非完整表面角反射器的RCS特性研究

宋 廣

（中國人民解放軍92785部隊，遼寧 葫蘆島 125208）

0 引言

隨著現代反艦導彈的快速發(fā)展，雷達制導導彈速度迅猛增加和抗干擾能力增強，對水面裝備的威脅越來越大，單一的光電對抗手段已無法滿足戰(zhàn)場需要，必須采用其他有效的手段共同完成末端防御任務。多面體角反射器是一類由三角板角反射通過調整尺寸、組合方式形成的，三角板角反射器反射原理圖及實物圖如圖1所示。其可以產生很大的雷達散射截面積，模擬艦船的雷達反射信號特征，對來自各個方向上的不同頻率的雷達制導武器形成有效干擾，破壞敵方雷達對目標的搜索和跟蹤，是無源干擾體系的有效補充。其具備價格便宜、制造和使用方法簡單等優(yōu)點。羅亞松等[1]通過FEKO和MATLAB軟件分別對單個和整個炮射隨機角反射器的 RCS進行仿真計算，驗證了該算法可以有效模擬艦船的RCS特性，保護己方目標安全。范學滿等[2]對電大尺寸目標單站雷達散射截面積（RCS）預估的高頻混合算法進行了研究，驗證了改進GO/AP算法計算不同入射方向下三角形三面角反射器RCS的可行性，拓寬了GO/AP算法對觀察角的適用范圍。張俊等[3]針對浮空式角反射體新型無源干擾器材的末制導雷達目標識別問題，采用基于深度神經網絡構建浮空式角反射體類目標識別模型，表明多個浮空式角反射器陣列能夠在一定程度上改變單個角反射體固有的雷達截面積方向。孟凱等[4]對不同頻率雷達波照射下標準二十面海面漂浮角反射器和存在角度誤差狀態(tài)的二十面角反射器雷達散射特性進行了仿真計算，分析表明：角度誤差對二十面角反射器的散射特性影響巨大，大幅度降低了角反射器的性能。吳林罡等[5]通過改進基于幾何光學和區(qū)域投影的高頻混合算法，實現了對浮空式雙棱錐型角反射器 RCS的快速預估，與彈跳射線法仿真結果進行了對比，該算法可以為空式角反射器陣列的快速 RCS預估以及快速布放決策提供重要幫助。葛堯等[6]采用FEKO軟件對角反射器的頂角、原點、斜邊等不同部位進行仿真并優(yōu)化設計，獲得了優(yōu)化后異形結構三面角反射器的 RCS及方位覆蓋角度的變化規(guī)律。趙俊娟等[7]基于FEKO平臺的物理光學算法模擬人工角反射器等電大尺寸目標，根據物理光學算法模擬三錐體角反射器的RCS曲線，與理論最大值具有良好的一致性。

圖1 角反射器反射原理（左）及實物圖（右）Fig.1 Reflection principle（left）and real picture（right）of corner reflector

目前文獻主要針對各種理想狀態(tài)角反射器進行特性分析，較少考慮表面破損引起角反射體的RCS特性變化。角反射器在搬運、裝配、作戰(zhàn)使用等過程中，會經歷摩擦、碰撞、環(huán)境腐蝕等外力，造成表面變形、銹蝕、污染等多種形式的破損，會降低其RCS特性，嚴重影響角反射器的使用效能。針對此情況，本文對不同表面破損條件下的金屬角反射器RCS特性進行仿真計算。

1 RCS仿真計算方法

角反射器是凹形空腔結構，在腔體口徑處電磁波進入腔體內部后經過多次內壁反射，最終電磁波的能量從空腔口處再次輻射至遠區(qū)。目標雷達的散射截面積常用來衡量目標對入射電磁波的散射能力[8]。目前RCS數值計算常用方法可分為低頻方法和高頻方法，低頻方法包括有限元法（FEM）、矩量法（MOM）、時域有限差分法（FDTD）、有限積分法（Fit）等，高頻方法包括物理光學法（PO）、幾何光學法（GO）、一致性幾何繞射理論（UTD）、彈跳射線法（SBR）等。由于受到計算機內存和效率影響，選擇計算方法主要應由目標尺寸L和計算波長λ比值決定。當時，應選擇高頻方法，否則建議選擇合適低頻方法。本文分析三角形角反射體直角邊尺寸1 000 mm，分析頻段8 GHz以上，目標尺寸與波長比值遠大于1，因此選擇高頻計算方法。采用 SBR高頻近似算法，可高效計算上百個波長電大目標 RCS，滿足大尺寸角反射體RCS計算，因此本文將采用此方法對角反表面破損進行仿真分析。德國CST公司擁有專業(yè)三維電磁仿真軟件，其CST微波工作室已集成SBR高頻近似算法，可高效計算上百個波長電大目標RCS，滿足大尺寸角反射體RCS計算，因此本文將采用CST軟件對角反射器表面破損進行仿真分析。

