飞行器电磁散射特性的研究

1、, 丄 7维普资讯 http:/伽年4月西北工业大学学报apr. 16«1第 9"2 期 journal of northwestern polytechnical university volb no.2g 飞行器电磁散射特性的研究讯件牛马国忠1许家栋马国忠讲痒摘 翼 本文主要讨论了两个方面的问题，(1)任意舟状物体般射场计箕的x 块尢方法j (2)二燈曲面的低.rcs的化化诛计。计算任意册状物体的扳块元方法， 是求解stratton-chu枳分方程的一神靳方法。这件算法与以柱耳法 栢 比 其 优 点 是：有校快的计算速度和较高的计算怙度，庄准机上能完成夏亲形休约电廉歌射

2、计 -x-)可以实现电臣一气动一体化设计丿并且十分易于用cad方法显示散射俸的彫 状屍敦射的强分布。二线曲面的仮rcs优化及计是借助于板块元法，完成了無齿 形面谏计及融合保的优化计昇。这一方法在隠拓飞行藩没汁中具有实用偸值。关律词a rcs外审优化谏长期以来，飞行器及水中兵器的电逆故射待性的研究一逼受封人们的因此计算物体敬射场的算法也是十分丰富的,堵如几何光学法、物理光学法、矩啟法、时域差分及有限元 法帑等c1.2.3l这些方法在使用上各有千秋。几何光学法可以用来计算双弯曲表面的散射, 其简单.快速，计算时只须确定出物体表面的镜面反射点和该点的两个曲率半径來。但是,这种方法有较大的局限性。对于

3、(1曲面为罟面和柱面2)曲面的曲率不连续点y (3)曲 而以离散点形式给出.这三种情况计算不能崑成或者有较大的误差。矩量法和时域差分法，这一类算医是计算稱度较诲的算法，用米算小而简单形体義面的散射是较为成功的。但是如 果单独用来让算类似飞机和导弹这样一些复杂形体的散射场，所耗的机时是一般小型计算机 不能承受的。用这样的算法来完成低rcs的优比外形设计及电就- 气动体化计算等工本文牧到日期：1990年1月20日1 西北工业大学讲彈作，就更加困准了。本文所援出的板块元方医，十算金属体散射场时把物体表面分割成许2 西北工业大学教授玄2期牙国忠誓：飞厅器电磁政讨肓性约河宅维普资讯wf，wcqvipco

4、m 1 "» _ 多小的面无。然砖用平面板块来近似逹些面元。耳出这叫小的平面板块的哉外场天甘和.作 为曲面放时场的近似偵。由于平面扳块故射场的积分运unw化成代数迄«从而便这种方 法具有较快的速度及较高的精度。同时又克眼了jl何光学法的馬限件。lirrii种算法与气动 计算的板块元方法有相同的数学模型，很容易实现电磁气动的一休化计貝"曲面元的分 割过稈给岀了每一小面元的空间坐标所以我们汪可畀利用cad的方法冊出物体的圉形 及每一面元散射的强甥。木文对低rcs优化外形设计进行了一些基本讨论。提hi了钢倘形面和二维融台休的优化 计算方法。锯齿形iff的设丹是

5、用来降低平面敬射的一种方法。呢隐身飞行益的设计中.常常 耍求在某些入射方向，雷达橫截面积rcs)降至儿个db。而进气道和尾喷管辱口的迭兰环 面，所产生的散射甚至会大于这一要求。如果我们把进气道痔口的法兰环面改成锯齿形面， 这时，其后向散射可以明昼下降。憩合体优化计算，主要是针对圆及強岡绯凸面进行优化修 形，便之成为融合体。1板块元方法板块元方法是求觴电磁散射场积分方程的新方法。对于任懑给定的导体，其表面为s。 入射磁场为刀"后向散射住场为.2nj?h(g)in图i所示，式 1)中入翠示散射方向的®位矢 疑，/?是坐标原点到观察点的距南，席是s面上任意一 点的单位迭线矢蚤，o

6、是s上任意点的矢星坐标。九=”？ +刀+ 3je( 2 )0 + +刃.4慕(3)待别当曲面变为平面时，不妨设平面在z = 0坐标平而 内，平面线医戏=f,0%瓦-w( 4)若令0二更雪e""式(1 )变为e''yw)dm,经推导4, j,ey”)<u<bs积分形式可以化为简单的代数运算。舒别当s为坐标 平面xoy上的多边形口 8仆_空0夕 «in 険匸 sinhcosg归._ _ &cos久 + sinflnxmcas-j i-usin-,)如图2所示，n是多边形的边数，久是第仃边与工轴的夹角。若多边形s足一个空间平面 时，我

7、们总可以通过坐标变换的方法，使之转化为二维坐标平面内的多边形，然后应用式(6)1+算岀它的积分值。142西北工业大字学抿httpr/as'本文所研究的板块元方法是借助于式（6 ）来完成的。给定一个具体的物体，如图3所y图3 平面板元近似曲面示。先用一系列的正交曲线，r 曲线和。曲线，将其表面划分成一系列的小网格。曲面的网格可以是3个頂点、"个頂点、或是多个顶点围成的。以"顶点的为例，点a. b. c.d所围成的小曲面记为用这4个点构适出一 个小平面四边形来近似s“ 4 je因此曲面s 最终可以用许多小平面板块来逼近。算出这些 小平面板块散射场矢盘和作为曲面俶射场的近

