基于载体对消方法的腔体类目标散射特性研究.pdf

http:/DOI:10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0428基于载体对消方法的腔体类目标散射特性研究艾俊强1，娄长玉2，赵京城2，*，张扬1，李家碧2(1.航空工业第一飞机设计研究院，西安710089；2.北京航空航天大学电子信息工程学院，北京100191)摘要：进气道等腔体类目标散射是隐身飞行器散射的重要组成部分，已有的腔体类目标散射研究并未给出装机后腔体类目标散射特性的结果。将载体对消技术应用于腔体模型的电磁散射计算中，可有效消除腔体外表面散射，获得更精确的腔体内部散射特性。构建了封闭口面和填充吸波材料的 2 种腔体模型，通过腔体模型的点频雷达散射截面（RCS）、一维像和二维像验证了载体对消技术的有效性和准确性。数值计算结果表明，入射电磁波在 6090角度范围内，腔体内部散射对腔体总散射的贡献较小，腔体外表面散射贡献较大，在90处相差 30dB 以上。分析此角度范围的进气道等腔体类目标内部散射时，须有效消除腔体外表面影响。关键词：隐身飞机；腔体内部散射；载体对消；数值计算；雷达散射截面中图分类号：V221+.3；TB553文献标志码：A文章编号：1001-5965（2023）06-1270-08近年来，雷达散射截面(radarcrosssection，RCS)1-2缩减技术不断蓬勃发展，对于隐身飞机而言，进气道3的散射通过采用 S 弯和涂敷吸波材料4等技术已降至很低，但缩减技术较为复杂，导致进气道系统比较脆弱，一旦某部分出现问题，进气道仍然会变成强散射源。因此，研究进气道等腔体类目标的散射特性具有重要意义。腔体类目标内部散射的评估必须依托载体进行，包括数值计算和实验测量 2 种方法5-7。其中，矩量法可精确求解电尺寸较小的散射体8。为准确分析腔体散射特性，本文使用 FEKO 仿真软件，采用矩量法对小尺寸腔体进行数值计算。腔体类目标散射包含腔体外表面散射和腔体内部散射 2 部分，腔体外表面散射对装机状态的飞行器散射性能基本无影响。文献 7 给出了9090角度范围外表面涂覆吸波材料的腔体散射特性曲线，但是在6090大角度范围内，其散射曲线依然是比较明显的外表面散射特征。如何消除腔体外表面散射对腔体散射的影响对评估装机状态的腔体散射有重要意义。针对该问题，本文采用载体对消方法来研究腔体内部散射特性。载体矢量对消方法既可以在实验中应用9，又可以在仿真计算中实现。将腔体外表面视为载体背景，基于载体背景对消技术10-11，采用封闭口面和填充吸波材料 2 种腔体模型分别进行数值仿真计算。其中，对封闭口面应用载体对消技术来获得精确的腔体内部散射，并重点分析6090大角度范围内腔体内部散射特性。口面填充角锥形吸波材料的模型易于工程实现，通过该模型的点频 RCS、一维像、二维像数值计算结果来验证载体对消方法在腔体散射特性测量中的可行性。1腔体类目标评估方法原理1.1腔体类目标的散射机理由电磁屏蔽原理12可知，封闭金属腔体外加电场不影响腔体内部电场分布。进气道类腔体目标有一端开口，腔体内部散射场通过口面传播到腔体收稿日期：2021-07-28；录用日期：2021-09-10；网络出版时间：2021-09-1516：03网络出版地址： J.北京航空航天大学学报，2023，49（6）：1270-1277.AI J Q，LOU C Y，ZHAO J C，et al.Scattering characteristics of cavity-like targets based on carrier-to-cancellation methodJ.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2023，49（6）：1270-1277（in Chinese）.2023年6月北京航空航天大学学报June2023第49卷第6期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVol.49No.6外部，腔体外表面电磁场对腔体内部散射无影响。