2 角反射器仿真模型

2.1 建模

角反射器由 3個相同且相互垂直的三角形面組成，為了有效分析表面破損對角反射器散射性能的影響，研究在反射面不同的破損數量、破損面數等條件下，角反射器 RCS特性，建立完整角反射器模型、單反射面破損模型、兩反射面破損模型、三反射面破損模型4種狀況模型。如圖2所示。其中，完整角反射器模型的所有反射面表面均未破損，作為破損角反射器RCS特性研究的基礎。

圖2 角反射器模型Fig.2 Corner reflector model

本文采用角反射器直角邊為1 000 mm的模型進行研究，對角反射器破損面數和破損直徑設置多種影響因素，模擬角反射器在不同破損程度下的RCS特性。考慮到破損區(qū)域的位置隨機性、面積隨機性及形狀隨機性，采用簡化分析，將破損區(qū)域位置設置在反射面能量反射中心位置，破損區(qū)域可等效為圓形區(qū)域，破損面積設置為直徑 100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm等效圓形面，圓形區(qū)為真空區(qū)，不反射電磁波。由此實現對不同狀態(tài)破損角反射器的模型簡化和抽象。

2.2 仿真參數設置

仿真時主要考慮角反射器單站情況下表面破損對角反射器 RCS特性影響，需設置仿真頻率、極化、入射波方向等參數，具體如下：

1） 頻率范圍：8～18 GHz，間隔1 GHz；

2） 極化：水平極化；

3）入射波方向：選擇角反射器口部端面法線方向。

3 RCS特性仿真分析

角反射器表面出現破損，將會影響角反射器對入射電磁波的散射能力。表面破損對角反射器RCS影響主要從角反射器破損區(qū)域尺寸、破損區(qū)數量等方面進行仿真分析。同一尺寸下不同破損數量角反射器RCS隨頻率變化曲線如圖3所示。

圖3 破損直徑100 mm條件下不同破損數量角反射器RCS特性Fig.3 RCS characteristics of corner reflector with different damage numbers under condition of damage diameter being 100 mm

同一目標對雷達發(fā)射的不同頻率的電磁波所表現的散射特性不同，得到的RCS不同[9]。由圖3可知，在8 GHz～18 GHz頻率范圍內，隨著入射頻率的升高，角反射器的 RCS呈上升趨勢，上升趨勢隨頻率的增大呈放緩趨勢。表面未破損時，射入角反射器內不同頻率的電磁波會完全反射，與破損的角反射器相比，在同一頻率下 RCS最大。當角反射器出現破損時，電磁波在破損面處出現漫反射現象，隨著破損面數量增多，漫反射現象愈嚴重，RCS呈現降低趨勢。

由圖4可知，在8～18 GHz入射頻率范圍內，當反射面破損時，反射面的 RCS降低，當反射面破損直徑增大，角反射器的RCS呈快速下降趨勢，且隨著破損反射面數量增加，角反射器 RCS降低幅度增大。

圖4 角反射器面破損直徑對RCS影響曲線Fig.4 Impact curve of corner reflector surface damage diameter on RCS

通過分析，角反射器RCS特性隨頻率近似線性變化，由此選擇典型頻段13 GHz，分析其隨著破損面積增加時 RCS變化趨勢，結果如表 1–3所示。

表1 13 GHz時1個反射面破損RCS變化趨勢Table 1 RCS change trend of 1 damaged reflecting surface at 13 GHz

表2 13 GHz時2個反射面破損RCS變化趨勢Table 2 RCS change trend of 2 damaged reflecting surfaces at 13 GHz

表3 13 GHz時3個反射面破損RCS變化趨勢Table 3 RCS change trend of 3 damaged reflecting surfaces at 13 GHz

由表1–3和圖5可知，角反射器未發(fā)生破損的情況下，RCS最大，隨著角反射器破損反射面數量增多，角反射器反射電磁波能力急劇減少，且成加速降低趨勢。

角反射器RCS降幅如圖5所示。

圖5 不同破損反射面數量時RCS變化趨勢Fig.5 RCS change trend with different numbers of damaged reflecting surfaces

4 結束語

本文針對角反射器在使用過程中出現表面破損后，影響其RCS特性，采用SBR高頻近似法對非完整表面角反射器 RCS特性進行了仿真分析，分別研究角反射器反射面不同的破損面積和破損數量條件下RCS特性，結論如下：

1）角反射器在表面破損后，其RCS特性快速降低。

2）反射面破損數量一定的情況下，隨著破損面積增大，RCS快速降低；隨著反射面破損數量增多，角反射器反射電磁波能力急劇減少，且成加速降低趨勢。

本文量化分析了金屬角反射器的反射面表面破損后 RCS特性變化趨勢，可有效評估角反射器在使用過程中電磁波反射能力。