8、 似值.由于式（6把平面板块场的计算，从积 分化成了代数运算.从而使这种方法有较快的 速度。另外曲面元的划分，实质就给出了物体 表面每一小面元的空间坐标。因此可以很方便 地将敵射体怕图形显示出来，还町把曲面元敞 射场的强弱用涂色的方法显示。这种算法与流体计算的板块元方法的数学犊型相同，所以可以实现电磁一气动一休化计算。图4超一个50cm长的舷合体截面，f丄=r： = 7.5cm.心位買为oi（0广1.5c）2（12,75）。20-图5 融含体测试及计算的rcs值罕2期马丰.一；打明阻咗款h寻比4订龙维普资iftll*3： .一 < « r 入射波h亍丁2二平臥 埼丿伯的弋旳从0

9、 '182殳匕©国5是此模见的实&；：£测试结处。测试魏冷以-888(_川乙，极化状态为匪直极化。2二维曲面低rcs的优化设计rcs是衡量肖体电磁散射的一个重要多虽。飞行器的隐身特性实暁上就是应用各种手 段减小目标的rcs。一能可以通过给飞行器涂沒吸波村料、衣面阳抗加黄等方法来达到这一 日的。但最有效和直接的方法，是通过外形设计的变化来降低kcs。通常称之为低rcs外 形技术。美国f-117隐身战斗机采用了这种方法。本文限于二维曲面进行了研究，提出了 锯齿形面役计及融合体优化的方法。众所周知，当入射波的方向与平板的法线方向共线的时候，其后向教射很强普通的飞

10、机或导聊上，总会有一些小的平面。最常見的是进气道和尾喷管唇口的法兰环平面。入射波 正入射于头部的时候，主要的战射贡献米自进气道蛇体和边经的菽射效应，掩盖了法兰的作 用。一旦进气道釆用某种方式降低了后向散射，法兰的贡献戏显示岀来了.有时可高达10&b 左右©如果要进一步使这些入射方向的敬射降低，可采用锯齿形倚设计。给定一个竜少二8cm,长为/=75cm的平板作为设计的例子。当入射波垂直于平板时波长 2 = 3cin,其后向的rcs值达到17db°采用图6所示的锯齿形面代替平闻.可使散射大幅度下降。 若在已知的平扳长度内设计n个锯齿，0为齿面与干面间旳夬角。给定n和0之

11、后.毎一齿面 顶点的空间塑标就确定了。应用板块元方法可求出它的rcs值。如果欲使设计的锯齿面在 某一入射方向的厉向散射最小，必须经优化计算求来。给定/v二3在平板和正入射方 向，审= 90°rcs最小。我幻町以把已给出前窄平灰改为锯齿面.几和二308°。图7表示原始卩板和优化锯点面的rcsffl,从图中可看到，在偏离方向±25°范在9很小.且"与45°相差较大的时候,st锯方更与平冋范rcs值围内，锯齿形而的后向rcs值都在6db左右.并且正人射方向将乐来旳17db降至60db之 下。当然更精确貳计算图6结构的敢射场，还应该考临到边缘

12、绕射及/ft反射等因素的审响， 这些因素可以忽略二分成一系列的糸带。用板块元迭可以求出在给定入射方向上.毎一条带的戕肘场值的大小。这样可以将主要散射贡僦釣曲面部分确定下来.然后用反切囲拄面代擀强ri 6据岩面示童图二维融合体的优化方法可按如下程序 进行，先给出一段二维凸柱体。我们用一 些平行于柱体轴线的直线.将柱体表面划徴射曲面部分。同样经优化处理可求出最优的反切囲芈径。攸理后的曲面变破了_个优化的 二维慰合体。144咅彳匕 t. :咲 学 接苹胪樓俊讯hnp:wwwcqvipcom參考文紙1 j mittra, r. et al computer techniques for eloctro

13、magnetic$r oxford. pei gamoa, 19t3r2 j harringtoo. r. f.> fittd computation by moment methods. new york macmillan, 1968.3 shaokar» v. et ah a time-domain differential solver for electromagnetic scatteringproblem, proc, ieee, vol. tt» no.6, maypp. t09-729,*4 mat guozhong and xu, jisdost

14、rc$ computation for a body with complex shapeby means of planar elements, proc, isae, 1989, pp. 211-214.,v 5 taflovc, a.> rtvbw of fd-td numerical modeling of efectromagntic w“ scattering and radar cross section, proc. ieee. vol.77, ko.6, 】989, pp. 688-69&the planar elements method for comput

15、ingthe scattering field of flight vehiclema guozhong ¥m jtadong/ department of electronic engineering northwestern polytechnical university )there are many methods for computing the scattering field of the conductive body, such as geometrical optics” (go), "moment” (mm), finite- difference

16、 time-domain (fd-td). finite elements* (fe)>etc 13-c3j.these methods are still not satisfactory either because accuracy is insufficient or because too much computing time is required.to improve accuracy and to reduce computing time, the authors propose a method which is called planar elemeflts .

17、this method lets the curved surface be represented by a set of planar elements. then the $vm of planar elements* fields is taken as the approximation of the body's scattering field. the inetbod has the advantages of simplicity, accuracy and speed. the main contributions of this paper are believe

18、d to be：(1) the authors are the first to apply the planar elements method used in aerodynamic calculations to compute the electromagnetic scattering field of flight vehicle.(2> the authors are the first to trunsform the stratton-chuegrationover a plane polygon into a simple algebric expression.(3) the authors are the first to present in the open literature research res