根据进气道等腔体类目标的物理结构特征，其散射机理主要分为 2 方面：当雷达波照射到腔体类目标时，腔体外表面会产生镜面反射、绕射及爬行波等响应；腔体类目标内部对入射雷达波的多次反射、绕射等响应。在装机状态下，进气道埋藏于飞机内部，腔体外表面没有电磁波照射，只有腔体内部散射对飞机总散射有贡献。但是进气道作为一个单独部件，在研制阶段只能独立存在，而且有部件评估需求，此时，外表面的散射会作为一个干扰项存在。可将腔体外表面散射视为载体的散射，将腔体内部的多次散射视为腔体类目标自身的散射。采用常规方法获得腔体类目标的总散射可视为 3 个部分13-15：腔体类目标自身的散射；载体自身的散射；载体边缘与目标之间的耦合。三者满足叠加原理，即T(f)=TG(f)+TZT(f)+TEC(f)（1）T(f)TG(f)TZT(f)TEC(f)式中：为目标的总回波；、和分别为腔体类目标自身回波、载体自身回波和载体与目标之间的耦合回波。由于腔体外表面对腔体内部的散射无影响，研究工作的重点是去除腔体外表面的散射影响。1.2载体对消基本理论本文采用的载体对消方法是将腔体外表面作为载体，通过矢量场相减的方式对消掉载体自身的散射，其公式为Efar,=EE1（2）Efar,=EE1（3）E、EE1、E1式中：为含有腔体类目标载体的电场分量；为不含腔体类目标的载体电场分量。Efar,Efar,通过 2 组方程矢量相减，得到不包含载体的散射分量和。使用 RCS 计算公式16得到腔体类目标的 RCS 散射值：=limR4|RE|2+?RE?2|Ei|2=4?Efar,?2+?Efar,?2|Ei|2（4）Ei式中：为雷达散射截面；为入射雷达波在目标处的电磁场强度；R 为雷达到目标的距离。通过式(4)可以看出，载体背景对消方法不受极化方式的限制。2腔体类目标计算模型2.1基本腔体模型根据文献 7 可知，腔体类目标有内部多次反射特性。研究腔体类目标的散射时，常采用方形腔体作为计算模型，由于研究方法基于电磁场基本规律，其他腔体同样遵循这些规律。因此，本文采用该模型进行仿真计算。D=0.11mL=0.3m采用常规方法进行仿真计算的基本腔体模型如图 1 所示，方形腔体口径尺寸，径向长度。由于计算腔体类目标散射时，只需要满足口面远场条件即可7。设置平面波从腔体口面处入射，平面波入射方向与腔体轴线在同一个平面上，如图 1 所示。用 FEKO 进行仿真计算，可得到方形腔体目标的总体散射，包含外表面散射和腔体内部散射 2 部分。本文采用载体对消技术实现腔体内部和外部散射分离。z/Ny/Vx/U图1基本腔体计算模型示意图Fig.1Schematicdiagramofbasiccavitycalculationmodel2.2基于载体对消技术的封闭口面腔体模型首先设计计算模型。根据文献 10-11 可知，研究缝隙等缺陷类散射特性可采用载体对消技术，使用不含缝隙的金属板与与含有缝隙的金属板进行矢量相减，可获得缝隙的散射特性。D1=0.11mD2=0.108mL=0.3m同理，对于腔体类目标，可采用图 2 中的方形金属腔体、不含腔体内部散射的封闭方形金属体、金属腔体口面盖板 3 部分进行矢量相减，从而获得腔体自身的散射特性。如图 2 所示，封闭方形金属体的外壁口面尺寸，内壁口面尺寸，径向长度；金属腔体口面盖板的尺寸为 0.108m；含有腔体的金属腔与封闭方形金属体的尺寸完全相同，即该金属腔体厚度为 1mm。TZT(f)TG(f)由图 2 可以看出，首先，对封闭方形金属体与金属腔体口面盖板的回波电场数据进行矢量相减，得到腔体外表面的回波数据；然后，对方形金属腔和腔体外表面的回波电场数据进行矢量相减，从而得到腔体自身散射的回波数据；最后，采用一维像、二维像数值计算方法对腔体类目标散射特性进行分析。