有源雷达散射截面减缩——理论与应用

第1章雷达散射截面减缩导论 1.1引言 自第二次世界大战以来，隐身或雷达散射截面（RCS）减缩和控制就一直是大家感兴趣的话题。*初采用木头或其他复合材料作为飞机材料，来尝试降低飞机可探测度，因为这些材料对雷达的反射比金属小。在*初的系统化研究之后，外形隐身和涂层隐身（通过使用吸波材料）成为RCS减缩（RCSR）的主要技术。 隐身战斗机F22是通过外形隐身实现RCSR*显著的例子。该飞机机翼的主体和下垂端以及飞机后端边缘具有相似的扫掠角度。并且，机身和座舱盖为光滑表面，侧方倾斜。所有表面交接处，如机舱门以及座舱盖的缝隙，都是锯齿形。该飞机的垂直尾翼是倾斜的，发动机前侧被削除，采用了弯曲形（S形）进气道。*后，所有的武器都放在飞机机身内部（采用内埋方式——译者注）。相对于飞机传统外形，这些改变产生了可观的RCS减缩效果。 相比之下，自20世纪50年代以来雷达吸波材料（RAM）涂层就一直被用于实现低RCS飞机设计。RAM还可用于减缓飞机表面上安装的天线之间的电磁耦合和串扰。洛克希德公司开发的侦察机U2和战斗机F117是为数不多的几个将RAM用作RCSR的例子。 在关注飞机结构散射行为的过程中，人们已经建立了足够丰富的知识库，已经确认了这些结构在总体散射特征中起主要作用的参数。例如，在垂直入射时平面或腔体会产生强的雷达回波。类似的，可以确定进气和排气系统为飞机头向和后向角度上RCS的主贡献源，而垂尾则是其侧向角度上雷达特征信号的主贡献源。 数值技术已经开发多年，用于定量预估飞机结构不同部分的散射。它促进了飞机*优RCS的平衡设计。采用这类技术设计制造的飞机包括F117A以及B2类隐身飞机。 通过避免使用强雷达回波外形以及使强雷达回波角度偏离到其他方向，可减小头向RCS。多次反射是除外形取向和入射波极化之外强散射的重要因素之一。如果电磁波进入一个长而封闭的金属导体外壳中，它将多次弹射并可能产生指向雷达波源的强散射场。可通过对外壳内表面涂覆吸波材料或重新设计外壳的形状来降低与雷达回波有关的场。例如，弯曲的管道可以显著增加反射次数，因而可以减弱入射能量的反射而对气动性能没有任何不利影响。尤其是这样一个腔体，应有较大的截面纵横比。SR71 发动机进气道是这种利用多次弹射实现低RCS设计的例子。 对于航空航天飞行器而言，头向RCS低是很重要的。然而，当在鼻锥天线罩内有一个大的雷达天线时，实现低RCS就变成一个实实在在的挑战。为降低头向RCS，人们已经尝试将雷达天线相对于鼻锥轴向偏置一个角度，但这并不能形成低可见性。另一种选择是像YF23和波音X32那样重新设计一个细长的鼻锥。这么做的主要目的是阻挡敌方雷达信号进入鼻锥天线罩。通过将入射雷达波转移到其他方向，或通过平板天线将雷达波反射到其他方向来达到这一目的。此外，还可以调整天线方向图，使零深方向指向敌方雷达，这可以看作是有源RCSR的一个实例。 RAM和进气道表面的对齐需要采用智能设计。而且，低可探测度要求的频率范围很大，常常覆盖两到三个数量级。众所周知，涂层的本构参数取决于频率和温度。空气高速经过飞行器的发动机喷嘴，导致此处温升很高，因此，我们期望RAM涂层在高温下仍然有效。俄罗斯的研究人员在隐身设计中开发了吸波涂层与技术，实现了苏霍伊Su35战斗机头向RCS降低一个数量级，使雷达对目标的探测距离减半。此外，经过处理的Su35战斗机座舱盖能够反射入射雷达波，消除内部金属部件对RCS的贡献。 这种电磁（EM）设计试图改变飞机表面属性，目的是使飞机“不可见”。本质上，减小了由雷达探测到的飞机反射电磁波的等效面积。此概念即众所周知的“隐身”。 *初采用的隐身技术与频率相关，因此总体效果受限。RCS预估与控制涉及许多不同学科的研究人员和工程师，必须同时考虑与电磁、信号处理、材料、结构、气动等有关的属性。 1.2雷达特征信号的概念 虽然在我们脑海里电磁特征信号是航空航天飞行器探测语境中的主要概念，但是还有其他特征信号也是基于这一目的而考虑的。