面向光/電孔徑的低雷達散射載體設計技術

楊沛斌，宗顯政，張紫瀟，耿思琦

(1.航空工業第一飛機設計研究院 西安 710089；2.電子科技大學電子科學與工程學院 成都 611731)

當前，機載、彈載、艦載甚至車載等各種平臺的應用，對包括射頻、紅外、激光等傳感器系統提出了雷達隱身的需求，由平臺向傳感器完成隱身指標的分配(包括頻段、空間方向、極化、單站回波電平等)，然后傳感器根據總體指標進行電性能及隱身性能的綜合平衡設計。

傳感器在設計階段一般難以得到平臺的整體模型，但又不能僅基于傳感器本身去直接評估，這是因為脫離載體后，設備的硬邊界，包括邊緣、原本被屏蔽的內部結構所產生的電磁散射往往極為強烈，與真實裝機狀態下對整個平臺的散射貢獻相去甚遠。因此，必須尋求一種可以替代進行等效評估的新的載體平臺即“低雷達散射載體”來輔助設計與分析。將光/電孔徑或其他結構安裝于低散射載體，并進一步對縫隙、臺階等進行模擬，能較充分地反映孔徑邊緣、內腔結構的新增散射，使結果更貼近實際的貢獻值。

就此方面的研究工作，以載體本身的設計方法作為主要研究對象的研究極少，主要是針對飛行器臺階縫隙，即雷達散射截面積(radar cross section,RCS)進行特定低RCS 載體應用的討論[1-5]，或是面向進氣道評估給出對應的低散射載體設計，即主要用于飛行器局部結構細節的評估[6]。而從國內專利檢索情況來看，僅檢索到的兩項專利，涉及載體與待測件的組合測試方式，簡單給出了樣式示意[7-8]。但上述文獻均未深入研究及歸納總結低雷達散射載體的設計方法與設計過程。

通過公開渠道所能獲得的低散射載體，目前僅有NASA(National Aeronautics and Space Administration)杏仁核、半NASA 杏仁核等少量的幾款標準體(benchmark)可供參考[9]，但其RCS 的電平深度有限，適用性也有限(表面曲率的限制)。同時，由于該項技術的專用性，傳感器研制單位一般僅針對自身系統的需求單獨進行低散射載體設計，給出的模型無法應用于其他傳感器，不具備通用性。

因此，目前還亟待對低雷達散射載體本身的設計技術進行研究與總結，以形成成套的方法，積累數據，從而服務于各種平臺。為此，本文從電磁散射的基本原理及建模方法出發，研究并總結了低散射載體的設計方法和流程，并展示了相關技術的有效性，從而為相關工程應用提供借鑒。

1 散射基本原理及電磁建模方法

1.1 高頻散射貢獻分析

低RCS 載體設計的主要理論依據為電磁場理論中的相關散射原理，包括諧振區散射、高頻散射等。在設計過程中，應結合不同的基礎外形及技術要求，借助這些原理進行散射源分析，并對特定頻段、方向、極化進行優化。

對于純金屬結構的低散射載體設計，多數頻段中涉及的高頻散射機理及抑制對象主要包含：鏡面反射、邊緣繞射、尖頂繞射和爬行波繞射等[10-11]。

1)鏡面反射

當電磁波照射到電大、光滑的目標表面時，會發生較強的鏡面反射。根據斯奈爾定理，反射波的大部分能量將集中在和入射角相等的反射角的方向上，而其他方向上的散射場強度很小，并且入射方向越接近反射點的本地法向，對應的散射主瓣的強度也會越大。

鏡面反射強度取決于入射角等于發射角的鏡面反射點處的曲率半徑，一般而言，鏡面散射通常與極化無關。

2)邊緣繞射

當電磁波入射到目標的棱邊時，如平板或曲面邊緣等結構，目標邊緣將對入射電磁波產生繞射，且在邊緣上會產生無數條繞射線，其分布以及繞射強度遵循凱勒圓錐及繞射強度定理。繞射錐的半角等于入射線與邊緣間的夾角，但是兩個分量具有不同的繞射系數[11]。