采用封闭口面腔体模型进行载体对消，可得到理想的腔体外壁散射，但在工程测量中这种对消方第6期艾俊强，等：基于载体对消方法的腔体类目标散射特性研究1271法难以实现。由此，提出了填充吸波材料的腔体模型来进行载体对消。2.3基于载体对消技术的填充吸波材料腔体模型r=1,i=0.6;r=1.2,i=0.6首先设计计算模型。在工程实践中，可将角锥形吸波材料填充于腔体内部（见图 3），可到达较好的吸波效果。但为了 FEKO 仿真计算简单方便，采用文献 7 中吸波性能较好的吸波材料来填充金属腔体，如图 4 所示，此时，腔体内部散射被吸收较多，可忽略不计，得到腔体的外壁散射。其中，吸波材料的电磁参数为。由图 3 可以看出，工程实践中采用填充角锥形吸波材料腔体模型进行载体对消，操作方法简单，容易实现，可以达到获得较为理想的腔体外表面散射的目的。吸波效果越好，载体对消后得到的腔体自身散射特性约接近于理想情况。TG(f)由图 4 可以看出，对方形金属腔和内部填充吸波材料方形金属腔的回波电场数据进行矢量相减，从而得到方形金属腔体自身的散射回波数据，再通过一维和二维成像来验证该模型的可行性。X/Uz/Ny/V图3工程中填充角锥形吸波材料腔体模型示意图Fig.3Schematicdiagramofacavitymodelfilledwithangleconicalabsorbingmaterialinengineering0.11 m0.3 m0.3 m0.11 m绿色部分为填充的吸波材料x/Uz/Ny/Vx/Uz/Ny/V图4基于载体对消技术的填充吸波材料腔体模型示意图Fig.4Schematicdiagramofcavitymodelfilledwithabsorbingmaterialbasedoncarriercancellationtechnology3计算结果及分析3.1RCS 计算结果对比图 5 和图 6 给出了封闭口面腔体模型在水平(HH)极化状态下，入射角度范围为9090，角度间隔为 1，频率分别为 5GHz、10GHz 和 15GHz3 种情况下的 RCS 对比结果。T1(f)T2(f)根据封闭口面腔体模型散射机理，表示封闭腔体的整体散射，表示腔体口面盖板散射，两者通过载体对消技术得到腔体外侧表面散射TZT(f)。T(f)T(f)TZT(f)TG(f)表示金属腔体总体散射，与通过载体对消技术可得到腔体自身内部散射特性。TZT(f)由图 5 可以看出，6060角度范围内，腔体口面盖板散射对封闭腔体散射起主要贡献，而在6090角度范围内，腔体外侧表面散射对腔体散射有重要贡献。腔体外侧表面指的是不包含腔体口面盖板的其他外壁。T(f)TG(f)由图 6 可以看出，频率越高，入射角60范围内的腔体总散射与腔体自身散射越接近，外0.11 m0.108 m0.3 m0.3 m0.108 m0.11 m0.108 mz/Ny/Vx/Uz/Ny/Vx/Uz/Ny/Vx/U图2基于载体对消技术的封闭口面腔体模型示意图Fig.2Schematicdiagramofclosedmouthcavitymodelbasedoncarriercancellationtechnology1272北 京 航 空 航 天 大 学 学 报2023年T(f)TZT(f)壁散射对腔体总散射影响越小，该角度范围内的腔体散射主要为腔体内部的多次散射。同理，入射角9075(+75+90)范围内的腔体总散射与腔体外壁散射基本一致，说明该角度范围内的腔体散射主要为腔体外表面镜面散射、边缘散射及爬行波等散射。从 RCS 对比结果可以看出，采用封闭口面腔体模型进行载体对消，可有效地将腔体外壁散射和腔体内部的多次散射特性分离，从而得到腔体自身散射特性。在得到理想状态下的腔体自身散射特性后，对工程实践中可操作的填充吸波材料腔体模型进行FEKO 仿真验证。图 7 给出了相同的仿真计算条件下，填充吸波材料腔体模型的 RCS 对比结果。T(f)TZT(f)T(f)TZT(f)TG(f)根据填充吸波材料腔体