宋洪震，康總寬，杜喜昭，曹中臣

(西北機(jī)電工程研究所艦載武器總體部，陜西咸陽(yáng)712099)

0 引言

隨著現(xiàn)代高精度軍用光電子技術(shù)的快速發(fā)展和大量應(yīng)用，雷達(dá)探測(cè)技術(shù)得到很大提高，使得艦船被發(fā)現(xiàn)、跟蹤甚至命中的概率大大提高，極大改變了海戰(zhàn)場(chǎng)的攻防態(tài)勢(shì)。艦船作為海軍主要的戰(zhàn)斗力量之一，在廣闊的海面上，受到來(lái)自空中、水下、海上多方面的威脅，艦船被發(fā)現(xiàn)概率越大，在海戰(zhàn)中受到的攻擊概率就越大。因此，艦船如何控制和降低自身雷達(dá)特征信號(hào)，使敵方雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn)和跟蹤，或使敵方雷達(dá)發(fā)現(xiàn)己方艦船的探測(cè)距離減小，已成為當(dāng)今各國(guó)海軍重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)艦船的雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)主要集中于艦體和艙面上層建筑方面的隱身外形設(shè)計(jì)和隱身材料的應(yīng)用[2]。法國(guó)“拉斐特”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦上的常規(guī)甲板裝備罩有能減少雷達(dá)有效反射面積的異形板，艦尾的“響尾蛇”地空導(dǎo)彈發(fā)射裝置裝有雷達(dá)回波屏蔽板，大部分桅桿和上層設(shè)施的蓋板都用玻璃纖維增強(qiáng)塑料制造，在蓋板上還涂了一種特殊的雷達(dá)反射涂層和油漆，以減少雷達(dá)電磁波的反射強(qiáng)度[1]。英國(guó)45型驅(qū)逐艦的桅桿主體是全封閉八面體隱身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]。黃龍等[4]基于隱身外形技術(shù)設(shè)計(jì)了3種艦面設(shè)備隱身防護(hù)罩方案，并對(duì)優(yōu)選方案開(kāi)展了雷達(dá)吸波涂料涂覆前后的RCS仿真。劉圣杰等[5]使用FEKO軟件對(duì)某艦載發(fā)射裝置在不同姿態(tài)角下的雷達(dá)隱身性能進(jìn)行了仿真。軒新想等[6]基于RCS對(duì)無(wú)人艇載光電轉(zhuǎn)臺(tái)的外形進(jìn)行了優(yōu)化。張彤等[7]探究了在不同頻率下的形狀參數(shù)對(duì)于船舶某裝置整體RCS的影響規(guī)律，并根據(jù)仿真結(jié)果最終得到了各形狀參數(shù)的最佳設(shè)置方案。

作為艦船重要的艦載武器設(shè)備，艦炮位于艦船甲板寬闊地帶，無(wú)法與艦船上層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)融合設(shè)計(jì)，使得其對(duì)艦船隱身性能的影響較為突出。各國(guó)海軍對(duì)艦船隱身性能的迫切需求，促使艦炮隱身成為艦船重要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)艦炮的隱身設(shè)計(jì)主要集中于防護(hù)罩隱身外形設(shè)計(jì)和隱身材料的應(yīng)用。美國(guó)155 mm先進(jìn)火炮系統(tǒng)（AGS）、瑞典博福斯MK3型57 mm艦炮都采用整體隱身炮塔，不使用時(shí)可將火炮隱藏在炮塔內(nèi)。國(guó)內(nèi)H/PJ26型單管76 mm艦炮、H/PJ87型單管100 mm艦炮、H/PJ38型單管130 mm艦炮都采用了隱身外形設(shè)計(jì)。隱身材料存在適應(yīng)波段窄、吸收率有限、成本過(guò)高、環(huán)境適應(yīng)性差等缺點(diǎn)，而外形隱身設(shè)計(jì)具有效果好、適應(yīng)波段寬、不需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是新式武器系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和研制過(guò)程中最為有效和首先應(yīng)當(dāng)采用的隱身途徑[1,8–9]。本文基于艦炮總體布局設(shè)計(jì)要求和隱身外形設(shè)計(jì)原則，對(duì)艦炮防護(hù)罩進(jìn)行了外形隱身設(shè)計(jì)，并使用物理光學(xué)法對(duì)艦炮外露部分進(jìn)行RCS仿真來(lái)評(píng)估該艦炮的隱身性能。

1 雷達(dá)散射截面積

雷達(dá)散射截面積（RCS）的定義是基于平面波照射下目標(biāo)各向同性散射的概念，是定量表征目標(biāo)散射強(qiáng)弱的物理量。通常用σ來(lái)表示RCS的量值，m2。目標(biāo)雷達(dá)散射截面積（RCS）公式為：

