FEKO對其進行P頻段(反隱身預警雷達普遍使用的頻段)的單、雙基RCS特性仿真與分析。在目前缺少有效隱身飛機目標P頻段雙基RCS實測數(shù)據(jù)的情況下，該方法具有可重復性好、成本低等優(yōu)點，能為雙/多基預警雷達系統(tǒng)的設計及使用提供仿真依據(jù)。

1 目標建模與仿真方法

隱身目標的建模是計算其RCS的基礎。隱身目標的建模反映的是其外形隱身技術(shù)，所建模型的精確程度直接決定其電磁散射特性分析的精確程度。對于F-22隱身飛機目標，目前已有較為精確的CAD三維模型，如圖1所示，可利用FEKO軟件提供的多種建模數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)直接導入。

圖1 F-22飛機三維模型

RCS的各種仿真計算方法均是針對面元進行的。所以，在做電磁仿真計算前，還需要對模型進行面元剖分，得到相應的網(wǎng)格模型。網(wǎng)格模型剖分的粗細程度直接影響電磁計算的精度。對于同一模型，網(wǎng)格剖分越精細網(wǎng)格質(zhì)量越好，采用同一算法進行電磁計算的精度就越高，但計算時間和對仿真計算機硬件的需求就越大。F-22飛機的翼展13.53 m、機身18.9 m、機高4.049 m。對于P頻段(400～500 MHz)，網(wǎng)格模型在剖分過程中其三角面元尺寸設置不超過λ/12，λ對應500 MHz頻率的波長。剖分結(jié)果如圖2所示。

圖2 F-22飛機網(wǎng)格剖分模型

網(wǎng)格的疏密由對應區(qū)域的復雜程度決定，越復雜的區(qū)域剖分的越密。這為計算結(jié)果的精確性提供了保證。

在電磁仿真計算中關注的是目標的電尺寸，電尺寸是用波長λ來衡量的。如果目標物理尺寸是L，定義L和波長λ的比值為K=L/λ。當比值小于10時目標就被認為是電小尺寸目標，而大于10時就被認為是電大尺寸目標。對于同一種電磁散射特性仿真算法，當目標的電尺寸增大時算法對計算能力和計算存儲量的要求也就越高。當雷達頻率提高且電尺寸増大到超過計算機能力限制時就需要采用更加優(yōu)化的算法。但是，優(yōu)化算法相對于全波分析算法來說精度略差，計算方法的選擇一般來說是計算時間與計算精度的折中。本文研究的頻段為普遍用于各種預警雷達的P頻段(400～500 MHz)。F-22隱身飛機為電大尺寸目標，選用FEKO軟件內(nèi)置的擁有較高效率和精確度的多層快速多級子算法進行雙基RCS計算。[4]

2 單基RCS計算與分析

2.1 全方位單基RCS特性仿真分析

以中心頻率450 MHz水平極化為例，F(xiàn)-22飛機全方位的單基RCS仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 F-22飛機全方位單基RCS

戰(zhàn)斗機在實際作戰(zhàn)過程中巡航、突防和逃逸是最主要的3個階段。巡航時，飛機一般作側(cè)向平飛運動，飛機的側(cè)向暴露給雷達。突防時，飛機的鼻錐方向是威脅最大的方向。而在逃逸過程中，飛機的尾向暴露給雷達。如僅研究機身平面內(nèi)局部方位角范圍的RCS特性與實際情況不符，因為飛機不可能與雷達在同一高度。因此，主要分析F-22飛機側(cè)向、頭向和尾向3個局部區(qū)域的單基RCS特性，姿態(tài)角范圍分別為頭向60°≤θ≤120°、-30°≤φ≤30°；側(cè)向60°≤θ≤120°、60°≤φ≤120°；尾向60°≤θ≤120°、150°≤φ≤210°。由于目標的RCS會隨姿態(tài)角劇烈變化，因此用統(tǒng)計的方法對飛機目標3個重點姿態(tài)角區(qū)域的RCS進行比較分析[5]，分別選用均值、極大值和極小值3種統(tǒng)計參數(shù)，比較結(jié)果如表1所示。

