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雷达隐身技术的本质是尽可能降低目标的雷达散射截面RCS 从而减小

归档日期:06-26       文本归类:后向散射截面      文章编辑:爱尚语录

  雷达隐身技术的本质是尽可能降低目标的雷达散射截面RCS 从而减小被雷达探测到的机会。目标RCS的精确计算和预估是飞行器隐身设计极其重要的一部分。翼面是飞行器后向雷达散射截面的重要来源之一 为了减缩其散射截面 需要对翼面的散射问题进行有效的理论分析。 本文的主要目的是提出一种设计吸波结构前缘翼面的方法

  雷达隐身技术的本质是尽可能降低目标的雷达散射截面RCS 从而减小被雷达探测到的机会。目标RCS的精确计算和预估是飞行器隐身设计极其重要的一部分。翼面是飞行器后向雷达散射截面的重要来源之一 为了减缩其散射截面 需要对翼面的散射问题进行有效的理论分析。 本文的主要目的是提出一种设计吸波结构前缘翼面的方法 使该翼面在2 18GHz频率范围内 与金属翼面相比其RCS能有明显的减缩。本文提出了用带有玻璃钢蒙皮的吸波蜂窝结构作为翼面前缘的方案。金属 介质混合体的电磁参数和外形参数是需要优化的参数。在计算方法方面 本文采用表面积分方程法来建立目标的电磁散射模型并运用基于严格电磁场积分方程的矩量法来计算其RCS。主要内容为 建立二维散射体包括全介质、介质涂覆导体和金属 介质复合吸波结构 在TM波激励条件下的电磁散射问题数值求解模型 其中重点是二维金属 介质复合吸波结构的具有玻璃钢蒙皮的介质前缘翼面的电磁散射数值计算问题。 根据建立的二维散射体电磁模型用C语言编制程序 计算相应的RCS 并与经典解法所得典型体的结果进行对比 以验证所编程序的正确性。 根据一种具体翼面外形坐标参数运用前面所建立的数学模型 计算TM波激励下金属翼面、全介质翼面和二维金属 介质复合吸波结构的具有玻璃钢蒙皮的介质前缘翼面的单站RCS和双站RCS 并对数值结果进行理论分析。 关键词 雷达散射截面 TM波积分方程 II ABSTRACT RadarCross Section RCS greatestextent stealthtechnique precisionestimation veryimportant aerocraftstealth design Wings importantscattering source effectiveelectromagnetic scattering analysis structuralleading edge whichcan offer obvious reduction RCSwithin 18GHz range compared metalleading edge paperpresents usingabsorbing honeycomb glassfiber sheet structuraledge EMparameters metaldielectric joint optimizingparameters We adopt surfaceintegral equation method establishmodels methodwhich base rigorousintegral equations mainresults numericalcomputing electromagnetic models twodimension scattering object including whole dielectric object dielectric coated object metaldielectric complex absorbing structure TMpolarization wave precisioncalculation metaldielectric complex front wedge wing including lossy material material covered fiberglass sheet Weuse twodimension electromagnetic scattering