不连续特征双站散射特性分析

不连续特征双站散射特性分析

现代战争技术和战场环境的发展把飞机的暴露技术变成了一项重要技术。它在决定战争结果方面发挥了重要作用，如远程轰炸、远程中断和交叉攻击。一方面,对于隐身飞行器,存在于常规飞行器上的主要散射源(如角体散射、腔体散射、镜面反射等)已大大减缩,此时存在于飞行器表面蒙皮、安装处、舱门连接处等的缝隙、台阶、铆钉等不连续特征散射源占总体散射的比重将大大增加,成为隐身飞行器、坦克、舰艇等设计的主要矛盾之一。因此,需要对该类散射源的电磁散射特性进行详细研究并得到其散射机理,进而提出合理的技术(如锯齿化、规律分布等)进行减缩。另一方面,双站及多站雷达成为反隐身的一个重要手段,而目前不连续特征研究主要集中在单站雷达散射截面(RCS)散射上,为深入研究其双站散射特性,本文提出一种新颖的不连续特征双站RCS测试方法,用于模拟飞行器在敌双站雷达照射下执行任务时的不连续特征散射规律,为隐身飞行器设计提供一定的技术参考。通过对不同双站角时单直缝隙板、单直台阶板的系列RCS测试,得到了其双站电磁散射特性,发现了双站散射具有的相似性、对称性和平移性,同时对两种不连续特征具有的不同散射特性也进行了详细研究,这一研究结果对于飞行器的双站隐身设计具有重要意义。1不连续特征试验由于缝隙、台阶等电磁散射相对较弱,如果采取在飞行器或坦克表面开缝隙(台阶)的办法来研究其影响,不仅试验件很难精确制作,此时单个(或稍多)的不连续特征相对整体而言较弱,试验也不能精确进行,且用于对比不连续特征影响时需要制作大量单独的整机试验件(包括带不连续特征和光滑表面两种),试验成本很高,且试验结果并不可信,可见该方法具有精度低、试验难度高、成本高的缺点,因此不能进行大量系列化测试。为进行机理性探索研究,以了解不连续特征的影响,将不连续特征置于金属板的对角线(如图1和图2所示),金属板对角线垂直于水平面。该方法可以保证在测试的绝大多数角度下,平板边缘不会与电磁波入射方向正交,从而削弱金属边缘对结果的影响。1.1试件和测试仪器本文研究的不连续特征目标为单直缝隙和单直台阶。根据以上分析,采用金属平板对角线中央分布的方式,从飞行器实际工程和测试场条件出发,将缝隙和台阶均布置在边长为400mm的正方形金属板上,单直缝隙长400mm(见图1),缝隙宽3mm,单直台阶长为平板对角线长,台阶高2mm(见图2),两个试验件厚度均为5mm。测试仪器为微波暗室内的扫频测试系统,矢量网络分析仪为Agilent公司的PNA8683B。测试时将不连续特征所在的对角线垂直于水平面放置,然后旋转测试目标,进行方位角变化,测试误差为-40dBm2以下。1.2航天器的方位角目前的双站RCS测试方法主要为固定测试目标,发射天线不变,接收天线旋转180°或360°,得到随双站角变化的双站RCS曲线,这种测试方法可以用来模拟飞行器突防时多个不同双站雷达的探测。而当飞行器在敌方上空或某一特定区域上空处于盘旋或格斗状态时,上述测试方法不能用来分析,因为此时飞行器相对于双站雷达的距离不变,双站角不变,而飞行器盘旋或格斗时,相对于雷达的方位角在变化。为模拟飞行器的盘旋或格斗情况,本文提出了一种新的双站RCS测试方法:固定双站角(即发射天线和接收天线位置不变),将试验件旋转180°或360°,研究其RCS散射特征,每次方位角测试完毕后,可将双站角进行重新调整,如图3所示。固定发射天线位置,接收天线位于以转台为中心的圆周(半径为发射天线到转台中心的距离)上,二者夹角(即双站角)分别取0°,30°,60°,90°和120°。