表1 重點姿態(tài)角區(qū)域RCS統(tǒng)計表(dBsm)

從仿真結(jié)果中可以看出，在方位角小于30°、俯仰角60°～120°的頭向范圍內(nèi)，目標的RCS值較小。該角度范圍是飛機作戰(zhàn)時的主要威脅范圍，通過外形隱身已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)飛機的低散射特性。而在側(cè)向、尾向區(qū)域，以及俯仰角小于30°或大于150°區(qū)域時，目標的RCS都具有較高的值，目標無外形隱身特性。

2.2 不同頻點單基RCS特性仿真分析

采用典型俯仰角θ固定為90°的情況來進行不同頻點F-22飛機目標RCS趨勢分析，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 單基RCS均值隨頻率變化趨勢

從仿真結(jié)果中可以看出，在分析頻段內(nèi)，不同頻率對應目標RCS的起伏特性變化并不大，且在所有頻點、側(cè)向和尾向區(qū)域相較于前向區(qū)域均具有更大的RCS值。

3 雙基RCS計算與分析

以中心頻率450 MHz水平極化為例，F(xiàn)-22飛機雙基RCS仿真結(jié)果如圖5～圖8所示。圖9為雙基RCS散射特性示意圖。

圖5 F-22目標雙基RCS(入射θ=90°、接收θ=90°)

圖6 F-22目標雙基RCS(入射θ=60°、接收θ=60°)

圖7 F-22目標雙基RCS(入射θ=60°、接收θ=120°)

圖8 F-22目標雙基RCS(入射φ=30°、入射θ=60°)

圖9 雙基RCS散射特性示意圖

根據(jù)以上對不同入射和接收方向的雙基RCS電磁仿真計算和分析，總結(jié)出F-22飛機目標的全空域雙基RCS特性如下(其中θ與φ分別指入射方位角和入射俯仰角)：

(1) 雙基RCS最大位置

考慮到電磁波波粒二象性中的波的性質(zhì)，任何情況下雙基RCS最大值都出現(xiàn)于入射波方向的背向(180°-θ，180°+φ)附近。

(2) 雙基RCS次大位置

考慮飛機平飛時上表面和下表面面積最大，由于電磁波的波粒二象性中的粒子性，次大值產(chǎn)生在以飛機上表面或者下表面為反射面的光學路徑方向(θ，180°+φ)附近。

(3) 雙基RCS第3大位置

在入射方向與飛機平面夾角較小時(即60°<θ<120°)，考慮飛機平飛的情況下飛機側(cè)面的面積也很大。同樣，由于電磁波的波粒二象性的粒子性，在(90°，180°-φ)附近有RCS第3大值。

依據(jù)上述結(jié)論，雙/多基預警雷達系統(tǒng)可使用多部雷達從不同方向聯(lián)合探測實現(xiàn)反隱身。在上述3個RCS大值方向上較單基預警雷達系統(tǒng)，雙/多基預警雷達系統(tǒng)能夠獲得約15 dB的RCS增益。

4 結(jié)束語

本文基于FEKO軟件對F-22隱身飛機目標的P頻段單雙基RCS電磁散射特性進行仿真和分析，通過仿真得出：F-22隱身飛機目標雖然在頭向單基RCS很小，但在側(cè)向、尾向及俯仰角小于30°或大于150°區(qū)域，其單基RCS會變得較高，并無隱身特性；其雙基RCS具有3個大值區(qū)域，相對于入射方向(θ，φ)，最大值區(qū)域為背向(180°-θ，180°+φ)附近，次大值區(qū)域為光學路徑(θ，180°+φ)附近，當入射方向與飛機平面夾角較小時第3大值區(qū)域出現(xiàn)在(90°，180°-φ)附近。該結(jié)論可為雙/多基預警雷達系統(tǒng)的設計及使用提供仿真依據(jù)。