低RCS目标雷达散射特性增强方法研究

徐顶国 魏子豪 骆盛 刘钧圣 王军 赵军民

摘要：隐身飞机的出现对导弹的作战能力提出了更高的要求，增大敌方目标自身雷达散射特性是未来导弹反隐身技术发展的一个重要方向。为了实现低RCS目标电磁增强，本文拟针对典型隐身飞机，基于电磁理论和导弹反隐身技术，设计了几种不同的目标RCS增强方案；利用基于多层快速多极子算法（MLFMM）的FEKO软件，计算、分析不同增强方案在低RCS目标载体上的RCS特性和增强效果，其结论为未来导弹反隐身技术和智能化导弹的发展提供参考。

关键词：隐身飞机；反隐身；雷达截面积；多层快速多极子算法

中图分类号：TN02文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.05.006

目前，美、日等国家已开始批量装备第五代（美、俄称谓）隐身战斗机F-22、F-35，俄罗斯的第五代战斗机苏-57也已经服役，该类作战飞机的最大优势就是具有先进的隐身性能，不仅可以减小被发现的距离，还使全机的雷达散射特性大幅度减小，导致来袭导弹的脱靶率大大增大。以F-22为例，如图1所示，取F-22的前向RCS为0.01m2，与前向0.1m2的作战目标比较，在其他条件相同的情况下，前者的超视距空战效能比后者高出5倍左右。

因此，迫切需要破解以F-22为代表的第五代战斗机的隐身性能，快速提升对F-22等隐身飞机的防御、打击和威慑能力。

对于极低RCS的隐身飞机而言，导弹如何能准确地实现搜索、跟踪、攻击低可探测性目标，增大敌方低RCS目标的散射特性是未来导弹反隐身技术和智能化导弹的一个重要发展方向。

鉴于反隐身技术的敏感性，从公开发表的文献中，国外关于利用导弹技术来实现敌方自身目标特征增强研究的相关成果和论文很难检索到。在国内，也没有公开发表的类似基于导弹反隐身技术的目标特性增强研究[1-9]，本文拟针对典型隐身飞机，基于电磁理论和弹射技术，设计了几种不同的RCS特性增强方案，并建立典型的低RCS外形数值模型；利用基于多层快速多极子算法（MLFMM）的FEKO软件，计算、分析不同增强方案对某低RCS目标的RCS特性和RCS增强效果，其方案和结论为未来导弹反隐身技术和智能化导弹的发展提供参考。

1研究理论

1.1计算方法

本文采用多层快速多极子算法（MLFMA），该方法是一种快速有效地求解电磁散射的方法，具有计算能力稳定、速度快、精度高等特点[7-10]。通过多层快速多极子方法求解混合积分方程（CFIE）并选择RWG型基函数计算目标表面电流分布，采用式（1）～式（3）计算散射场和雷达截面积（RCS）：

利用基于基于多层快速多极子算法的FEKO软件进行计算。采用远场平面波照射，计算类型为单站RCS，极化方式为水平极化（HH）和垂直极化（VV），计算方位角为0°～180°，计算步长为1°，其中0°方位角定义为电磁波从机头沿飞机轴线向后照射。

1.2计算结果验证

为了验证该多层快速多极子算法方法对尖点绕射尖点、前缘行波散射、表面缝隙等弱散射的精度。设计了一个低RCS载体[4]，如圖2所示。拟通过理论计算和试验两种方法对比分析不同横向缝隙在±15°内的RCS误差范围。

图3给出了9.41GHz频段仿真和试验数据。从计算和试验结果对比可以看出，在方位角±15°范围，两种横向缝隙的RCS值变化基本趋于一致。说明该理论算法和计算结果是正确可行的。

由于缝隙散射和弹坑散射都属于弱散射范畴，故该方法对弹坑等散射特性的仿真计算，也同样是适用的。

2电磁增强方案和仿真对比分析

为了评估不同的低RCS目标电磁特性增强方案，需要设计一种雷达散射量级同F-22前向等效的低RCS目标载体数模模型进行方法研究。在典型杏仁核外形的基础上，设计低散射外形模型，如图4、图5所示。利用上述方法的FEKO软件进行仿真优化设计，其在X波段上，控制其RCS低于-30dBsm。