其中：Pt為雷達(dá)發(fā)射功率；Pr為雷達(dá)接收功率；G為雷達(dá)發(fā)射和接收天線增益；λ為雷達(dá)波長(zhǎng)；R為目標(biāo)到雷達(dá)的距離。從式中可知，σ與R的四次方成正比，當(dāng)雷達(dá)設(shè)計(jì)參數(shù)確定后，減小目標(biāo)的RCS，能大大降低雷達(dá)的探測(cè)距離。

由于RCS變化范圍很大，在實(shí)際應(yīng)用中常用分貝值（dBsm）表達(dá)，即相對(duì)于1 m2的分貝數(shù)，公式為：

目標(biāo)的RCS取決于下列因素[1,9]：

ε′ ε′′μ′

1）目標(biāo)的幾何外形和材料的電參數(shù)（ ， ，和μ′′）；

2）目標(biāo)被雷達(dá)照射的方位；

3）入射波的頻率和波形；

4）入射場(chǎng)和接收天線的極化形式。

2 防護(hù)罩外形隱身設(shè)計(jì)

2.1 外形隱身設(shè)計(jì)原則

對(duì)于艦炮的威脅雷達(dá)波來(lái)自于敵方艦船或空中平臺(tái)，它們二者都接近水面，最大可能的觀察角限制在一個(gè)小的仰角范圍內(nèi)（最多1°～2°），但在方位角平面內(nèi)，所有方向的威脅是等可能的，因此在方位角平面內(nèi)外形隱身設(shè)計(jì)要遵守以下原則[1,4,9]：

1）避免出現(xiàn)任何較大平面和凸?fàn)顝澢砻?、邊緣、棱角、尖端、間隙、缺口；

2）避免鏡面反射和角反射器結(jié)構(gòu)；

3）避免兩平板正交；

4）避免暴露腔體結(jié)構(gòu)。

2.2 防護(hù)罩外形隱身設(shè)計(jì)

某艦炮設(shè)計(jì)時(shí)，要求防護(hù)罩必須滿足外形隱身、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安裝空間、整體重量、造型美觀等方面的需求。從艦炮整體結(jié)構(gòu)布局出發(fā)，再結(jié)合外形隱身設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了如下外形的防護(hù)罩，如圖1所示。

圖1 艦炮外形Fig.1 Naval gun shape

3 艦炮RCS仿真

防護(hù)罩將艦炮的炮架及安裝于炮床之上的各種裝置全部遮蔽，防護(hù)罩和身管、護(hù)套、護(hù)盾共同構(gòu)成艦炮外露部分，其模型如圖1所示。對(duì)艦炮外露部分進(jìn)行RCS仿真，更能表現(xiàn)艦炮的整體隱身性能。由于該組合體是電大尺寸物體，因此使用高性能計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)，利用物理光學(xué)法對(duì)組合體進(jìn)行RCS仿真。

3.1 物理光學(xué)法[9 –11]

物理光學(xué)法（Physical Optics），簡(jiǎn)稱(chēng)PO方法，是一種計(jì)算電大尺寸物體雷達(dá)散射截面的電磁仿真算法。物理光學(xué)法通過(guò)對(duì)感應(yīng)場(chǎng)的近似積分而求得散射場(chǎng)，計(jì)算表面感應(yīng)電流時(shí)完全忽略了各部分感應(yīng)電流相互之間的影響，而僅根據(jù)入射場(chǎng)獨(dú)立地近似確定表面感應(yīng)電流。

空間中某一點(diǎn)的散射場(chǎng)是由Stratton-Chu積分方程給出。對(duì)于一個(gè)有限散射體的閉合表面S，觀察點(diǎn)P位于表面S之外，如圖2所示。

圖2 源點(diǎn)和場(chǎng)點(diǎn)示意圖[10]Fig.2 Diagrammatic sketch of source point and field point

圖中：r為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)點(diǎn)P的位置矢量；r′為表面點(diǎn)Q的位置矢量；S?是散射方向的單位矢量；R為表面點(diǎn)Q到場(chǎng)點(diǎn)P的矢量，R=r?r′。

從Stratton-Chu積分方程，可得P點(diǎn)處的散射場(chǎng)：

式中：HS為散射磁場(chǎng)；ω為角頻率；E為空間的總電場(chǎng)；H為總磁場(chǎng)；S為目標(biāo)表面；n?為表面單位法向矢量；ψ為自由空間格林函數(shù)：

其中，R=|R|=|r?r′|。

在應(yīng)用物理光學(xué)法來(lái)分析目標(biāo)的散射場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，需要從Stratton-Chu積分方程出發(fā)，并做如下3點(diǎn)假設(shè)：