3)尖頂繞射和角點繞射

當電磁波入射到尖頂或角點上時，產生的繞射為尖頂繞射，它的散射強度較小，一般來說是一種弱散射源。

4)爬行波繞射

當電磁波照射到物體上時，有一些入射線正好與物體表面相切，把物體分為照明區和陰影區。幾何光學陰影區中往往還存在爬行波的貢獻，相切于表面的入射線將沿陰影區表面“爬行”，邊傳播邊向外輻射。爬行波的強度與入射電磁波的極化存在較強的關聯性[11]。

基于這些機理，金屬構型的低雷達散射載體的設計，實際上是通過轉移、抑制、相消等過程，實現散射功率在空間中的重新分配。

另外，部分場景中，還將在金屬構型的基礎上主動應用吸波材料，如在低頻段引入吸波套、在高頻段進行表面薄噴涂等。其中材料與電磁波的相互作用，除了上述機理之外，更多地還將涉及吸收、折射及表面波抑制等機理，特別是通過吸收將能量轉換為熱，以及降低駐波效應。

在低散射載體的設計過程中，一般關注兩個方面的因素：

1)阻抗特性；

2)損耗電參。

通過阻抗調節(與材料的相對介電與磁導率有關)及分層化(獲得阻抗漸變，表面處的阻抗與空氣的相對接近)設計，可使得電磁波在寬帶范圍內更易于深入材料內部，同時通過電和磁損耗角正切的綜合控制，盡量使得材料有較大的吸收率。吸波材料的綜合損耗為：

式中， t anδE為 電損耗角正切； t anδM為磁損耗角正切； ε′為 相 對介電常 數； ε′′代 表傳輸中 的 電能損耗； μ′為 相對磁導率； μ′′代表傳輸中的磁能損耗。

1.2 電磁建模及仿真方法的選擇

低散射載體全頻段電磁散射問題的顯著特點是尺寸覆蓋從諧振到電大，并可能涉及吸波材料涂覆、吸波套局部包裹等金屬-介質復合模型。由于計算量大、精度要求高，在設計階段必須選用合適的算法。有限元方法精度較高，但考慮到基于該類方法的商業軟件在計算電大尺寸上的能力和效率不足，采用基于積分方程的方法是更佳的選擇[12-14]。

而針對上述不同的低散射載體類型，在積分方程技術框架內，可采用不同的算子方程，包括：常規的混合場積分方程(combined-field integral equation, CFIE)、阻抗邊界條件技術(impedance boundary condition, IBC)、電磁流混合場積分方程(jm-combined-field integral equation, JMCFIE)等。其中，常規的CFIE 結合多層快速多極子方法(multilevel fast multipole algorithm, MLFMA)及并行技術，主要用于對純金屬低散射載體的仿真計算，為兼顧收斂速度及精度，需要選擇恰當的電場積分方程(electrical field integral equation, EFIE)及磁場積分方程(magnetic field integral equation, MFIE)比例因子。IBC 技術可適用于噴涂型吸波材料，無須單獨對材料實施幾何建模，完全依附于原有的金屬或其他介質體表面，但存在適用的角度及厚度范圍[15]。

而基于表面等效的電磁建模技術，主要針對大范圍可視為均勻介質體材料的電磁建模，未知量僅位于結構的表面，較傳統體積分能極大地降低問題的計算規模，可用于對前述吸波套(一般由泡沫等制成)等材料的仿真。

為確保仿真結果的可靠性，一方面可結合具有解析解的特定問題(如多層媒質球體)來進行驗證，同時也可結合低成本模型的實測結果進行比對。

2 基本設計流程

2.1 一般性要求

常見的純金屬結構低散射載體，多數為帶尖頂的且扁平化流線型造型。在設計時，一般截取平臺蒙皮的局部結構做自然延伸。對于同一個光/電孔徑，為兼顧平臺研制單位對不同頻段、角域、極化所分配的技術要求，往往需要設計多個載體。

載體的尺寸既與光/電孔徑大小直接相關，也與所關心的雷達波頻段有關。如果光/電孔徑較大或雷達波頻段較低，則符合技術要求載體的尺寸也可能較大，雖然可能不影響數值仿真評估，但是給后續加工及測試成本帶來很大的壓力。因此，考慮到實際測試場地的限制，對于低頻段來說，也經常需要在金屬載體的局部運用吸波材料，其具體方式需在設計階段確定。

