甲板舾装件雷达波隐身分析与工艺优化

曹 峰， 陶江平， 王 波

(上海船舶工艺研究所， 上海 200032 )

0 引 言

隐身性设计是通过减小或改变自身的物理特性(如雷达、声、光电、磁和红外辐射等)来降低被敌方探测设备发现或被武器追踪命中的概率。随着电子技术的发展，舰船面临着越来越严重的雷达、声、光电和热制导反舰武器的威胁。隐身性优劣关系着舰船的生存能力，因此对隐身性提出更高的要求，其中雷达波隐身和声隐身是舰船隐身设计的关键[1]。

雷达散射截面(Radar Cross Section， RCS)是表征目标雷达波隐身性能的特征值。减小目标RCS的方法有:外形优化设计、隐身材料、有源对消和无源对消。其中，外形优化设计是利用不同外形具有不同雷达波散射性的特点来减小目标威胁方向上雷达散射截面，是舰艇雷达波隐身的重要手段，利用隐身材料吸收雷达波能量取得隐身效果[2]。

舰船为系统工程，涵盖功能各异的设备。通常不会直接对船舶整体进行隐身设计，而是将其拆分成不同部分，针对不同部分分别进行雷达波隐身设计[3]。由于甲板上布置较多功能性舾装件，若布置及工艺处理不合理，会形成较大的雷达散射截面，影响整船的隐身性。从船舶建造工艺的角度，对甲板舾装件进行工艺优化，降低舾装件的雷达散射截面，提高整船的隐身性。

1 雷达散射截面计算方法

RCS是用于描述目标散射体电磁特性的一个重要指标，其定义式为

(1)

式中：σ为雷达散射截面；R为目标到雷达接收器的距离；Es为散射电场；Hs为散射磁场;Ei为入射电场；Hi为入射磁场。

雷达散射截面不仅与物体的大小、形状、结构和材料等有关，而且与入射电磁波的频率、极化以及波形等特性也有关。RCS 是标量，其单位是m2，又由于目标的RCS 动态变化范围很大，常用其对于1 m2的分贝数来表达，即dBm2，符号为

σdBm2=10lgσ(2)

雷达散射截面的数值计算方法主要有矩量法、多层快速多极子法、有限元法、时域有限差分法、高频近似方法和混合方法等。

按目标的特征尺寸相对于电磁波波长的大小，可以将目标散射特性分成3个区：瑞利区(低频区)、谐振区(中频区)和光学区(高频区)。本船目标散射特性为光学区，计算采用高频近似算法。高频近似算法包括几何光学法、物理光学法、几何绕射理论等。

FEKO软件以矩量法、多层快速多极子法、高频精确算法和近似算法为主，配以求解复杂介质体的有限元方法，并具有矩量法和高频近似算法相结合的混合算法，在保证精度的前提下提高了计算规模及计算效率，适合求解电大尺寸等复杂的电磁问题[4]。

2 雷达散射截面计算与分析

2.1 雷达散射截面计算流程

基于典型舾装件的结构尺寸、布置及常用探测雷达技术参数，按照以下流程进行仿真分析：

(1) 几何模型。利用三维建模软件，完成舾装件的几何建模，模型比例为1∶1，且y轴指向船首方向，x轴指向右舷方向，z轴指向上层建筑方向。

(2) 网格模型。利用网格划分软件完成舾装件的表面网格划分。网格类型为三角形面网格，标准网格单元大小取入射雷达波波长的1/3。

(3) 物理模型。将网格模型导入FEKO软件中，基于以下参数建立物理模型，完成雷达散射截面仿真[5]。

① 雷达波散射特点：单站散射。

② 雷达波频率：9 GHz。

③ 雷达波仰角：4°。

④ 雷达波水平方位角：0°～360°。

⑤ 雷达波类型：平面波。

⑥ 舾装件材料：金属。

⑦ 计算算法：物理光学法。

2.2 雷达散射截面仿真计算与分析

选取典型舾装件：索道牵引车、梯子、露天部位水龙带箱和天线基座(面板、肘板)，基于2.1节的计算流程，对典型舾装件进行雷达散射截面计算及分析。

2.2.1 索道牵引车

基于雷达散射截面仿真流程，对索道牵引车进行仿真分析。索道牵引车的几何模型如图1所示，网格模型如图2所示，仿真计算结果如图3所示。

图1 索道牵引车几何模型

图2 索道牵引车网格模型

图3 索道牵引车雷达散射截面

根据计算结果可知：索道牵引车的最大雷达散射截面为15.20 dBm2，出现在水平方位角90°和270°处。

索道牵引车为功能性机器设备，其布置位置及外形均难以改变。同时,索道牵引车的使用频率相对较低，因此考虑设置雷达隐身罩。当索道牵引车不工作时，用雷达隐身罩遮蔽索道牵引车；当需要索道牵引车工作时，移除雷达隐身罩。采用高效隐身罩，可使雷达散射截面缩小80%[6]。