测试状态为单直缝隙板或单直台阶板正对发射天线,沿顺时针方向旋转360°,本文中测试频率均为10GHz,全部水平(HH)极化(电场垂直于缝隙、台阶所在的对角线),规定发射天线垂直于有不连续特征的一面时为0°方位角。1.3多层快速多极子算法性能测试结果为验证测试结果的可靠性,以单直台阶板为例,由于高频计算方法(如物理光学法、物理绕射理论)无法精确模拟不连续特征表面电流,文中采用改进精度的多层快速多极子算法(MultilevelFastMultipoleAlgorithm,MLFMA)计算了入射频率为10GHz、双站角为0°时的散射曲线,并与测试曲线进行对比,结果如图4所示。图4表明,对单直台阶类型的不连续特征电磁散射,计算和测试结果吻合很好,全向均值误差为0.13dB,说明了测试结果的正确性,因此,该测试方法可以用于分析不连续特征的电磁散射特征。2单直缝层的双站散射特性分析2.1双站角均匀变化对于单站来说,飞行器目标正头向的±30°是观察的重点区域,因此在本文研究中,对双站情况同样取±30°为重点考查方位,双站角进行均匀变化(每测得一条曲线双站角增大30°)。实际测试发现,在目前的测试条件下,120°双站角之后,发射天线与接收天线之间的互相影响作用相对强烈,从发射天线中辐射的电磁能量有部分未经目标散射直接进入接收天线,造成接收能量增大而致使测试曲线明显上扬,误差较大,因此在测试中一般应保持双站角不大于120°。2.2测试曲线分析双站角分别取0°,30°,60°,90°和120°。反映在极坐标系中,表现为发射天线始终位于0°方向,接收雷达以30°为间隔,分别取0°,330°,300°,270°,240°位置。测试状态为缝隙正对发射天线,沿顺时针方向旋转360°,测试频率为10GHz,HH极化。各不同双站角下RCS测试曲线对比如图5所示,主要方位角角域上的RCS均值统计结果如表1所示。首先,由图5可以看出,0°双站角下的散射曲线分布形式与其他双站角下的散射曲线外形基本相似。同时,散射曲线表明,在除峰值附近的其他角域内,随双站角的增大,缝隙的影响较为明显,表现为RCS散射曲线上升。其次,不同曲线的峰值保持在同一水准(20dB左右),这是由于单站时峰值对应镜面散射,而其他较小双站角时,散射类似于镜面散射。同时,散射曲线也表明,达到峰值所对应的方位角发生了变化,即测试曲线达到峰值所需要的角度随双站角的增大而依次提前。30°双站角时,测试曲线在方位角165°左右出现波峰;60°双站角时波峰出现在方位角约150°的地方;90°和120°双站角时的峰值则分别对应于方位角135°和120°。因此,可以认为曲线到达峰值所需的方位角前移幅度为双站角的1/2。除去达到峰值的较小角域,测试曲线大都维持在-10dB以下,而且随双站角的增加逐渐上升。从极坐标图上看,曲线所形成的椭圆环出现不同程度的膨胀,再次证明缝隙对双站散射的影响。由表1可以发现,单直缝隙板的全向均值随双站角增加而增大,增幅最大有6dB左右,而其余两个角域内的RCS均值变化不是很明显。总地看来,缝隙导致的行波使散射随双站角增大时,曲线上升,即散射增强,同时散射达到峰值对应的方位角会随双站角的增大而明显平移。具体表现为以下几个方面:(1)散射曲线分布的相似性。双站散射曲线与单站散射曲线相比,形状基本不变,而幅度发生一定变化。即双站散射与单站散射相比,在散射机理上并未发生明显改变,目标在各个方向上的散射分布也基本不随双站角发生变化。因此如果要对目标的双站隐身能力提出要求,则必然要求该布局具有高的单站全方位隐身能力。(2)散射曲线的对称性。与单站散射特性类似,对于左右对称布局,双站散射曲线关于双站角平分线对称,说明发射天线与接收天线位置互换对测试结果并无影响。