对消式舰船有源隐身技术研究*

向迎春 曲长文 平殿发 赵维青

(海军航空工程学院电子信息工程系1) 烟台 264001)(中国人民解放军91599部队2) 莱阳 265200)

1 引言

舰船雷达波隐身技术是提高舰船在现代海战中生存能力的有效手段。发达国家海军目前在舰船建造中普遍采用隐身外形和涂覆隐身材料等新技术来反雷达探测。舰船雷达波隐身技术已从试验阶段步入实用阶段,欧美等国已相继有多艘采用雷达隐身设计的舰船投入现役。考虑代价因数以及进一步发展隐身外形和隐身材料的困难性,研究新的反雷达隐身技术就显得尤其重要。有源对消隐身就是舰船雷达波隐身技术发展的一个重要方向。

2 舰船有源对消隐身原理

2.1 有源对消基本原理

舰船对电磁波的反射基于舰船表面感应电流的二次辐射。若已知源的辐射场分布,反过来又可以得到散射体的特性和场源分布。而从舰船对雷达的隐身看,往往只需雷达所在的一个小的立体角范围内实现电磁波对消,此时也只需给出这一特定区域的远区电磁场数值即可。雷达散射截面(RCS)就是对舰船在一定方向上反射的功率与入射的功率密度进行归一化处理后得出的度量。它表征舰船表面感应电流的远区辐射场,其数学表示式为[1]

从理论上讲,舰船在不同方向的 RCS数值可以精确地测到,而瞬态的雷达入射场也可以通过平台上的传感器精确测到。这样根据式(1)的定义,舰船在雷达方向上的散射场就确定了,即

根据式(2)在雷达方向与散射场相干但相位相反的场总是可以产生出来的,因此,有源电磁波对消在理论上是成立的。提高舰船的雷达隐身性能,就是减小雷达能接收到的散射电磁波强度,也就是减弱舰船对雷达波的散射即雷达散射截面。可见,通过有源或无源的手段,降低投照到舰船的信号强度,则从舰船散射回雷达的信号强度相应地更弱了;或者只降低舰船散射回波,这种技术途径也可以达到雷达散射截面缩减(RCSR)的目的。

2.2 对消波的幅相条件及误差分析

1)对消幅相条件

复杂舰船可被分解为 N个离散散射体或散射中心的组合,其σ取决于各散射中心的散射截面积的相关和[2]:

式中,σn是第n个散射中心的复数 RCS,φn是该散射中心的相对相位。在众多的散射中心中,对于特定的工作频率和入射角,一般存在着若干起主要作用的散射中心。集中减缩主要散射中心对散射所做的贡献,可有效地实现RCSR。人为引入与主要散射中心相对应的对消源是有源对消的出发点。舰船平台上的传感器将入射雷达波的参数送入控制系统,自适应地产生并在所需方向发射一列合适的相干波,改变舰船的散射分布,有效地降低雷达方向的散射功率密度。

设舰船原有的雷达散射截面积为σ0,人为通过有源方式引入一个等效的散射中心,其等效散射截面积为σ1,它们的相位分别为φ0和φ1,叠加后的舰船散射截面积σ为

即

控制σ1和φ1,就可能进行寻优,以实现最佳对消效果。当达到最佳对消参数:

2)相位幅值差对隐身效果的影响

若相位与幅值同时存在误差时,则归一化雷达截面¯σ随相位与幅值误差的变化关系为

图1 相位和幅值偏离最佳值时的归一化RCSR曲面

从图中可以看出当相位与幅值相对最佳条件都有变化时,要对被保护舰船达到一定的隐身效果,则相位与幅值差偏离最佳条件的范围被进一步的缩小,而对相位的要求就更苛刻。在图中坐标原点处幅值和相位均为最佳条件,此时雷达截面积为0,实现了完全隐身。

事实上,对海面舰船的散射研究尤其是掠射条件下的散射特性分析长期以来一直是计算电磁学的一个重要研究课题。同时从上面的原理分析也可以看到,舰船有源对消隐身的实现并不容易。它有很多关键技术需要突破:舰船散射特性的精确预估,对消场的生成与控制以及对消数据库的建立等,而首先要做的工作就是舰船散射特性的精确预估。

3 舰船RCS预估

3.1 舰船的RCS的预估思想

为了能够准确计算海面舰船的散射特性必需要尽可能考虑海洋背景对雷达波散射的影响。舰船的RCS预估思想为:以粗糙面为海面模型,以三维外形图为舰船模型,在此基础上研究海面舰船散射。