object model computercodes we compare them typicalbody’s results which has analytical solution actualfigure coordinate parameter modeledwing we compute monostaticRCS bistaticRCS metalwing dielectric wing metaldielectric complex front wedge wing including lossy material covered fiberglass sheet theoryexplaining numericalresult Key words Radar cross section method momentstransverse magnetic polarized plane wave integral equation III目 第一章绪论 2雷达散射截面RCS 概念 第二章二维散射体的雷达散射截面 二维任意形状导电体矩量法求解12 二维任意形状介质体矩量法求解14 介质表面的等效源14 用表面等效源计算散射电场和磁场16 用矩量法求解介质体的雷达散射截面18 二维任意形状介质包裹导体的矩量法求解22 介质包裹导体的电磁建模22 用矩量法求解介质包裹导体的雷达散射截面23 第三章 飞行器翼面电磁模型的建立及RCS计算 29 飞行器翼面电磁模型的建立29 2用矩量法计算飞行器翼面的雷达散射截面34 第四章 数值计算结果 50 1圆柱的RCS51 2翼面的RCS54 第五章 62IV 64参考文献 65 68攻硕期间取得的研究成果 69 1第一章 绪论 1研究工作背景由于隐身技术在现代高科技战争中具有巨大的军事优势和潜力 因此世界各国都十分注重发展隐身技术。美国从80年代初至今已经发展了三代准隐身飞机及其他各种准隐身飞行器 以RCS小于0 5平方米为标准 。从80年代初采用吸波涂料和金字塔状多面体组合外形结构布局 以牺牲航程载荷及机动性而换取正前方正负30 夹角低RCS的第一代隐身攻击机F 117。到90年代初采用无尾飞翼气动布局 以多种主 被动复合隐身方式 包括外形隐身技术、材料隐身技术、主动有源对消技术、等离子隐身等多种隐身技术相结合的复合方式 实现大航载 全向隐身第二代远程重型战略轰炸机B 2。以及从过去的以牺牲飞机的气动性能为代价 发展到今天的使隐身性能和机动性能较好的统一 隐身 气动一体化优化设计技术 同时向着低成本、易维护方向发展的先进的隐身战斗机F 22、F 35。短短的二十多年的时间里 隐身技术及其相关领域技术就取得了飞速发展 隐身技术作为提高武器系统的生存、突防尤其是纵深打击能力的有效手段 受到世界许多国家的高度重视。隐身技术主要可分为雷达隐身、红外隐身、声隐身等。由于在未来战争中 雷达仍将是探测目标的主要手段 因此隐身技术的重点是雷达隐身技术。雷达隐身技术的核心是目标的雷达截面积减缩 它主要分外形技术和雷达吸波材料技术 RAM 技术 其中外形技术是通过目标的非常规外形设计降低其RCS 而RAM 技术是指利用RAM 吸收衰减入射的电磁波 并将其电磁能转换为热能而耗散掉或使电磁波因干涉而消失的技术 隐身技术作为当代三大军事技术革新之一被广泛应用于各种武器系统 其中飞行器是其主要应用对象之一。目前飞行器隐身技术主要存在两种发展趋势 发展高性能隐身飞行器其20 01RCSm 发展准隐身飞行器RCS为20 52m 。前者要综合运用外形技术和RAM 技术等各种途径才能实现 难度大 耗资多 而后者是主要应用RAM 来对在役、在研飞行器进行改进 难度不大 耗资不多 效果却很显著。由此可见 与外形相比 RAM技术起着不可替代的重要作用 尤其是在准隐身飞行器研制过程中。 雷达吸波材料是抑制目标镜面反射最有效的方法 也是最先获得实际应用的隐 身技术手段。RAM按其功能可分为涂覆型和结构型。涂覆型RAM 是将吸收剂与粘结剂混合后涂覆于目标表面形成吸波涂层 而结构型RAM 通常是将吸收剂分散在特种纤维 如玻璃纤维、石英纤维等 增强的结构材料中所形成的结构复合材料 它的典型特点是既能承载同时又可减小目标RCS 已得到广泛应用。