多级旋转式角反射器阵列电磁散射特性分析

张义 于群 赵非玉 尹庆国 刘圆圆 马添潇

（中国电子科技集团公司光电研究院, 天津 300308）

0 引 言

角反射器是一种利用两到三面相互垂直的金属平面组成的无源干扰装置，利用几何结构实现对入射电磁波的原路反射，从而能够在小尺寸下得到较高的雷达散射截面（radar cross section, RCS），达到对敌方雷达探测及制导起到干扰、欺骗及诱偏的目的[1].

单一使用的角反射器受尺寸及入射角度限制，RCS 较小，角度特性较差，难以满足全角域干扰需求.所以一般都采用多个角反射器组成阵列的方法，以实现提高RCS 及改善角度特性的目的[2].角反射器阵列形式一般有两种：第一种是通过将多个角反射器组合形成一个整体结构进行使用，例如英国DLF-2“大黄鸭”八象限充气式角反射器以及DLF-3 二十面体充气式角反射器[3]；第二种是通过将多个角反射器按照一定的间隔进行布设排布，形成角反射器阵列，用以模拟大型舰船或地面目标等[4-5].本文给出了一种用于地面目标防护的新型结构可变的角反射器阵列设计，并通过仿真建模分析得到了两种典型角反射器阵列的雷达散射特性，同时对其布设间隔进行了寻优分析.阵列的雷达散射特性可灵活调节，从而产生无源假目标干扰效果，对于防护地面重要目标具有较好的应用价值[6].

1 多级旋转式角反射器阵列设计

1.1 RCS 特性可调角反射器设计

为了能够实现角反射器阵列在各角度方向RCS 特性的调节，多级旋转式角反射器阵列设计采用多个角反射器组成一个阵列单元，每个阵列单元内可通过角反射器的多级旋转来实现RCS 特性的调节，并通过多个阵列单元间隔排布完成整个阵列布设[7].

角反射器按包含平面的数量主要分为二面角反射器及三面角反射器，其中三面角反射器最为常用，主要包括三角形、圆形以及方形三种基本结构形式.其中方形角反射器的RCS 最大，但主要覆盖角度较小；三角形主要覆盖角度较大，但是RCS 较小；圆形则两方面均较为适中[8].

为保证较高的RCS 以及旋转结构设计，RCS 特性可调角反射器基于方形角反射器进行改进设计，将角反射器垂直面的两块反射板进行若干等分，并通过旋转来实现对角反射器RCS 特性的调节.每个角反射器主要由反射底板、旋转式反射叶片及叶片驱动机构组成，如图1 所示.其中反射底板为固定金属平板，用于支撑及反射电磁波；叶片驱动结构通过电机传动控制反射叶片实现旋转，并完成对角反射器RCS 特性的调节.叶片旋转角度为0°时，即为普通方形三面角反射器，各角度RCS 最大；当一面旋转为90°，一面为0°时，则为二面角反射器，对垂直于双面轴的平面入射电磁波呈现较大的RCS；当两面旋转角度均为90°时，各反射叶片为平行状态，RCS 最低.随着旋转角度的变化，角反射器的RCS 特性也会随之发生改变，并通过多个角反射器进行模块化阵列组合，即可实现多级旋转式角反射器阵列构建，并控制整体RCS 特性的改变.

图1 RCS 可调角反射器结构示意图Fig.1 Schematic of the RCS adjustable corner reflector

1.2 多级旋转式角反射器阵列设计

为了有效地将多个RCS 可调角反射器进行组合，角反射器阵列单元采取双层叠加设计，每层包含三个角反射器并通过阵列旋转机构连接，如图2 所示.每个角反射器可绕中心轴进行方位旋转，并且每个角反射器自身反射叶片也可进行旋转，通过多级旋转改变整体RCS 特性.

