張 森

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088；2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中制空權(quán)的奪取是決定勝利的關(guān)鍵。目前，美國(guó)、俄羅斯以及歐盟各國(guó)都部署了先進(jìn)的隱身戰(zhàn)機(jī)，其中最具代表性的是美國(guó)的F-22戰(zhàn)機(jī)。F-22隱身超音速巡航戰(zhàn)機(jī)是由美國(guó)洛克希德·馬丁公司推出的集隱身性、高機(jī)動(dòng)性、超音速巡航性、多用途、高可靠性與可維護(hù)性于一體的第5代先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)。[1]針對(duì)該類隱身目標(biāo)，傳統(tǒng)的單基預(yù)警雷達(dá)不僅很難完成預(yù)警任務(wù)，且其自身的生存也成為一個(gè)緊迫的問(wèn)題。雙/多基預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)由于其更好的反隱身、反偵察與抗干擾能力，是未來(lái)雷達(dá)領(lǐng)域裝備發(fā)展的一個(gè)重要方向。[2]對(duì)隱身飛機(jī)目標(biāo)的雙基RCS特性進(jìn)行仿真和分析是雙/多基預(yù)警雷達(dá)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(biāo)，在三維建模的基礎(chǔ)上，使用電磁仿真軟件FEKO對(duì)其進(jìn)行P頻段(反隱身預(yù)警雷達(dá)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(jī)目標(biāo)P頻段雙基RCS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，該方法具有可重復(fù)性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能為雙/多基預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及使用提供仿真依據(jù)。

1 目標(biāo)建模與仿真方法

隱身目標(biāo)的建模是計(jì)算其RCS的基礎(chǔ)。隱身目標(biāo)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(duì)于F-22隱身飛機(jī)目標(biāo)，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(shí)現(xiàn)直接導(dǎo)入。

圖1 F-22飛機(jī)三維模型

RCS的各種仿真計(jì)算方法均是針對(duì)面元進(jìn)行的。所以，在做電磁仿真計(jì)算前，還需要對(duì)模型進(jìn)行面元剖分，得到相應(yīng)的網(wǎng)格模型。網(wǎng)格模型剖分的粗細(xì)程度直接影響電磁計(jì)算的精度。對(duì)于同一模型，網(wǎng)格剖分越精細(xì)網(wǎng)格質(zhì)量越好，采用同一算法進(jìn)行電磁計(jì)算的精度就越高，但計(jì)算時(shí)間和對(duì)仿真計(jì)算機(jī)硬件的需求就越大。F-22飛機(jī)的翼展13.53 m、機(jī)身18.9 m、機(jī)高4.049 m。對(duì)于P頻段(400～500 MHz)，網(wǎng)格模型在剖分過(guò)程中其三角面元尺寸設(shè)置不超過(guò)λ/12，λ對(duì)應(yīng)500 MHz頻率的波長(zhǎng)。剖分結(jié)果如圖2所示。

圖2 F-22飛機(jī)網(wǎng)格剖分模型

網(wǎng)格的疏密由對(duì)應(yīng)區(qū)域的復(fù)雜程度決定，越復(fù)雜的區(qū)域剖分的越密。這為計(jì)算結(jié)果的精確性提供了保證。

在電磁仿真計(jì)算中關(guān)注的是目標(biāo)的電尺寸，電尺寸是用波長(zhǎng)λ來(lái)衡量的。如果目標(biāo)物理尺寸是L，定義L和波長(zhǎng)λ的比值為K=L/λ。當(dāng)比值小于10時(shí)目標(biāo)就被認(rèn)為是電小尺寸目標(biāo)，而大于10時(shí)就被認(rèn)為是電大尺寸目標(biāo)。對(duì)于同一種電磁散射特性仿真算法，當(dāng)目標(biāo)的電尺寸增大時(shí)算法對(duì)計(jì)算能力和計(jì)算存儲(chǔ)量的要求也就越高。當(dāng)雷達(dá)頻率提高且電尺寸増大到超過(guò)計(jì)算機(jī)能力限制時(shí)就需要采用更加優(yōu)化的算法。但是，優(yōu)化算法相對(duì)于全波分析算法來(lái)說(shuō)精度略差，計(jì)算方法的選擇一般來(lái)說(shuō)是計(jì)算時(shí)間與計(jì)算精度的折中。本文研究的頻段為普遍用于各種預(yù)警雷達(dá)的P頻段(400～500 MHz)。F-22隱身飛機(jī)為電大尺寸目標(biāo)，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(jí)子算法進(jìn)行雙基RCS計(jì)算。[4]