涂覆型RAM 以其涂覆方便灵活可调节、吸波性能好等优点而受到世界许多国家的重视 几乎所有隐身武器系统上都使用了涂覆型RAM。如美国的B 2战斗机在隐身材料中应用了被动和主动雷达隐身技术 飞翼的前后缘采用玻璃纤维等混合织物 以六角形蜂窝夹心结构作内衬壁 其夹心内腔部分中空 封闭有可吸收电磁波的易电离介质。此外 在夹芯壁上涂覆铁氧体等吸波涂层材料 在前后缘外表面涂敷一层含少量镍钴铁氧体的雷达吸波涂料 可间接衰减电磁波。当雷达波照射到飞翼表面时 首先会被蒙皮吸收一部分 其余进入六角蜂窝夹心被吸收或改变原有特征 进一步减小雷达反射截面。 飞行器翼面的散射是飞行器后向雷达散射截面的主要来源 因而飞行器翼面的RCS减缩对于降低整个飞行器的RCS具有十分重要的意义。为了降低飞机、飞弹等的雷达目标特性 必须降低翼面的后向散射。由于机翼的翼形复杂 直接计算其散射场困难较大 可将机翼进行二维简化 即取机翼中部的横截面 将整个机翼看作该横截面的无限长散射体。计算出单位长度的散射截面 乘以机翼的长度 便近似得到整个机翼的散射截面。通过计算不同情况下翼面的散射场 可以对比出不同影响因素对翼面的RCS影响及其作用机理 进而得出降低飞行器翼面后向 RCS 的具体措施。由于采用隐身结构的翼面截面多为二维电大尺寸介质或介质 金属混合截面 所以 对二维电大尺寸混合目标的散射问题进行有效的理论预估是在理论上寻求飞行器翼面隐身的一个关键技术。 本论文正是基于这一背景 结合国内外最新的研究成果 采用适于在微机上进行二维电大尺寸目标精确建模和高效计算的方法 对金属 介质复合吸波结构的具有玻璃钢蒙皮的介质前缘翼面的电磁散射及其RCS展开研究。 2雷达散射截面RCS 概念 目标的雷达散射截面 RCS 是定量表征目标散射强弱的物理量 其来源可能是天线研究和设计的结果。因为接收天线通常被认为是一个“有效接收面积”的口径 该口径从通过的电磁波中截获能量 而出现在接收天线终端的接收功率则等于入射波功率密度乘以暴露在这个功率密度中的天线有效面积。对单站和双站散射 分别称为单站 或后向 雷达截面和双站雷达截面 3雷达散射截面RCS 的定义是基于平面波照射下目标各向同性散射的概念。三维条件下RCS理论定义式是 222222 4lim4limssRRiiRRφφσφππ 对二维情况雷达散射截面变为散射宽度 对应的定义式为2222 2lim2limssRRiiRRφφσφππ 目标至接收者距离。RCS的单位通常为m2和m 常表达为对数形式 即相当于1 m2和1m的dB 分贝 目标相对于入射和散射方向的姿态角。当电磁波入射到某一目标上时 从感应电流的观点来看 根据Maxwell方程和相应电磁场边界条件在该目标上和目标内便有感应电磁流以及感应电磁荷 。这些感应电磁流以及电磁荷又产生它们自己的电磁场二次辐射 。这个场就是目标的散射场 并常常沿各个不同的幅度和相位传播。若辐射源和接受机位于同一点时 如同大多数雷达工作时那样 称为“单站”散射 这是当发射机和接收机共用一副天线或收发天线虽分离但相距很近时的常见情况。当散射方向不是指向辐射源时 称为双站散射 并用辐射源和接收机之间的夹角来表征其双站角。由RCS的理论定义式可知 RCS理论分析实际上就是计算出目标在给定入射波条件下二次辐射产生的散射场。 如上所述雷达发射和接收信号主要有两种方式 即发射接收单站实现 单站方式 和发射接收各使用一个或多个雷达站 双站方式或多站方式 。由于工程中单站方式易于实现 所以它是一种较常用的方式。但在采用矩量法进行RCS计算机模拟时却与工程实际恰恰相反 单站计算的复杂度远远大于双站。这是因为单站方式是一个发射信号对应一个接收信号而双站方式则是一个发射信号对应多个接收信号。在计算中 一个发射信号对应一个矩阵方程 这意味着要计算一条双站RCS曲线只 需计算一个对应某一发射信号的矩阵方程而要计算一条单站RCS曲线则需求解多个对应于不同发射信号的矩阵方程计算量大大增加。 3雷达散射截面的基本分析方法雷达散射截面是目标在平面波照射下在给定方向上返回或散射功率的一种量度 它是一个十分复杂的物理量 既与目标的几何参数和物理参数有关 如目标的尺寸、形状、材料和结构等 又与入射雷达波的参数有关 如频率、极化等 同时还与目标相对于雷达的姿态角有关。