图2 多级旋转式角反射器阵列单元Fig.2 Multistage rotary corner reflector array unit

单个角反射器为了便于运输和布设，不宜做得过大，所以为了提高整体的RCS 并且在距离上形成多个假目标，可以将多个角反射器阵列单元通过合理的间隔布设成为阵列.针对典型地面目标（重要建筑物、导弹发射车等）的结构特点，线性阵列可对长宽比较大的目标进行防护，圆形阵列可对典型建筑物或长宽比较接近的目标进行防护.构建形成的多级旋转式角反射器阵列，如图3 所示.借助旋转机构可以控制每个阵列单元的角反射器以及角反射器内部反射叶片的旋转，来调节整个阵列的RCS 特性，形成无源假目标诱骗敌方精确雷达制导武器打击，实现对地面重要目标的无源防护.导弹视场较小，且来袭时一般距离较近，为了提高防护效果，通常希望导弹来袭时视场内能够存在两个以上的角反射器阵列单元，因此阵列布设间隔不宜过大，一般在几十米范围以内.

图3 线性和圆形多级旋转式角反射器阵列Fig.3 Circular multistage rotary corner reflection array

2 角反射器阵列RCS 特性分析

2.1 角反射器阵列单元RCS 特性仿真分析

角反射器阵列单元的RCS 特性可通过仿真进行分析，对其反射叶片不同旋转角度情况进行建模及仿真计算.目前，目标RCS 的估算方法主要有缩比模型法、实物实测法、数学分析建模法、软件仿真计算法等[9-11].其中软件仿真计算法以其计算精度高、成本耗费低、条件要求少等优点而得到快速发展及普遍应用.CST 三维电磁场仿真软件是针对目标布局以及RCS 分析而研发的专业电磁场分析软件，基于缜密的电磁场积分方程理论，以经典的矩量法为计算基础，采用多层快速多级子算法，在保持精度的基础上有效提升计算效率[12].此外，CST 软件将矩量法、高频分析法以及一致性绕射理论融合入仿真计算之中，因此对于分析目标的RCS 等各类问题特别适合，是当前国内外电磁场研究使用最先进的分析软件之一.为验证多级旋转式角反射器阵列的RCS 特性，利用CST 软件进行仿真计算，得到其RCS 变化曲线.

首先对角反射器阵列单元进行仿真分析，角反射器边长为50 cm，其中两个面均包含10 个反射叶片.设置反射叶片旋转角度ω 为0°、30°、60°、90°四个工况，入射电磁波设定为远场平面波，波长设定为30 mm（10 GHz），为国内外常用雷达侦察频段，垂直极化方式.

叶片旋转角度ω 为0°、30°、60°、90°时，仿真角反射器阵列单元RCS 特性，并根据可能的导弹来袭方向，选择俯仰角θ 分别为30°、45°、60°时对阵列单元周向RCS 特性进行分析，结果如图4～7 所示.

图4 角反射器阵列单元RCS 特性仿真结果（ω=0°）Fig.4 Simulation results of RCS characteristics of corner reflector array unit （ω=0°）

图5 角反射器阵列单元RCS 特性仿真结果（ω=30°）Fig.5 Simulation results of RCS characteristics of corner reflector array unit (ω=30°)

图6 角反射器阵列单元RCS 特性仿真结果（ω=60°）Fig.6 Simulation results of RCS characteristics of corner reflector array unit (ω=60°)

图7 角反射器阵列单元RCS 特性仿真结果（ω=90°）Fig.7 Simulation results of RCS characteristics of corner reflector array unit (ω=90°)

从图4～7 仿真结果可以看出，当叶片旋转角度为0°时，角反射器阵列单元即为双层六个正方形三面角反射器结构，其周向RCS 特性较强且在每个三面角反射器对称轴（θ=45°）方向附近RCS 最大，周向平均值为28.7 dBm2，各角度特性较为均匀并呈现周期性变化，但反射特性较为单一.目前导弹抗干扰识别算法不断发展，普通角反射器的反射特性较固定容易被识别滤除.随叶片旋转角度的增大，阵列单元的RCS 逐渐降低，在叶片旋转至90°、45°俯仰时周向RCS 平均值最大，为5.99 dBm2，但角度特性更加复杂，无明显规律性.因此角反射器可以通过反射叶片的角度旋转对其RCS 进行动态调控，相比于传统角反射器固定的RCS 特性，能够增加导弹的识别难度，体现了角反射器干扰的灵活性.

2.2 多级旋转式角反射器阵列RCS 特性仿真分析

分析得到单个角反射器阵列单元的RCS 特性后，假定由六个阵列单元，通过线性排布以及圆形排布两种方式，组成多级旋转式角反射器阵列，并通过仿真分析两种阵列的RCS 特性.假定线性阵列中每个单元的间距以及圆形阵列直径均为10 m，阵列单元内的叶片旋转角度均设定为30°，仿真结果如图8和图9 所示.