这些特征信号包括声（噪声）、光（可见光）、红外（热）和雷达特征信号。 1）声特征信号。飞机的声特征信号（波长2～16 m）是由其涡流、机翼、旋翼、螺旋桨和发动机的空气动力学噪声引起的。噪声强度与翼展载荷和速度成正比。对这种特征信号的减缩有助于声隐身。与涡扇发动机和活塞发动机相比，电动机的噪声更低，但其不足之处是寿命短。然而，另一方面，小的质量和低的气动阻力对降低噪声效果更显著。在距离不变的情况下，声音的衰减与波长的平方成反比，这使得低频噪声成为声隐身的重要因素。这就是大型战术飞机涡扇发动机安装在机翼上方的原因，这有助于避免压缩机噪声以及排气噪声向地面辐射。 发动机类型也是声特征信号的一个重要参量。与两冲程活塞发动机相比，四冲程活塞发动机具有更高的燃烧效率，不过其噪声衰减较低， 而两冲程活塞发动机具有更低的噪声频率，因而从声隐身的角度考虑，四冲程发动机不是一个好的选择。 但是可以通过在发动机上涂覆吸声材料来降低这种燃烧引起的噪声。可以通过只涂覆那些发出噪声的地方来减小由于增加涂层所导致的质量增加。 2）光特征信号。飞行器的尺寸和形状是采用光特征信号探测的重要因素。在固定探测阈值时，与背景的对比也很重要，背景的亮度取决于大气条件和相对于太阳的目标位置。飞行器的表面纹理和大气反射照度是决定光特征信号（波长0.4～0.7 μm）强度的其他因素。 3）热特征信号。热或红外特征信号（波长0.75 μm～1 mm）是由飞机发动机喷流、螺旋桨和水平旋翼产生的热量导致的。可以通过朝地面行进来避免飞机尾气的热量被探测。这一路径转移使得降低地基探测器对飞机的探测概率成为可能。此外，低发射率材料（例如Ag，Al）可用于避免辐射，发动机尾气应由其他机身部件遮蔽，以使热辐射偏离地面。 4）雷达特征信号。雷达特征信号（波长3 mm～30 cm）与飞机上的射频（RF）辐射有关。它们大多是反射的RF信号。可以通过使用RAM涂层或改变飞机的外形来减小这些特征信号。对于包括边缘和拐角在内的重点部位要给予特别关注。必须小心设计，以使飞机上没有一个面会被雷达信号垂直照射。类似的，对于以较小角度入射的信号，垂直面（如垂直尾翼）是雷达特征信号的重要贡献源。避免角反射器型的几何外形很可取，因为以直角相交的表面可产生强烈的雷达回波。另外，*显著的散射贡献也可能来自飞行器上安装的天线/传感器。这些传感器和信号可能会明显增加飞行器的RF特征信号。 1.3飞机的RCS RCS是目标可观测度的一个估计，而目标可观测度取决于其外部特征和电磁特性。RCS本质上和从目标反射回接收机的电磁能量与入射电磁能量之比有关（Knott等人，2004年）。当电磁波照射到一个物体上时，部分能量被吸收掉，剩余的能量可解释为反射和绕射。解释电磁散射现象的一个重要特征是散射体的电尺寸。此外，对于除球形以外的形状，其雷达信号回波与入射波极化相关。电磁波的散射可能随极化而变化。一般表面上传播的表面射线具有有限的挠率，其传播路径不能局限于一个平面上，这样，其方向连续变化，导致极化方向的改变。 从雷达角度来看，目标的RCS具有一个表观尺寸。它本质上是在雷达照射下目标上各散射中心贡献的相干叠加。换句话说，目标上包含各种热点的结构会将照射的电磁能量再次辐射出去。这些具有相关幅度和相位、各自独立的散射场，叠加成*终的散射场。总散射场包括镜面方向的反射，尖锐边缘、角的绕射，多次散射，表面波，爬行波，阴影效应等。因而，目标的形状和尺寸以及由此而来的散射中心，决定了RCS与方位角和频率相关的程度和闪烁。 例如，对一架飞机，沿鼻锥方向进行照射时的回波主要来自发动机进气道；如果照射角度偏离鼻锥方向，主翼边缘将成为总体RCS的主贡献源之一；对于超过一定限度直到70°的入射角，散射主要来自前机身和发动机机舱，超过该角直到垂直入射，侧向散射的主贡献源来自机身和垂尾。类似的，当方位角接近±180°时，发动机尾喷管是散射的主贡献源。因而，飞机的总体RCS是所有各类回波的相干叠加。 此外，为满足各种应用功能，飞机结构上安装了很多的传感器及天线。这可以显著增强飞机的RCS。