宋 廣

（中國(guó)人民解放軍92785部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125208）

0 引言

隨著現(xiàn)代反艦導(dǎo)彈的快速發(fā)展，雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈速度迅猛增加和抗干擾能力增強(qiáng)，對(duì)水面裝備的威脅越來(lái)越大，單一的光電對(duì)抗手段已無(wú)法滿足戰(zhàn)場(chǎng)需要，必須采用其他有效的手段共同完成末端防御任務(wù)。多面體角反射器是一類由三角板角反射通過(guò)調(diào)整尺寸、組合方式形成的，三角板角反射器反射原理圖及實(shí)物圖如圖1所示。其可以產(chǎn)生很大的雷達(dá)散射截面積，模擬艦船的雷達(dá)反射信號(hào)特征，對(duì)來(lái)自各個(gè)方向上的不同頻率的雷達(dá)制導(dǎo)武器形成有效干擾，破壞敵方雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的搜索和跟蹤，是無(wú)源干擾體系的有效補(bǔ)充。其具備價(jià)格便宜、制造和使用方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。羅亞松等[1]通過(guò)FEKO和MATLAB軟件分別對(duì)單個(gè)和整個(gè)炮射隨機(jī)角反射器的 RCS進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證了該算法可以有效模擬艦船的RCS特性，保護(hù)己方目標(biāo)安全。范學(xué)滿等[2]對(duì)電大尺寸目標(biāo)單站雷達(dá)散射截面積（RCS）預(yù)估的高頻混合算法進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了改進(jìn)GO/AP算法計(jì)算不同入射方向下三角形三面角反射器RCS的可行性，拓寬了GO/AP算法對(duì)觀察角的適用范圍。張俊等[3]針對(duì)浮空式角反射體新型無(wú)源干擾器材的末制導(dǎo)雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別問題，采用基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建浮空式角反射體類目標(biāo)識(shí)別模型，表明多個(gè)浮空式角反射器陣列能夠在一定程度上改變單個(gè)角反射體固有的雷達(dá)截面積方向。孟凱等[4]對(duì)不同頻率雷達(dá)波照射下標(biāo)準(zhǔn)二十面海面漂浮角反射器和存在角度誤差狀態(tài)的二十面角反射器雷達(dá)散射特性進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析表明：角度誤差對(duì)二十面角反射器的散射特性影響巨大，大幅度降低了角反射器的性能。吳林罡等[5]通過(guò)改進(jìn)基于幾何光學(xué)和區(qū)域投影的高頻混合算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)浮空式雙棱錐型角反射器 RCS的快速預(yù)估，與彈跳射線法仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，該算法可以為空式角反射器陣列的快速 RCS預(yù)估以及快速布放決策提供重要幫助。葛堯等[6]采用FEKO軟件對(duì)角反射器的頂角、原點(diǎn)、斜邊等不同部位進(jìn)行仿真并優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了優(yōu)化后異形結(jié)構(gòu)三面角反射器的 RCS及方位覆蓋角度的變化規(guī)律。趙俊娟等[7]基于FEKO平臺(tái)的物理光學(xué)算法模擬人工角反射器等電大尺寸目標(biāo)，根據(jù)物理光學(xué)算法模擬三錐體角反射器的RCS曲線，與理論最大值具有良好的一致性。

圖1 角反射器反射原理（左）及實(shí)物圖（右）Fig.1 Reflection principle（left）and real picture（right）of corner reflector

目前文獻(xiàn)主要針對(duì)各種理想狀態(tài)角反射器進(jìn)行特性分析，較少考慮表面破損引起角反射體的RCS特性變化。角反射器在搬運(yùn)、裝配、作戰(zhàn)使用等過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷摩擦、碰撞、環(huán)境腐蝕等外力，造成表面變形、銹蝕、污染等多種形式的破損，會(huì)降低其RCS特性，嚴(yán)重影響角反射器的使用效能。針對(duì)此情況，本文對(duì)不同表面破損條件下的金屬角反射器RCS特性進(jìn)行仿真計(jì)算。