2 單基RCS計(jì)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(jī)全方位的單基RCS仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 F-22飛機(jī)全方位單基RCS

戰(zhàn)斗機(jī)在實(shí)際作戰(zhàn)過(guò)程中巡航、突防和逃逸是最主要的3個(gè)階段。巡航時(shí)，飛機(jī)一般作側(cè)向平飛運(yùn)動(dòng)，飛機(jī)的側(cè)向暴露給雷達(dá)。突防時(shí)，飛機(jī)的鼻錐方向是威脅最大的方向。而在逃逸過(guò)程中，飛機(jī)的尾向暴露給雷達(dá)。如僅研究機(jī)身平面內(nèi)局部方位角范圍的RCS特性與實(shí)際情況不符，因?yàn)轱w機(jī)不可能與雷達(dá)在同一高度。因此，主要分析F-22飛機(jī)側(cè)向、頭向和尾向3個(gè)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(biāo)的RCS會(huì)隨姿態(tài)角劇烈變化，因此用統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)飛機(jī)目標(biāo)3個(gè)重點(diǎn)姿態(tài)角區(qū)域的RCS進(jìn)行比較分析[5]，分別選用均值、極大值和極小值3種統(tǒng)計(jì)參數(shù)，比較結(jié)果如表1所示。

表1 重點(diǎn)姿態(tài)角區(qū)域RCS統(tǒng)計(jì)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(biāo)的RCS值較小。該角度范圍是飛機(jī)作戰(zhàn)時(shí)的主要威脅范圍，通過(guò)外形隱身已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)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(shí)，目標(biāo)的RCS都具有較高的值，目標(biāo)無(wú)外形隱身特性。

2.2 不同頻點(diǎn)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(lái)進(jìn)行不同頻點(diǎn)F-22飛機(jī)目標(biāo)RCS趨勢(shì)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(shì)

從仿真結(jié)果中可以看出，在分析頻段內(nèi)，不同頻率對(duì)應(yīng)目標(biāo)RCS的起伏特性變化并不大，且在所有頻點(diǎn)、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(jì)算與分析

以中心頻率450 MHz水平極化為例，F(xiàn)-22飛機(jī)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(biāo)雙基RCS(入射θ=90°、接收θ=90°)

圖6 F-22目標(biāo)雙基RCS(入射θ=60°、接收θ=60°)

圖7 F-22目標(biāo)雙基RCS(入射θ=60°、接收θ=120°)

圖8 F-22目標(biāo)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(duì)不同入射和接收方向的雙基RCS電磁仿真計(jì)算和分析，總結(jié)出F-22飛機(jī)目標(biāo)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(jī)平飛時(shí)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(jī)上表面或者下表面為反射面的光學(xué)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(jī)平面夾角較小時(shí)(即60°<θ<120°)，考慮飛機(jī)平飛的情況下飛機(jī)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(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)可使用多部雷達(dá)從不同方向聯(lián)合探測(cè)實(shí)現(xiàn)反隱身。在上述3個(gè)RCS大值方向上較單基預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)，雙/多基預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)能夠獲得約15 dB的RCS增益。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于FEKO軟件對(duì)F-22隱身飛機(jī)目標(biāo)的P頻段單雙基RCS電磁散射特性進(jìn)行仿真和分析，通過(guò)仿真得出：F-22隱身飛機(jī)目標(biāo)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(huì)變得較高，并無(wú)隱身特性；其雙基RCS具有3個(gè)大值區(qū)域，相對(duì)于入射方向(θ，φ)，最大值區(qū)域?yàn)楸诚?180°-θ，180°+φ)附近，次大值區(qū)域?yàn)楣鈱W(xué)路徑(θ，180°+φ)附近，當(dāng)入射方向與飛機(jī)平面夾角較小時(shí)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(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及使用提供仿真依據(jù)。