1)舰船的三维建模。现在流行的图形建模软件有 Auto CAD、3DS Max、Ansys、GiD 等。构造舰船外形,可以根据舰船设计图纸和设备图纸精确构造,模型的精度可达毫米量级。而对外方舰船,则可以通过照片等资料构造出近似外形。

2)海面的模拟。海面的模拟,模型有统计模型、分形模型和混沌模型。统计模型中海面的运动用随机函数来描述,Monte Carlo方法是最为常用的统计方法;Pierson-Moskowitz海谱和Phillip谱在海面粗糙面的统计构造中也有着广泛的运用。分形模型构造的粗糙面结构具有自相似性,同时兼顾了大范围和小范围的无序的特点,接近实际的自然粗糙面。此外,Shaw和Dougan[3]提出可以结合相应的海域模型以及边界条件来研究海面散射,他们提出的分类中将海面散射的研究分为七个层次,最终达到对海面散射的精确分析。

3)对三维舰船和模拟海面进行RCS预估。为了计算舰船的RCS,需要求出散射舰船在远场的散射场。在海面舰船的散射计算中,将舰船以及其周围海面看作整体进行研究。

3.2 粗糙海面与舰船的RCS的预估现状

1)RCS的一般预估方法。RCS预估方法有有限元法(FEM)、矩量法(MOM)等频域技术;也有时域有限差分法(FDTD)、时域积分方程法等时域技术以及属于高频技术的几何光学法(GO)、物理光学(PO)、几何绕射(GTD)、物理绕射(PTD)、射线追踪(RT)等。对海面散射的研究一般是基于海面积分方程,采用MOM离散得到矩阵方程求解,求解精度高但往往受限于舰船电尺寸大带来的庞大运算量与存储量,可行性不高。时域有限差分法具有良好的宽带散射特性分析能力,但同矩量法一样受限于运算量与存储量。高频方法简单高效但精度有限,而且属于点频方法,宽带散射特性分析能力弱。因此国内外都在发展各种快速方法和混和方法。

2)复杂目标RCS计算工具。最早是将复杂目标划分为多个简单几何体部件分别计算的部件分解法;Lee等发展XPatch软件半台,不仅计入物理光学和物理绕射,还基于弹跳射线法(SBR)计算多次散射,现已发展成较为成熟的由高频近似方法估算复杂目标RCS和成像特征的工具;Rius等人利用图形硬件加速器发展了一种实时计算目标RCS的工具GRECO,该工具虽然仅能给出一次散射与绕射场,但因其计算速度快而多为采用[4]。这些软件工具或方法往往受到发布机构对用户范围的各种限制,而其方法本身也并不能完全适应快速计算目标与环境复合散射的多种问题。因此,混和方法日益受到人们的重视,很多软件也开始逐渐集成利用各种算法进行优化计算,这也是未来电磁场EDA软件发展的趋势。

3)粗糙海面与舰船的RCS的预估现状。美国佐治亚技术研究所、诺斯罗普公司已经研制了广泛应用于工业中的RCS预估程序。美国海军研究实验室(NRL)也在研制RCS预估程序,并且包括海面影响产生的多路径效应。李守秀[5]等给出了粗略估计舰船雷达散射截面的经验公式,要得到高精度的雷达散射截面必须用计算电磁学方法计算。

雷达波在远区时其入射波可视为平面波,针对海面舰船在平面波照射下的散射问题,徐乐[6]等采用介质半空间格林函数在海面建立电场积分方程,并采用广义前向后向法(GFB)算法结合矩量法(MOM)计算了海面以及海面舰船的感应电流分布以及双站雷达散射截面,为平面波入射时海面散射问题提供更为严谨的分析模型。

在解决舰船与海面耦合散射问题时,陈勇[7]等提出了一种基于混合面元投影(HPP)和物理光学法(PO)的计算舰船与海面耦合散射的快速算法。计算平台为XEON,3.4GHz CPU、8GB内存的工作站,计算中每个角度平均耗时约15s说明了此方法的高效性。

