根據(jù)分層媒質(zhì)理論［1］和圖形電磁學理論［2］，得到并驗證了一種新的分析和計算座艙RCS的方法.低RCS座艙罩表面的散射場利用圖形電磁學計算方法(GRECO)求解，其中邊緣效應利用增量長度ILDC方法估算；艙內(nèi)結構散射分析，應用分層媒質(zhì)理論得到介質(zhì)艙罩反射系數(shù)和傳輸系數(shù)，同時采用能量分布調(diào)制和隨機相位加權的方法計算艙內(nèi)結構散射；在本文的最后給出了數(shù)據(jù)分析結果.
關鍵詞:分層媒質(zhì)理論；圖形電磁計算(GRECO)；C-R幾何樣條；隨機相位加權；能量分布調(diào)制
The Radar Cross Section of Aircraft Cabin Visualization Calculative Method
JIANG Xin,NIU Bao-qiang,WANG Bao-fa
(Department of Electronic Engineerng,Beijing University of Aeronautics & Astronautics,Beijing 100083,China)
Abstract:Based on the layered-media wave theory and Graphical Electromagnetics Theory,a method of analyzing and calculating the Radar Cross Section (RCS) of aircraft cockpit targets is presented and verified.The cabinsur face scattering fields are obtained by using Graphical Electromagnetic Computation (GRECO),including cabin wedge scattering fields computed by ILDC method.The reflectance coefficient and the transmittance coefficient are obtained by using the layered-media wave theory.Then amplitude and phase weighing method,called Energy Modulation and Random Phase Weighting method,are used for calculating the structural scattering fields caused by the objects in the cabin.Numerical results for aircraft cabins are provided at the end of this paper.
Key words:layered-media system;graphical electromagnetic computing (GRECO);C-R geometrical spline;phase-weighting method;energy modulation method
一、引 言
眾所周知，常規(guī)飛行器座艙為飛機正前方較強的散射源之一.為減小這部分對總RCS的貢獻，常采用帶導電鍍層復合艙罩及外形隱身措施.本文利用C-R樣條函數(shù)建立對座艙幾何外形描述，進而得到可視化電磁散射模型，利用圖形電磁計算方法(GRECO)計算帶有隱形金屬鍍膜座艙罩表面的散射特性.座艙內(nèi)電磁散射分析十分復雜，本文應用分層媒質(zhì)理論得到反射系數(shù)和傳輸系數(shù)，采用幅度和相位調(diào)制的方法，即能量調(diào)制和隨機相位加權的方法，計算艙內(nèi)結構散射；其散射總場通過各場依相位迭加得到，在工程上有實際應用價值.
二、目標圖像生成和可視化計算
低RCS座艙罩外形必須兼具氣動及電磁散射特性兩方面的要求.先進戰(zhàn)斗機多采用流線形剖面的水滴狀結構.通常沒有一個解析形式的數(shù)學模型能描述其幾何外形構型.為此，從座艙截面型值點數(shù)據(jù)，以Catmull-Rom［3］曲面進行擬合，本文采用近年來發(fā)展起來的C-R幾何連續(xù)樣條函數(shù)對目標進行幾何建模.
圖1(a)、(b)是利用C-R樣條對某外軍先進戰(zhàn)斗機座艙網(wǎng)柵圖插值擬合前后對比，前者有184個頂點，354個面；后者2764個頂點，5514個面.