在其低RCS载体平台上，开展不同弹RCS增强方案对低RCS载体的雷达散射特性和RCS贡献研究。

（1）单球方案

在低散射平台上设置20mm直径小球，浸入一半的体积。通过仿真计算，在X波段，方位角±15°，俯仰角0°，其RCS均值为0.0021m2，如图6所示。

（2）双球方案

在低散射平台上设置两个小球端射的情况。通过仿真计算，在X波段，方位角±45°，俯仰角0°，其RCS均值0.0044m2，如图7所示。

若增大端射小球间距，RCS均值略有降低，约0.0041m2，如图8所示。

（3）多球方案

在低散射平台上设置10个小球，位置随机分布。通过仿真计算，在X波段，方位角±45°，俯仰角0°，其RCS均值0.014m2，如图9所示。

（4）多六面体弹孔方案

如果将缺陷设为弹孔形式，则RCS增强效果不明显。 10个六面体弹孔的计算模型及计算结果如图10所示，其位置、角度随机。整体均值在0.004m2左右，若要达到预期的增强效果，需进一步增加缺陷的数量。

（5）表面电磁缺陷方案

横向缝隙缺陷对RCS的增强效果分析。当目标表面形成缝隙缺陷时，表面行波在缝隙处由于电磁不连续而产生后向回波散射。缝隙散射与缝隙的间隙、台阶以及深度存在一定的相关性。本节对典型缝隙进行仿真计算。

设置6种不同参数的状态如下：（1）0.2mm宽，0.5mm深（浅裂纹）；（2）0.5mm宽，0.5mm深；（3）0.5mm宽，2mm深（蒙皮砸穿）；（4）1.5mm宽，2mm深；（5）0.2mm宽，2mm深，0.5mm台阶；（6）0.2mm宽，2mm深，1mm台阶。

在低散射平台上设置缝隙，缝隙长度300mm，并对局部网格加密，如图11所示在低散射平台上设置缝隙及局部网格加密示意图。各状态RCS计算结果如图12所示。

由计算结果可知，0.2mm宽度缝隙，X波段RCS约-30dBsm。增大缝隙宽度，导致RCS增大。当缝隙宽度增大至1.5mm，产生RCS峰值-26dBsm。另一方面，增大台阶，RCS迅速增大。对于0.2mm缝隙，台阶1mm，RCS可达-22dBsm。

在RCS特性上，缝隙在前向方位上产生峰值，超过一定方位角后，RCS迅速下降，增大效率不高。

3结论

通过对比分析几种不同RCS增强方案的仿真结果，可以得出以下结论：在同一方位角方向上射击，采用端射可以有效增强该方位上的RCS；采用弹头形状的RCS增强效果比采用弹孔的RCS增强效果要好；弹头分布密集的RCS增强效果比弹头稀疏的RCS增强效果要好；采用多边形状弹坑的RCS增强效果优于球形的RCS增强效果；电磁缺陷对低RCS目标前向具有RCS增强效果。

参考文献

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[10]Brett S N. Lockheed Martians affordable stealth[M]. USA：National Press Club，2000.

（责任编辑王昕）

作者简介

徐顶国（1985-）男，博士，高级工程师。主要研究方向：飞行器总体设计与武器系统总体设计。

Tel：18182420878

E-mail：xudingguo2003@126.com

魏子豪（2001-）男，学士，主要研究方向：自动化。

骆盛（1986-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：武器系统总体设计。

刘钧圣（1979-）男，硕士，研究员。主要研究方向：导弹武器系统总体研究。

王军（1977-）男，博士，研究员。主要研究方向：空地导弹武器系统研究。

赵军民（1980-）男，硕士，研究员。主要研究方向：空地导弹武器系统研究。

Study on the Method to Enhance the Scattering Characteristics of the Low RCS Targets

Xu Dingguo1，*，Wei Zihao2，Luo Sheng1，Liu Junsheng1，Wang Jun1，Zhao Junmin1

1. Xian Modern Control Technology Research Institute，Xian 710065，China 2. Beihang University，Beijing 100191，China

Abstract： The emergence of stealth aircraft puts forward better requirements for the combat capability of missiles. Increasing the scattering characteristics of enemys stealth aircraft is an important development direction of antistealth technology of the future missile. In order to enhance the scattering of the low RCS target， this paper is based on electromagnetic theory and anti-stealth technology of missile， several different enhancement schemes are designed. The scattering characteristic and the enhancement effect at deferent band and azimuth are calculated and analyzed with FEKO software， based on multilevel fast multiple method （MLFMM）. The conclusion provides reference for the development of anti-stealth technology and smart missile in the future.

Key Words： stealth aircraft； anti-stealth； RCS； MLFMM