天线或天线阵列系统的散射可归因于其结构和馈电网络散射。当馈电网络适配时，RCS称为天线结构项RCS（Shrestha等人， 2008年），因为在这种情况下没有来自馈电网络的反射，天线的RCS仅仅是其结构散射所致。换句话说，天线结构项RCS 是天线表面对入射波的感应电流的函数（Jenn，1995年）。必须牢记的是，虽然基于不同解释的其他定义应用领域很广泛，但本书中将使用上述定义。 当馈电网络不适配时，天线RCS将由来自其结构以及馈电网络的反射共同组成。由馈电网络产生的散射称为天线模式项散射（Yuan等人，2008年）。因而，天线RCS 是天线结构项RCS与天线模式项RCS的总和。 天线结构项RCS不仅与天线结构有关，还与其安装的平台（飞机）有关（Perez等人，1997年）。可以将飞机视为一系列的楔和面，或者一系列参数化表面的组合（Wang等人，2001年），甚至是非均匀有理B样条（Domingo等人，1995年）。接下来是使用数值电磁技术译者注：一般基于高频渐进近似的方法简称为高频法，基于数值全波求解的方法称为数值法。本书中作者统一将这些基于几何建模数值计算的方法称为数值方法。，如一致性绕射理论（UTD）、物理光学（PO）、等效电流法（ECM）译者注：ECM应为Equivalent Current Method（等效电流法），原文误为Electronic Counter Measures（电子对抗措施）。、矩量法（MoM）、有限差分时域（FDTD）法等，来预估总散射，以得到飞机总的结构项RCS。由于经常涉及RCS的高频渐进计算，因此在第1.3.1节中以“射线追踪技术”为标题讨论其先决条件。 1.3.1射线追踪技术 原则上，射线追踪确定了源和观察点之间每一个可能的射线路径。作为一种几何方法，射线追踪的计算代价与结构的电尺寸无关。射线路径基于广义费马原理。直接射线以及所有的反射、双反射、绕射、反射绕射、表面波以及爬行波都纳入考虑。 在自由空间中，应用了几何光学（GO）原理。用复数场表示波的幅度和方向。射线追踪本质上是确定表面上射线反射、发射和脱离点的确切位置。在接收端，与射线相关的场由射线路径每个个体贡献源的相干叠加确定。 在RCS预估中，射线追踪基本上是在电尺寸大于入射波长时与高频渐进方法一起使用。渐进方法包括几何光学（GO）、几何绕射理论（GTD）、物理光学（PO）、物理绕射理论（PTD）、一致性绕射理论（UTD）等。 实际上，对于电大尺寸目标，低频方法，即矩量法、有限元方法（FEM）常常是不可行的。尽管可以使用高速、大内存计算机，但能够通过此类方法处理的目标尺寸对于实际应用情形而言还是太小。相反，高频方法虽然简单，但给出了相对而言较为精确的结果。这些方法相对简单的原因在于假设目标上每个部分散射的能量都与其他部分无关。因此，目标上一部分感应场只与照射它的电磁波有关，而与其他部分的散射场无关。这使得预估感应场并将其沿物体积分以得到RCS的计算变得相对简单。 给定表面点上的射线可以通过三种可能的方式定义：1）有限长度（点到点）射线；2）半无限长度（点到方向）射线；3）无限长度射线。可以有两种对称的亚构型，即近场远场变换构型和远场近场变换构型。可以基于射线路径的可逆性来进行这种分析。*后一种构型是无限长射线，可以是单站的，也可以是双站的。 射线追踪方法中*关键的步骤是获得射线与表面的交点。已经引入了几种开域方法来确定交点。将射线打到其上的平面/非平面表面以不同方式进行分割，以确定反射点。其中一种这样的方法涉及有限体积内的递归细分（Whitted，1980年）。这里，将表面进行分割，并为每个子表面生成有限体积，持续这一过程直到射线不再与表面相交。有限体积可以视为球或封闭的盒子（Whitted，1980年；Pharr 和 Humphreys，2010年）。另一种方法是将表面分割为三角形面元（Kajiya，1982年；Snyder 和 Barr，1987年），然而，表面分割成面元会导致计算成本升高。 