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圖1 (a)座艙插值擬合前網(wǎng)柵圖 (b)座艙插值擬合后網(wǎng)柵圖 通過C-R樣條曲面對目標模型的擬合，實現(xiàn)了復雜目標由型值點構成的多邊形粗糙模型到光滑真實模型的過濾，在對目標進行幾何描述以后，即可應用圖形軟件標準接口(OpenGL)［4］和圖形加速卡硬件對目標進行顯示和消隱，從而在微機上實現(xiàn)GRECO的電磁計算.以下是用圖像生成程序顯示的座艙模型圖2(a)，(b)前者是沒插值前的圖形，后者是用C-R樣條擬合后的圖形. |
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圖2 (a)擬合前座艙模型 (b)擬合后座艙模型 其詳細計算實現(xiàn)方法請看參考文獻［5］. 三、艙內(nèi)結構散射分析 (1) 式中為沿軸的單位矢量，［Mm］的具體表示式為 (2) 式中
其中λ為入射平面波波長，ω為角頻率，ε、μ和σ分別為媒質(zhì)的介電常數(shù)、導磁率和導電率，為簡便起見，定義分層結構的導納Y為 (4) 故方程(1)可表示為 (5) 式中［B C］T定義為分層結構的特征矩陣，且 Y=C/B (7) 實際上，分層媒質(zhì)的反射系數(shù)、傳輸系數(shù)和吸收系數(shù)可表示為 (8) 2.能量分布調(diào)制法［6］ (θ,φ)=εF(θ,φ)/∫θdθu∫θ0-θ0R2sinθdφdθ 因此，在某方向(θ，φ)上由引起的RCS值為： σ(θ,φ)=lim［4πR2(θ,φ)/|Ei|2］ 考慮到雷達波經(jīng)過艙罩進入艙內(nèi)，由艙內(nèi)物體散射回艙外空間的過程中，兩次穿透艙罩結構，勢必產(chǎn)生能量損耗，于是 (θ,φ)=εF(θ,φ).β/［2R2φ0(cosθu-cosθd)］ 式中β為衰減因子，且β正比于艙罩透射系數(shù)的平方.式中F(θ，φ)必須滿足 ∫θdθu∫φd-φ0F(θ,φ)sinθdθdφ=2φ0(cosθu-cosθd) (14) 由于 ∫θdθu∫φd-φ0(θ,φ)R2sinθdθdφ=ε 令 則 σ(θ,φ)=4πεβF0(θ,φ)/∫∫F0(θ,φ)sinθdθdφ (15) 式(15)中F0(θ，φ)的選取應根據(jù)統(tǒng)計結果確定.例如，對均勻分布而言F0(θ,φ)=1，而對高斯分布和對數(shù)分布情況下，分別為FG0(θ，φ)和FL0(θ,φ): 式中ξ和α為分布參數(shù).在確定F0(θ，φ)之后,式(15)可用來解艙內(nèi)散射對某給定方向的RCS值σ(θ，φ).艙內(nèi)結構散射以及艙外金屬面部分構成總的面效應場Esf，棱邊部分則構成總的邊緣散射場Esw. 四、座艙總散射場 (16) 五、數(shù)值結果分析 |
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圖3 反射率與鍍層厚度的關系(重直極化) |
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圖4 反射率與鍍層厚度的關系(水平極化) 圖5(a)為、10.5GHz、VV極化帶導電鍍層(100Å)、座艙姿態(tài)角為(φ,0,0)時的飛機座艙的理論計算曲線，相應的實驗曲線圖5(b). |
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圖5 目標：座艙模型，頻率：10.5GHz，極化：VV，帶導電鍍層 圖6(a)為10.5GHz、HH極化、帶導電鍍層(100Å)、座艙姿態(tài)角為(φ，0，0)時的飛機座艙理論計算曲線，相應的實驗曲線圖(b) |
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圖6 目標：座艙模型，頻率：10.5GHz，極化：HH，帶導電鍍層 從實驗和計算結果可以看出，采用鍍膜結構的座艙RCS平均值為-15dBSM，兩者平均值一致，總的趨勢一致，證明了該算法的有效性.另外采用鍍膜結構的座艙透入艙的能量較小，再返回艙外的散射能量更小，遠小于無鍍膜的座艙.利用以上計算方法可給出不同飛行狀態(tài)，極化，和工作頻率的RCS值，它可作為航空飛行器CAD/CAM系統(tǒng)中的一個基本模塊，與其它CAD模塊一起，進行優(yōu)化處理，為飛行器設計提供依據(jù). |
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