RCS的理论计算是根据电磁散射理论研究目标产生散射场的各种机理 并利用各种近似计算方法和计算机技术定量预估各种情况下的RCS特征。按照RCS的定义 RCS的计算可归结为平面波照射下物体远区散射场的计算 因此所有求解电磁散射的理论和方法原则上都可用于雷达散射截面的分析计算。这些方法主要包括严格的经典解法、微分方程解法、积分方程解法、各种高频近似方法等 经典解法是从电磁场波动方程出发根据散射场的边界条件求得场的严格级数解。仅当散射体是理想导体或均匀电介质 而且其几何形状与某一可分离的坐标面相吻合因而有严格级数解可以利用时 波动方程才可按这种传统分析方法解析求解。这种方法能够得到问题的准确解 而且计算效率比较高 但适用范围较窄 只能求解具有规则边界的简单问题 如球体、圆柱 对任意形状的边界则无能为力或需要很高的数学技巧。正是经典电磁方法的局限性促进了现代电磁散射数值计算方法技术的诞生和快速发展以满足现代科学对经典电磁方法不能解决的复杂电磁散射问题的求解需要。 根据一种常用的判断方法 当入射波的波长λ与散射体的最大尺度L的比值 3Lλ 时为高频区 3Lλ时为谐振区 3Lλ时为低频区。据此 根据散射体几何尺寸和入射波长的关系可以将求解散射体问题的方法分为低频方法和高频方法两类。低频方法目前仅限于低频区和谐振区。 1高频方法高频方法是在相当严格的理论基础上发展起来的一系列近似方法和渐进的高频解析方法 一般可归作两类 一类基于射线光学 包括几何光学 GO 、几何绕射理论 GTD 以及在GTD基础上发展起来的一致性绕射理论 UTD 另一类基于波前光学包括物理光学 PO 、物理绕射理论 PTD 、等效电磁流方法 MEC 以及 5增量长度绕射系数法 ILDC 高频近似方法因为简单明晰、容易掌握、计算方便甚至可瞬时显示计算结果长期以来被广泛研究和运用并在求解各类电大尺寸目标的电磁散射问题上发挥了重要作用 产生了一大批成果 已形成功能较齐全的大型软件包 著名软件包如美国DEMACO公司的XPATCH、西班牙的GRECO。但是严格来讲高频方法模型是较粗糙的 计算精度对高频区电大尺寸简单几何形状金属目标或有薄雷达吸波材料涂层的简单几何形状金属目标尚可 但对具有复杂细节结构目标或一般非金属目标则失效。这是因为 从本质上讲 绝大多数高频方法是标量波动方程典型解的运用 它们很难准确描述电磁散射中复杂的矢量 极化 关系 目标关键部位上一些重要的电磁互耦常被忽略 因为高频法认为目标每一部分基本上是独立散射能量 其上感应场只取决于入射波而与其它各部分散射的能量无关 严格地讲 只有在高频区这种简化带来的误差才相对较小 射线寻迹困难 目标复杂细节结构处并不满足射线模型渐近近似的基本要求。 2低频方法低频方法主要分作微分方程法和积分方程法两种。微分方程法主要有两种 一种是有限差分 FD 另一种是有限单元法FEM 简称为有限元法。FD方法又分为频域有限差分法FDFD 和时域有限差分法 FDTD 12。积分方程法主要有矩量法 MOM 13 14 及其扩展方法。低频方法原则上可适用于任意电磁激励的任意几何形状的散射体问题求解 但由于计算机存储量和速度的限制 目前在求解大尺度物体的三维散射问题方面有一定的困难。 在基于微分方程的数值方法中 FDTD 以及 FEM 常用于分析介质或介质和金属组合的目标。FDTD 可以将连续的空间 时间分离为离散的空间 时间 相应的微分方程也在分离的空间 时间中被差分方程所代替。这样使方程的求解容易在计算机上实现 并且可以用迭代法求解 不必直接求解大的矩阵 大大节约计算时间。基于变分原理的有限元方法可以用于分析复杂的几何形状、复杂非均匀介质目标 网格划分灵活 是常用的重要数值分析方法之一。 对于复杂散射体的数值分析需解决对无限域问题的求解 例如放在自由空间的二维导体等。事实上 在采用基于微分方程的计算方法时 不可能进行无限域问题的数值计算。所以往往寻求将无限域问题转化为有限域的方法。从数学方法处理的角度看 这类转化的基本思想是寻找一个特定的闭合面 由闭合面上的电场和磁场

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