1 RCS仿真計(jì)算方法

角反射器是凹形空腔結(jié)構(gòu)，在腔體口徑處電磁波進(jìn)入腔體內(nèi)部后經(jīng)過(guò)多次內(nèi)壁反射，最終電磁波的能量從空腔口處再次輻射至遠(yuǎn)區(qū)。目標(biāo)雷達(dá)的散射截面積常用來(lái)衡量目標(biāo)對(duì)入射電磁波的散射能力[8]。目前RCS數(shù)值計(jì)算常用方法可分為低頻方法和高頻方法，低頻方法包括有限元法（FEM）、矩量法（MOM）、時(shí)域有限差分法（FDTD）、有限積分法（Fit）等，高頻方法包括物理光學(xué)法（PO）、幾何光學(xué)法（GO）、一致性幾何繞射理論（UTD）、彈跳射線法（SBR）等。由于受到計(jì)算機(jī)內(nèi)存和效率影響，選擇計(jì)算方法主要應(yīng)由目標(biāo)尺寸L和計(jì)算波長(zhǎng)λ比值決定。當(dāng)時(shí)，應(yīng)選擇高頻方法，否則建議選擇合適低頻方法。本文分析三角形角反射體直角邊尺寸1 000 mm，分析頻段8 GHz以上，目標(biāo)尺寸與波長(zhǎng)比值遠(yuǎn)大于1，因此選擇高頻計(jì)算方法。采用 SBR高頻近似算法，可高效計(jì)算上百個(gè)波長(zhǎng)電大目標(biāo) RCS，滿足大尺寸角反射體RCS計(jì)算，因此本文將采用此方法對(duì)角反表面破損進(jìn)行仿真分析。德國(guó)CST公司擁有專業(yè)三維電磁仿真軟件，其CST微波工作室已集成SBR高頻近似算法，可高效計(jì)算上百個(gè)波長(zhǎng)電大目標(biāo)RCS，滿足大尺寸角反射體RCS計(jì)算，因此本文將采用CST軟件對(duì)角反射器表面破損進(jìn)行仿真分析。

2 角反射器仿真模型

2.1 建模

角反射器由 3個(gè)相同且相互垂直的三角形面組成，為了有效分析表面破損對(duì)角反射器散射性能的影響，研究在反射面不同的破損數(shù)量、破損面數(shù)等條件下，角反射器 RCS特性，建立完整角反射器模型、單反射面破損模型、兩反射面破損模型、三反射面破損模型4種狀況模型。如圖2所示。其中，完整角反射器模型的所有反射面表面均未破損，作為破損角反射器RCS特性研究的基礎(chǔ)。

圖2 角反射器模型Fig.2 Corner reflector model

本文采用角反射器直角邊為1 000 mm的模型進(jìn)行研究，對(duì)角反射器破損面數(shù)和破損直徑設(shè)置多種影響因素，模擬角反射器在不同破損程度下的RCS特性。考慮到破損區(qū)域的位置隨機(jī)性、面積隨機(jī)性及形狀隨機(jī)性，采用簡(jiǎn)化分析，將破損區(qū)域位置設(shè)置在反射面能量反射中心位置，破損區(qū)域可等效為圓形區(qū)域，破損面積設(shè)置為直徑 100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm等效圓形面，圓形區(qū)為真空區(qū)，不反射電磁波。由此實(shí)現(xiàn)對(duì)不同狀態(tài)破損角反射器的模型簡(jiǎn)化和抽象。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真時(shí)主要考慮角反射器單站情況下表面破損對(duì)角反射器 RCS特性影響，需設(shè)置仿真頻率、極化、入射波方向等參數(shù)，具體如下：