考虑到牵引车工作时需移除雷达隐身罩，隐身罩的重量不能过重且应便于拆装。隐身罩材料可选择密度较轻的玻璃纤维复合材料和PVC结构泡沫。同时，在隐身罩上设置螺栓孔，通过铰链与索道牵引车基座固定。隐身罩采用2段式，隐身罩底部设置滚轮，嵌入底部轨道中。牵引车工作时，解除隐身罩的固定，将隐身罩分离为2部分，露出牵引车工作部位；当牵引车不工作时，合拢隐身罩并固定。

2.2.2 梯子

基于雷达散射截面仿真流程，对梯子进行仿真分析。梯子的几何模型如图4所示，网格模型如图5所示，计算结果如图6所示。

图4 梯子几何模型

图5 梯子网格模型

图6 梯子雷达散射截面

根据计算结果可知：梯子的最大雷达散射截面为13.55 dBm2，出现在水平方位角121°和239°处。

梯子为标准舾装件，其外形及尺寸须满足标准要求，同时梯子具有功能性需求，难以改变安装位置，因此考虑在梯子上涂覆吸波材料。根据文献资料信息，高效吸波材料可使雷达散射截面缩小80%[7]。

常用的雷达波吸波材料有橡胶涂层、铁氧体吸波材料、多晶铁纤维吸收剂及纳米隐身材料等。考虑到梯子的使用频率较高，选择吸波材料时，需要考虑材料的耐磨性。

考虑到梯子的最大雷达散射截面均在水平方位角121°和239°处，在进行梯子安装时，如有可能，尽量使梯子在这2个水平方位角处，处于遮蔽状态。

2.2.3 露天部位水龙带箱

基于雷达散射截面仿真流程，对水龙带箱进行仿真分析。水龙带箱的几何模型如图7所示，网格模型如图8所示，仿真计算结果如图9所示。

图7 水龙带箱几何模型

图8 水龙带箱网格模型

图9 天线基座雷达散射截面

水龙带箱的最大雷达散射截面为23.60 dBm2，出现在水平方位角0°和180°处。

水龙带箱的形状比较规整，当雷达波照射时，会发生雷达波镜面反射，雷达散射截面较大。为满足功能性要求，水龙带箱的形状无法改变，但改变其布置位置，对功能性没有影响，因此可进行嵌入式安装。将水龙带箱内嵌在舱壁上，水龙带箱表面与舱壁平齐，只有水龙带箱门会产生雷达散射截面。

水龙带箱内嵌安装时，须根据舱壁角度，改变水龙带箱的角度，避免凸起破坏舱壁的雷达散射截面。同时，水龙带箱门的打开方式可改为推压反弹方式打开，取消水龙带箱门的把手。

2.2.4 天线基座(面板、肘板)

基于雷达散射截面仿真流程，分别对优化前后的天线基座进行仿真分析。优化前后的网格模型如图10和图11所示，仿真计算结果如图12所示。

图10 天线基座网格模型(优化前)

图11 天线基座网格模型(优化后)

天线基座(面板、肘板)的最大雷达散射截面为15.90 dBm2，分别出现在水平方位角35°和215°处。

天线基座(面板、肘板)具有较多二面角，容易发生二面角反射，产生较大雷达散射截面。建议采用结构遮蔽的方式，对基座的外形结构进行优化，优化前后的几何外形如图13和图14所示。

优化前天线基座(面板、肘板)的最大雷达散射截面为15.90 dBm2，优化后天线基座(面板，肘板)的最大雷达散射截面为5.97 dBm2，分别出现在水平方位角35°和215°处，天线基座的雷达散射截面降低了62%。采用结构遮蔽的方法，不出现二面角结构形式，有效降低天线基座(面板、肘板)的雷达散射截面。

图12 天线基座雷达散射截面(优化前后)

图13 天线基座几何模型(优化前)

图14 天线基座几何模型(优化后)

基座肘板围板可采用薄钢板或复合材料进行遮蔽，以尽量减轻重量。

考虑到优化前后天线基座的最大雷达散射截面均在水平方位角35°和215°处，因此在进行天线基座布置时，如有可能，尽量使天线基座在这2个水平方位角处，处于遮蔽状态。

3 结 语

根据舾装件特点，目标雷达散射类型中的镜面反射、二面角反射及凹腔反射等反射强度较高，在进行采购或制作时要尽量避免这些情况。对于舾装件，可在不改变其性能、综合可靠性及价格的基础上，对舾装件进行优化，降低其雷达散射截面，提高舰船隐身性。

通过以上几种典型舾装件雷达散射截面仿真计算分析，对于降低舾装件RCS值有如下建议：

(1) 对于机器类舾装件，建议在不影响其功能使用的前提下，设置隐身罩。例如前甲板三滚柱导缆器、海补装置索道牵引绞车等舾装件。

(2) 对于易发生雷达波反射，布置和外形难以改变，且由于功能性要求不便采用隐身罩的舾装件，建议涂覆吸波材料。例如室外梯子、透气帽(管)、栏杆扶手等。

(3) 对于易发生雷达波反射(镜面反射、二面角反射等)，且改变布置不影响其功能性要求的舾装件，建议进行嵌入式安装。例如露天部位水龙带箱、露天消防栓、露天部位声力电话等舾装件。

(4) 对于易发生雷达波反射(镜面反射、二面角反射等)，但为满足功能性要求布置无法变动的舾装件，建议进行结构遮蔽。例如天线基座等小型电气基座。