1）物體表面的曲率半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)；

2）物體表面上只有被入射平面波直接照射到的區(qū)域才會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流；

3）物體的受照射表面上的感應(yīng)電流特性和在入射點(diǎn)與表面相切的無(wú)限大平面上的電流特性相同。

目前使用物理光學(xué)法計(jì)算目標(biāo)雷達(dá)散射截面，普遍是將目標(biāo)表面剖分為許多小三角形面元，用這些小三角形面元來(lái)求解散射場(chǎng)，對(duì)于求解其中的積分，只需要在每個(gè)三角形上進(jìn)行計(jì)算，這對(duì)于計(jì)算任意形狀目標(biāo)的雷達(dá)散射截面提供了極大地便利。

3.2 參數(shù)設(shè)置

1）艦載火控雷達(dá)對(duì)艦炮的威脅最大，其頻率范圍8～12.5 GHz。雷達(dá)頻率越高，對(duì)目標(biāo)的定位精度越好，因此仿真頻率設(shè)定為12 GHz。

2）仿真坐標(biāo)系：以防護(hù)罩正前方水平指向?yàn)榭v軸（x軸）正向，回轉(zhuǎn)中心豎直向上為豎軸正向（z軸），橫軸正向按照右手法則確定（y軸）。

3）仿真角域：θ角（仰角）為入射波與橫軸縱軸平面（x?y平面）的夾角，x軸正向?yàn)?°；φ角（方位角）為入射波與橫軸豎軸平面（y?z平面）的夾角，y軸正向?yàn)?°。

4）采樣點(diǎn)：0°≤φ≤180°，每5°取一個(gè)采樣角；0°≤θ≤3°為雷達(dá)主要探測(cè)仰角范圍，每1°取一個(gè)采樣點(diǎn)。

5）仿真參數(shù)：仿真結(jié)果為遠(yuǎn)場(chǎng)單站RCS，極化形式為垂直極化，dBsm。

6）為全金屬化物體。

3.3 仿真結(jié)果分析

艦炮RCS仿真結(jié)果如圖3所示。

對(duì)比圖中艦炮RCS分布曲線可知，艦炮的強(qiáng)散射源位于防護(hù)罩正前方（φ=90°）和兩側(cè)面（φ=0°，φ=180°），其他方位角的RCS值都比較小，絕大部分在0 dBsm以下。各強(qiáng)散射源處的RCS數(shù)值和方位角平面內(nèi)的RCS平均值如表1所示。

由表1可知，隨著仰角的增大，艦炮兩側(cè)面（φ=0°，φ=180°）RCS值從大變小然后又增大，正前方（φ=90°）RCS值逐漸減小。造成該種現(xiàn)象的原因可能是：

1）在0°和180°方位角時(shí)，雷達(dá)照射區(qū)域主要是多塊不同傾斜角度的面板和身管，隨著仰角從0°增大到2°，下部面板減少的雷達(dá)截面等效面積比上部面板增加的雷達(dá)截面等效面積多，從而總的雷達(dá)截面等效面積減小，RCS值也就變小。仰角增大到3°時(shí)，上部增加的雷達(dá)截面等效面積比下部減少的雷達(dá)截面等效面積大，從而總的雷達(dá)截面等效面積增大，RCS值也就變大。

2）在90°方位角時(shí)，雷達(dá)照射區(qū)域除了防護(hù)罩的傾斜面板，還有帶小錐度的空心身管、半圓形護(hù)盾和護(hù)套。在仰角0°時(shí)身管的腔體結(jié)構(gòu)、護(hù)套與防護(hù)罩面板構(gòu)成的角反射器結(jié)構(gòu)、護(hù)盾凸?fàn)钋娼Y(jié)構(gòu)對(duì)RCS值的貢獻(xiàn)較大。隨著仰角的增大，前述結(jié)構(gòu)造成的影響逐漸減小，總的雷達(dá)截面等效面積減小，RCS值也就變小。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上仿真和分析，可知：

1）除了方位角0°，90°，180°以外，其他方位角內(nèi)的RCS值都較小，可以較好減小艦炮的雷達(dá)特征信號(hào)，提高了艦炮的隱身性能。

圖3 艦炮RCS仿真結(jié)果Fig.3 RCSsimulation results of naval gun

2）強(qiáng)散射源與具體的方位有關(guān)，并在RCS分布曲線的峰值對(duì)應(yīng)方位得到體現(xiàn)。

3）側(cè)面大尺寸面板、身管的腔體結(jié)構(gòu)、護(hù)套與防護(hù)罩面板構(gòu)成的角反射器結(jié)構(gòu)、護(hù)盾凸?fàn)钋娼Y(jié)構(gòu)對(duì)艦炮RCS值貢獻(xiàn)較大。

表1 RCS數(shù)值表Tab.1 RCSdata table