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技术文章 > 基于FEKO仿真评估米波段隐身飞机的RCS

2014/9/15 14:48:04

摘 要:米波段采用FEKO 软件的多层快速多级子法(MLFMM)计算隐身飞机雷达散射截面(RCS),并与时域有限差分法(FDTD)的计算结果以及测量值进行对比分析。计算结果表明:FEKO 软件多层快速多级子法的计算值与测量值吻合较好,优于FDTD 的计算值,说明该方法在米波段飞机目标RCS计算的优越性。
关键词:雷达散射截面;隐身飞机;多层快速多级子法;计算

1 引言
隐身飞机采用精巧的几何外型设计和良好的吸波材料,极大地减少了雷达散射截面,从而增强了其自身的生存能力和空中作战能力。然而,这种隐身特性主要针
对对飞机生存威胁最大的微波雷达而设计的。对于米波雷达,隐身飞机尺寸的主要散射属于谐振区散射,此类散射与目标表面具体形状的关系并不密切,决定散射强
度分布的主要是目标的尺寸,通过控制目标表面形状的手段来实现隐身的效果十分有限。因此,研究米波段隐身飞机的RCS,对于提高隐身飞机设计水平具有积
极的推动作用。

2 米波段F117ARCS 的仿真分析
2.1 整体RCS 的分析
      以隐身飞机F117A 为仿真对象,依据其实际几何尺寸,米波段内会产生谐振现象。鉴于该飞机的几何和物理特征的复杂性,适于采用低频数值方法进行计算研
究。
      图1 是F117A 三角剖分后的仿真模型,其尺寸为:长20.08 米,宽13.201 米,高2.601 米(不包括起落架)。飞机的一些细节部件进行了钝化处理,长宽高三个
方向的尺寸比起真实目标有些细微出入。
     由于不了解飞机表面吸波涂层的有关信息,而且涂层在米波段对电磁波的吸收效果有限,故而忽略飞机表面涂层的作用效果,假设飞机为良导体。
     由于MLFMM 计算散射问题时不需要设置边界条件,不需要对传播空间进行网格划分,只需对目标进行面网格划分,因此,本文通过采用电磁分析软件FEKO的MLFMM 方法, 对米波段隐身飞机F117A 的RCS 进行计算,计算结果如图2、图4、图6所示。为验证计算结果的准确性,文献[3] 给出了实际测量结果和FDTD 的计算结果,由于频率较低时收发天线间的耦合急剧增大,导致信噪比太低而无法正确测量,文献[3] 只能给出70MHz 以上的测量结果,如图3、图5、图7 所示。
 

图1 F117A的网格化模型

图2 沿F117A鼻锥方向入射时单站RCS
(MLFMM 30MHz-200MHz)

图3 沿F117A鼻锥向入射时单站RCS
(FDTD计算值与测量值 70MHz-350MHz)

图4 沿F117A后向入射时单站RCS
(MLFMM 30MHz-200MHz)

图5 沿F117A后向入射时单站RCS
(FDTD计算值与测量值 70MHz-350MHz)

图6 沿F117A侧向入射时单站RCS
(MLFMM 30MHz-200MHz)

图7 沿F117A侧向入射时单站RCS
(FDTD计算值与测量值 70MHz-350MHz)

对比图2 和图3、图4 和图5、图6 和图7,得出以下结论:
     (1)在70-200MHz 频段内,沿F117A 的鼻锥向、后向以及侧向入射时,在大部分频段,MLFMM 方法的计算结果与测量结果的量级基本相同,变化趋势也
较为一致,可信度高,这证明了MLFMM 方法具有较高的准确性,但是曲线的波峰和波谷未能完全重合,可能由计算模型相对测量模型进行了简化等原因造成。
     (2)F117A 在米波段内散射截面具有明显的谐振特性。两种极化的曲线大多数情况下均位于0dB 以上,峰值甚至远远超过了10dB,远不如在高频区(如
厘米波段)的隐身效果,这说明隐身飞机F117A 在米波段隐身效果不明显,即对于目前具有隐身结构飞机的探测,米波雷达相对于微波雷达更具有优势。从反
隐身角度而言,更说明了研制和使用工作在目标谐振区雷达的必要性。图2、图4 和图6 定量地说明米波雷达的反隐身目标能力。
     (3)如图2 所示,给出了两种极化下入射波沿F117A 鼻锥方向入射,单站RCS 随频率变化的曲线。通过对F117A 在两种极化方式下RCS 的比较,在30-
110MHz 频段内,水平极化曲线的RCS 值一直比垂直极化曲线的RCS 值大,但水平极化曲线逐步下降,而垂直极化曲线逐步上升;而在110MHz 频率以后,垂
直极化曲线的峰值普遍高于水平极化曲线。因此,不能绝对地认为水平极化下的RCS 一定比垂直极化下的大。
     (4)如图4 所示,入射波沿F117A 后向入射时,水平极化下的RCS 明显大于垂直极化下的RCS。因为对于水平极化,两个机翼处在水平极化面内,在接
收方向将产生较强的散射回波。
    (5)如图6 所示,入射波沿F117A 侧向入射时,由于尾翼根部与机身(或机翼)形成的小二面角的贡献,使得垂直极化下的RCS 一般要大于水平极化下的
RCS。
2.2 MLFMM 方法与时域有限差分法的对比将MLFMM 方法的计算结果与FDTD 的计算结果进行对比,以入射波沿F117A 鼻锥方向( 方位角 、俯仰角 ) 入射的情况为例,对四个频率点上的RCS 进行采样对比,见表1 和表2。
表1 MLFMM、FDTD的计算值与测量值的对比(HH)
 