1） 頻率范圍：8～18 GHz，間隔1 GHz；

2） 極化：水平極化；

3）入射波方向：選擇角反射器口部端面法線方向。

3 RCS特性仿真分析

角反射器表面出現(xiàn)破損，將會(huì)影響角反射器對(duì)入射電磁波的散射能力。表面破損對(duì)角反射器RCS影響主要從角反射器破損區(qū)域尺寸、破損區(qū)數(shù)量等方面進(jìn)行仿真分析。同一尺寸下不同破損數(shù)量角反射器RCS隨頻率變化曲線如圖3所示。

圖3 破損直徑100 mm條件下不同破損數(shù)量角反射器RCS特性Fig.3 RCS characteristics of corner reflector with different damage numbers under condition of damage diameter being 100 mm

同一目標(biāo)對(duì)雷達(dá)發(fā)射的不同頻率的電磁波所表現(xiàn)的散射特性不同，得到的RCS不同[9]。由圖3可知，在8 GHz～18 GHz頻率范圍內(nèi)，隨著入射頻率的升高，角反射器的 RCS呈上升趨勢(shì)，上升趨勢(shì)隨頻率的增大呈放緩趨勢(shì)。表面未破損時(shí)，射入角反射器內(nèi)不同頻率的電磁波會(huì)完全反射，與破損的角反射器相比，在同一頻率下 RCS最大。當(dāng)角反射器出現(xiàn)破損時(shí)，電磁波在破損面處出現(xiàn)漫反射現(xiàn)象，隨著破損面數(shù)量增多，漫反射現(xiàn)象愈嚴(yán)重，RCS呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

由圖4可知，在8～18 GHz入射頻率范圍內(nèi)，當(dāng)反射面破損時(shí)，反射面的 RCS降低，當(dāng)反射面破損直徑增大，角反射器的RCS呈快速下降趨勢(shì)，且隨著破損反射面數(shù)量增加，角反射器 RCS降低幅度增大。

圖4 角反射器面破損直徑對(duì)RCS影響曲線Fig.4 Impact curve of corner reflector surface damage diameter on RCS

通過(guò)分析，角反射器RCS特性隨頻率近似線性變化，由此選擇典型頻段13 GHz，分析其隨著破損面積增加時(shí) RCS變化趨勢(shì)，結(jié)果如表 1–3所示。

表1 13 GHz時(shí)1個(gè)反射面破損RCS變化趨勢(shì)Table 1 RCS change trend of 1 damaged reflecting surface at 13 GHz

表2 13 GHz時(shí)2個(gè)反射面破損RCS變化趨勢(shì)Table 2 RCS change trend of 2 damaged reflecting surfaces at 13 GHz

表3 13 GHz時(shí)3個(gè)反射面破損RCS變化趨勢(shì)Table 3 RCS change trend of 3 damaged reflecting surfaces at 13 GHz

由表1–3和圖5可知，角反射器未發(fā)生破損的情況下，RCS最大，隨著角反射器破損反射面數(shù)量增多，角反射器反射電磁波能力急劇減少，且成加速降低趨勢(shì)。

角反射器RCS降幅如圖5所示。

圖5 不同破損反射面數(shù)量時(shí)RCS變化趨勢(shì)Fig.5 RCS change trend with different numbers of damaged reflecting surfaces

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)角反射器在使用過(guò)程中出現(xiàn)表面破損后，影響其RCS特性，采用SBR高頻近似法對(duì)非完整表面角反射器 RCS特性進(jìn)行了仿真分析，分別研究角反射器反射面不同的破損面積和破損數(shù)量條件下RCS特性，結(jié)論如下：

1）角反射器在表面破損后，其RCS特性快速降低。

2）反射面破損數(shù)量一定的情況下，隨著破損面積增大，RCS快速降低；隨著反射面破損數(shù)量增多，角反射器反射電磁波能力急劇減少，且成加速降低趨勢(shì)。

本文量化分析了金屬角反射器的反射面表面破損后 RCS特性變化趨勢(shì)，可有效評(píng)估角反射器在使用過(guò)程中電磁波反射能力。