(3)散射曲线峰值的平移。双站角的出现使得测试曲线出现平移,幅度基本为双站角的1/2,平移方向为从发射天线指向接收天线,平移后的曲线峰值处于发射天线和接收天线夹角平分线上。(4)曲线的全向RCS均值随双站角的增大而增大,极坐标中的散射椭圆环向外膨胀,说明缝隙对双站RCS具有较大贡献,这成为隐身飞机的一个设计内容,同时,为双站雷达对飞行器的探测提供了可能性。3双站角的影响测试状态与单直缝隙板一致,得到其散射曲线如图6所示,RCS均值统计结果见表2。由于台阶和缝隙的区别,对于单直台阶板的双站RCS曲线:首先,散射曲线表现为弱对称性,即对所有双站角,其散射曲线均关于对应波峰弱对称分布;其次,与单直缝隙板的双站散射相似,台阶仅影响RCS曲线幅值的变化,而对整个散射曲线的分布影响较小,仍具有一定的相似性。同时,随着双站角的增加,测试曲线出现相应的平移,移动幅度为双站角的1/2,平移方向为从发射天线指向接收天线,平移后的曲线峰值处于发射天线和接收天线夹角平分线上。在0°～90°角域内,曲线随双站角的增加逐渐下降,双站角达到120°时曲线变得平缓而有所上升。图6中的椭圆环随双站角的增加而呈弱对称收缩,表明随着双站角的增加,台阶散射影响逐渐减弱。由表2可见单直台阶板的全向均值随双站角增加而减小,减缩幅度最大为6dB左右,仅在120°双站角时由于直接接收电磁发射能量的影响而略升;0°～30°角域内和330°～360°角域内的几何均值也有6～20dB的减缩。总地来看,台阶导致的行波散射基本随双站角增大而减弱,而且散射达到峰值对应的方位角度会随双站角的增大而明显提前,提前量为双站角的1/2。综上所述,根据双站情况下RCS散射曲线峰值及曲线的平移性质,双站探测可能导致某些在单站散射中未处于重点姿态角内的波峰在散射图发生偏转的情况下进入重点探测范围,特别是,峰值位置的改变可能导致接收天线较容易探测到目标,引起飞行器目标隐身性能的降低,因此双站隐身能力的判定应结合主要威胁的双站角和整机全方位所有波峰位置进行。4双站角的影响表面不连续特征本身为假想的目标散射源,离开不连续特征板,不连续特征不能独立存在,因此对其进行研究比较困难。为深入研究,首先,将不同双站角下的不连续特征板与对应的金属平板的双站散射曲线进行对比,以研究不连续特征的双站散射特性;其次,由前所述,双站测试曲线出现平移,且幅度为双站角的1/2,即散射曲线关于双站角平分线对称,因此,对不同双站角,计算出关于双站角对角线左右90°角域内的RCS均值,结合散射曲线研究不连续特征影响。图7和图8分别为60°和90°双站角时(其他双站角情况类似)的单直缝隙板、单直台阶板与金属平板的散射曲线。为方便分析,将方位角归一化,规定双站角对角线位置对应0°,这与第2节和第3节(以方位角为标准)有所不同。图7和图8表明,缝隙、台阶对电磁散射的影响比较明显,对单直缝隙板,散射曲线表现为相对金属平板的平稳上升,且在掠入射时较大,而单直台阶板散射曲线表现为中间高、边缘低的特点;对不同的双站角,散射曲线相似。60°双站角时,金属平板、单直缝隙板和单直台阶板的几何均值分别为-34.9550,-15.8082,-15.3301dBm2;90°双站角时分别为-34.7272,-13.6671,-19.0543dBm2,均值增幅达15dB甚至20dB,同时,双站角增大时,缝隙的影响增强而台阶的影响减弱。5测试条件的影响研究得到以下规律:(1)散射曲线的相似性。对单直缝隙板和单直台阶板,双站RCS散射曲线均具有和对应入射频率下的单站散射曲线分布形式相似的特点,不同的不连续特征对幅值的影响不同。(