RCSdBsm

70MHz

100MHz

150MHz

200MHz

 

测量值

15

8

8

7

MLFMM

17

14

8

8

FDTD

20

14

9

3

表2 MLFMM、FDTD的计算值与测量值的对比(VV)

RCS(dBsm)

70MHz

100MHz

150MHz

200MHz

测量值

8

10

12

8

MLFMM

7

13

11

12

FDTD

5

13

8

4

     如表1 和表2 所示,入射波沿F117A 鼻锥方向入射时,两种方法的计算结果较为接近,在个别频点上MLFMM 方法相对于FDTD 更接近测量值。由于MLFMM 方法与FDTD 均是数值方法,本身具有固有误差,但FDTD通过较多的中间变量,误差相对较大,因此在米波段对隐身飞机这类目标RCS 进行计算,运用MLFMM 法要比FDTD 计算更加准确、效果更好。
2.3 米波段F22 与F117A 的RCS 的计算结果对比
    不同的飞机,即使是相同的姿态和飞行轨迹,它们的RCS 值也是不一样的,计算飞机目标的RCS,就是为了通过它们各自的RCS 值提炼出目标特征,从而对它们进行识别。F117A被认为是世界上第一架“纯”隐身、具有最低限度气动性能、把隐身性能作为主要设计要求的、仅仅具有对地攻击能力的名不副实的“战斗”机。而F22 是进行了隐身与气动一体化设计的第四代战斗机,具有隐身、超音速巡航、高机动性敏捷性、良好的维修性四大特征。
     本文同样采用MLFMM 方法计算米波段F22 的RCS,图8、图9 和图10 分别是沿F22 的鼻锥向、后向以及侧向入射时单站RCS。

图8 沿F22鼻锥方向入射时单站RCS

图9 沿F22后向入射时单站RCS

图10 沿F22侧向入射时单站RCS

对比图2、图4、图6 可知:
     米波段,F22 在鼻锥向、后向的单站RCS 较低,大部分频率点上RCS 都低于5dB,说明F22 即使在米波段内仍具有一定的隐身效果,在进行面对面攻击时很难被对方发现以及不容易受到沿尾向的攻击;F22的RCS 基本上都比F117A 的RCS 低5dB 以上,说明F22 在米波段的隐身效果比F117A 好。
3 结论
    本文提出米波段采用FEKO 软件的MLFMM 方法对隐身飞机F117A 的RCS 进行计算,将计算结果和测量值进行对比,证明了FEKO 软件的MLFMM 方法具有较高的准确性;同时将计算结果与时域有限差分法的计算结果进行对比,进一步说明MLFMM 方法相比FDTD 方法在米波段对隐身飞机RCS 计算,具有更好的适用性和优越性。
参考文献
[1] 黄培康,殷红成,许小剑. 雷达目标特性[M]. 北京:电子工业出版社. 2005,3.
[2] 阮颖铮等. 雷达截面与隐身技术[M]. 北京:国防工业出版社. 1998,6.
[3] 莫锦军. 隐身目标低频宽带电磁散射特性研究[D].长沙: 国防科技大学, 博士论文, 2004.
[4] E.F. 克拉特著, 阮颖铮, 陈海译. 雷达散射截面- 预估, 测量和简缩[M]. 北京:电子工业出版社, 1988.
[5] 李世智. 电磁辐射与散射问题的矩量法[M]. 北京:电子工业出版社. 2001.