图8 圆形多级旋转式角反射器阵列RCS 特性仿真结果（ω=30°）Fig.8 Simulation results of RCS characteristics of circular multistage rotary corner reflector array (ω=30°)

图9 线性多级旋转式角反射器阵列RCS 特性仿真结果（ω=30°）Fig.9 Simulation results of RCS characteristics of linear multistage rotary corner reflector array (ω=30°)

由两种阵列仿真结果可以看出，因每个阵列单元内部三面角反射器在其对称轴方向RCS 最大，所以阵列整体RCS 较大的方向也与该角度相关.圆形阵列在单元布设的六个角度附近的RCS 特性较高，其他角度呈现连续起伏变化.而线性阵列则在线性排布以及垂直方向附近的RCS 特性最强，其他角度方向也呈现连续起伏变化，仿真结果与阵列方式符合性较好.

3 角反射器阵列排布间隔寻优分析

3.1 角反射器阵列排布设计

在实际使用中，通常根据对抗需求，利用大量的角反射器通过多种排布方式组成阵列[13].为了实现对不同重要目标RCS 特性的模拟，提高防护效果，角反射器阵列的排布方式及排布间隔对于整个阵列的RCS 具有重要的影响，进而影响整个阵列对目标的防护效果[14].

本文针对线性及圆形两种阵列排布方式，对多级旋转式角反射器阵列的排布间隔进行寻优设计及分析.以线性阵列单元排布间隔以及圆形阵列排布直径为分析变量参数，角反射器阵列理论上可实现任意排布间隔的布放，但为了简化计算及对比分析，假定采用六个阵列单元组成阵列结构，阵列各单元排布间隔一致，通过分析两种阵列在5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m 间隔情况下的RCS 特性，且因为对地导弹威胁来袭角度主要为30°～60°[15]，因此针对俯仰分别为30°、45°、60°情况下的周向RCS 平均值仿真结果进行统计.角反射器旋转叶片角度设定为30°，分析排布间隔对两种多级旋转式角反射器阵列RCS 特性的影响.

基于以上假设，构建不同排布间隔的线性及圆形两种多级旋转式角反射器阵列模型，并通过CST 仿真软件对其RCS 特性进行分析.

3.2 角反射器阵列排布间隔仿真及分析

针对5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m 排布间隔的两种角反射器阵列模型，基于垂直极化方式，得到轴向RCS 特性仿真结果.对比不同间隔的阵列周向RCS 特性及其平均值，统计结果如表1 所示.

表1 不同排布间隔角反射器阵列RCS 特性仿真结果Tab.1 Simulation results of RCS characteristics of reflector arrays with different configuration interval

因为在真实战场环境中威胁来袭方向具有随机性，所以RCS 平均值更能反映阵列的干扰防护效果.由表1 可知，各排布间隔条件下，阵列均在45°俯仰角度的周向RCS 平均值最大，这是因为阵列内部三面角反射器的对称轴在45°方向，这也是角反射器RCS 最大的方向.并且随着排布间隔的增大，线性及圆形两种多级旋转式角反射器阵列的RCS 特性不断变化.考虑到仿真计算量及篇幅限制，本文对排布间隔的分析范围相对有限，通过对比分析得到，在本文中选择的5～30 m 排布间隔范围内以及设定的计算条件下，线性阵列的平均RCS 最大为16.80 dBm2，此时单元间距为5 m；圆形阵列的平均RCS 最大值为21.13 dBm2，此时单元间距为20 m.

4 结 论

本文从角反射器阵列对地面重要目标的防护需求角度出发[16]，为了提高角反射器阵列RCS 特性的灵活性，基于可旋转叶片设计了一种RCS 特性可调角反射器结构，并利用六个该角反射器结构组成角反射器阵列单元，通过CST 电磁仿真软件对叶片不同旋转角度情况下阵列单元的RCS 特性进行了分析.此外设定了由六个角反射器阵列单元组成的线性及圆形多级旋转式角反射器阵列结构，对整个阵列不同俯仰角度的周向RCS 特性及5～30 m 的排布间隔进行了研究分析.多级旋转式角反射器阵列的RCS 灵活可变，为地面重要目标的末端防护提供了一种新思路.