在粗糙海面与舰船的RCS的快速计算方面,徐丰[4]等提出双向射线追踪法(BART),实现目标与粗糙面共存问题的复合散射计算。用BART方法计算缩比船目标与下垫平表面后向散射180个观测角度,其结果与矩量法(MOM)和多层快速多极子(M LFMM)比较,MOM方法耗时在2d以上,MLFMM耗时约3.6h,BART方法耗时约9s。

4 RCS预估对舰船有源对消隐身的影响

在建造一艘有隐身要求的舰船,设计方案能否达到隐身要求不可能靠实际测量来验定;而为检验一艘舰船添加的隐身技术作实际测定时也将耗资巨大,因而必须借助于RCS的数学模型,通过计算机仿真实现。同时在舰船有源对消系统中,对消数据库的生成和更新也要求RCS的快速精确预估。因此,RCS的准确快速预估对海面舰船的隐身尤其是在有源对消隐身中起着决定性作用。

1)分析舰船雷达散射闪烁点。我国目前的中型水面舰船采用的是常规排水型船体,且作为主战舰船必须布置大量的武器装备,而这些武器装备中,众多的武器、观通等装备并未进行隐身设计,在这些舰船的总体设计中并未因要达到隐身性的目的而牺牲其总体性能,因此我们现在还只是对舰船进行局部的、最大可能的隐身改造[9]。大型水面舰船的雷达波散射源可以按以下方式进行结构划分:(1)舷体(包括海面);(2)上层建筑;(3)桅杆及布置在桅杆上的天线;(4)甲板上的武器装备(包括舰载机)[8]。一般通过消灭一类几何体(角形反射器)、改造二类(二面角)和三类(平板)几何体来达到隐身目的。通过分析舰船RCS雷达散射特性,寻找舰船雷达散射的“闪烁点”及其在各角度区域中的变化,采用有源对消方法来实现舰船隐身。

2)设计对消场发生器分布。在研制新型舰船时,通过RCS预估程序对设计中的舰船的雷达散射特性分析,布置合理的对消场发生器。

3)获取有利的对敌突击阵位。通过对舰船RCS的预估,可以获得己方舰船的雷达散射特性并结合敌雷达性能预知敌舰对我舰的探知状态,从而采取相应对策。通过分析我舰船在各角度下的雷达散射特性,在接敌时可尽可能规避敌方探测雷达,以较小的散射特性隐蔽突击。

5 结语

进入21世纪以后,舰船雷达隐身的发展体现在两个方面:扩展隐身技术领域和综合各种隐身技术即隐身波段向毫米波、亚毫米波、红外、激光和长波段扩展和综合运用隐身外形设计、吸波材料、电子对抗措施并利用反辐射导弹/高能激光器或粒子束武器等。目前,我海军的现役舰船尤其是驱护舰,其雷达隐身技术还非常缺乏,在雷达隐身技术方面还有很大改进和提高的余地。隐身舰船虽还没有经过实战的考验,但可以预料,在未来海战中将发挥越来越重要的作用。国外在此方面已走在了我们前面,我们必须尽快入手,从而缩短与西方海军强国的差距。因此,有源对消隐身和雷达散射截面预估等技术值得进一步研究。

[1]E.F.Knott.Radar Cross Section[M].Dedham,MA:Artech House,Inc.,1985

[2]E.F.Knott.RCSR Guidelines Handbook[R].Final Technical Report on EES/GIT Project A-1560-001,Engineering Experiment Station,Georgia Institute of Technology,1976,4

[3]W T Shaw,A J Dougan.Green's function refinement as an approach to radar backscatter:general theory and applications to LGA scattering from the ocean[J].IEEE Trans.On Antennas and Propagat.,1998,46(1):57～66

[4]徐丰,金亚秋.计算粗糙海面与大型舰船复合散射的双向解析射线追踪法[J].自然科学进展,2008,18(7):814～825

[5]李守秀,王林.舰船雷达散射截面的计算公式[J].海军航空工程学院学报,2007,22(3):326～328

[6]徐乐,谢拥军,史小卫.海上舰船在平面波照射下的半空间散射研究[J].电子学报,2006,34(12):2322～2325

[7]陈勇,董纯柱,王超,等.基于HPP/PO的舰船与海面耦合散射快速算法[J].系统工程与电子技术,2008,30(4):449～592

[8]吴楠,黄松高.大型水面舰船雷达波散射特征分析[J].装备环境工程,2008,5(1):40～43

[9]黄祥兵,陈霖,王志国.舰船雷达隐身技术研究[J].船海工程,2002(2):1～4