通过将参数曲面转换为隐式公式，可以用代数方式解决计算成本高的问题（Manocha和Demmel，1994年），此时产生参数空间中两个面相交的问题。方程组的解给出了平面相交形成的曲线。基于数值技术的方法，即拉盖尔（Laguerre）方法（Kajiya，1982年）、递归牛顿法（Martin等人，2000年）可以用于这一求解。或者，可以通过将其扩展为高阶矩阵行列式来求解隐式方程（Manocha和Demmel，1994年）。但是，对于更高次表面，这些方法就受到了计算复杂度增加的限制。一些研究者将表面近似为平面，并由射线与有限体积相交确定初始点（Martin等人，2000年；Sturzlinger，1998年）。诸如准牛顿迭代和共轭梯度法这样的优化算法也可用于预估交点（Joy 和 Murthy，1986年）。 如果没有交点，射线将向接收机传输，将其视为直接射线。在距离s上与直接射线相关的场表示为（Pathak和Kouyoumjian，1974年；Pathak等人，2013年） Edirect（s）=Ei（0）A（s）e－jks（11） 式中e－jks——射线场的相位; k=2πλ。 A（s）是由下式给出的幅度变化 A（s）=ρ1ρ2（ρ1+s）（ρ2+s）（12） 式中ρ1和ρ2——给定表面点上波前的主曲率半径。 当射线打到表面上，其传播取决于表面特性。对于透明或半透明表面，射线可能从表面反射或者透射表面。射线场的衰减取决于表面的本构参数。距离s处的传输场由下式给出 ET（s）=EiAtTe－jks（13） 其中，透射系数T取决于入射射线的极化（Jordan和Balmain，1976年）。幅度变化At取决于表面和入射波的曲率半径，由下式给出（Kouyoumjian，1965年） 1ρt1=121ρi1+1ρi2+1f1 1ρt2=121ρi1+1ρi2+1f2（14） f1,f2为凹（凸）表面的焦距，ρ1,ρ2对凹表面为负，对凸表面为正。 表面上的反射场由下式给出 ER（s）=EiArRe－jks（15） 其中，反射系数R取决于极化性质（平行和垂直）。 射线打到角或边缘上时出现的另一种现象是绕射。垂直打到表面的射线产生柱面波前。相反，对于斜入射射线，绕射波将是圆锥形的。表面上的绕射场由下式给出（Kouyoumjian，1965年） ED（s）=EiAdDe－jks（16） 式中D——取决于极化的绕射系数。 当射线以切向打到表面时，其沿本地测地线传播，并沿切向离开表面，这称为爬行波。使用广义费马定理确定这些射线轨迹。此外，一条射线可能经历多个交点，如反射，然后进行边缘绕射，并再次进行透射。射线追踪的缺点是这种多次传播现象会导致计算复杂度增加。因而，需要加速和优化程序来 高效和快速求解。 1.4RCS减缩 目前，无源技术的广泛知识基础可用于控制电磁散射。这些无源技术通常涉及外形整形或应用RAM。这种方法的有效性取决于频率、入射角及入射波的极化。 结构整形的主要目标是*大限度地减少朝雷达方向散射的能量。已发现这类RCS控制方法应对单站雷达探测很有效。如果一个航空航天飞行器，如飞机、导弹或无人机（UAV），结构轮廓设计只在一个很小的角度范围对雷达是可见的，则可以考虑通过避免这一角度区域朝向雷达来实现隐身。然而，一个方位角下的RCS减缩常常伴随着另一个方位角下的RCS增加，记住这一点很重要。为了在整个工作频带都获得可接受的低可观测度，常常需要同时采用外形整形和RAM这两种方法。 除了上述无源技术，也有人提出其他RCSR方法，如使用人工磁导体（AMC）（Paquay等人，2007年）、频率选择表面（FSS）以及有源RCSR。AMC结构（Yeo和 Kim，2009年）是将入射能量散射到其他方向，因而显著降低了镜面反射。 有源与无源RCSR技术的本质差别在于，在无源技术中，由于幅度和相位差，来自目标的部分散射波对消掉了来自其他部分同样的波，而有源技术则通过将来波与阵列或基于传感器的系统中形成的散射场之间的相消干涉来实现对消。对入射波的有源对消使得平台对探测雷达“不可见”。