一般來說，對于光/電孔徑預期的RCS 技術要求所設計低散射載體的RCS 電平應低一個數量級即10 dB 左右，以便于體現孔徑自身的貢獻。如果要求不是特別苛刻，在常見的中、高頻段，即S、C、X 較為容易滿足；反之，優化設計工作可能較為耗時，甚至可能需要借助吸波材料在局部予以改善(如采用吸波套進行頭部或尾部的加載)。而對于低頻段來說，如P、L 波段，由于載體的諧振效應可能更加明顯，往往RCS 電平整體較高，技術要求可適度放寬。

2.2 設計方法邏輯

低RCS 載體設計的輸入條件主要包含以下兩個方面。

1)平臺局部數模文件

低RCS 載體用于測試及評價光/電孔徑的貢獻，通過優化設計的載體應包含(保留)平臺局部的表面狀態，如安裝曲率、相對姿態、物理邊界、相鄰部件間的關系等。

2)低RCS 載體設計的性能要求

性能要求通常包含頻段、空間角度域(方位與俯仰)、極化上的RCS 平均值量級。

基于上述原理，一般的研發邏輯關系(包含要求、構成、機理、流程等)及工程研制過程如圖1所示。對不同散射機理的RCS 峰值或高電平貢獻，應采取不同的抑制措施。對于所設計的載體，在最終的制備中，根據其類型、尺寸等采用數銑或鈑金工藝。

圖1 低散射載體研制邏輯框圖

以飛行器為例，一般來說，對同一個結構造型，前向、側向與后向不同角域不能完全兼顧。為了最大限度節約成本，載體的設計應在同一個角域內盡量兼顧雙極化、全頻段的RCS 技術要求，避免設計過多的載體來服務同一個考核角域的光/電孔徑。因此，為使載體對于全頻段、“全方向”(剔除部分鏡面反射方向)以及兩種極化都有較好的低散射效果，必須綜合前述的多種抑制措施。

實際設計工作中，因為本質上這種反演問題的解并不唯一，為使載體性能達到使用要求，需要不斷進行“仿真—優化—再仿真—再優化”的迭代過程。

2.3 分區設計考慮

迎風方向及其附近的前向角域內的技術要求總是最嚴苛的?；谏⑸浞较蚩刂频妮d體設計技術，首先是必須要通過外形設計使鏡面反射及邊緣繞射等強散射偏離關心角域，如圖2 所示。典型的做法是采用尖頂結構，并將尖頂兩側的直邊緣進行后掠，同時將平面后傾即扁平化，這有利于進一步降低等效反射面積、偏轉反射方向。

圖2 基于鏡面反射的角度控制

一般來說，在詳細的設計過程當中，可進一步細分多個區域進行考慮，包括前部、中部以及后部或尾部。

對于前部設計而言，理論上尖頂的夾角越小，越能使更多的電磁散射能量擴散到考核角域以外的空間中。但實際應用中，在孔徑尺寸確定的情況下，尖頂夾角越小，為保證孔徑的安裝空間，會導致所設計的載體尺寸過大，不利于仿真和加工。故該角度的初始值選擇可小于90-α，其中α 為技術要求的角度考核范圍，如前向要求角度范圍為-45°～45°，則α 為45°。即要求尖頂夾角兩條邊的法向方向(散射峰值方向)盡量偏離要求考核范圍。

之后還需要優化高階的散射源，主要為各種繞射能量，包括邊緣繞射(面的一階及二階不連續邊緣繞射)、爬行波繞射、尖頂繞射等。在對前部進行曲面構造時，應盡可能保證曲面表面光滑，減少不連續點，并最大限度將朝向考核區的爬行波路徑去除。

而在中部設計中，可運用光滑曲面進行閉合，并去除面的不連續造成的邊緣繞射。曲面應盡量滿足二階連續，選用工業界廣泛采用的非均勻有理B 樣條曲面，并借助相關的連續性技巧。

當水平主分量(horizontal to horizontal, HH)極化波入射時，由于載體的邊緣與電場方向共面，將導致載體邊緣產生行波感應電流，如圖3 所示。載體為水平放置，入射波從尖部入射，電流遇到不連續性會產生反射，因此中部區域及其前后銜接處也應保持光滑過渡。而在后部設計中，為減小該區域對于考核區內遠場平面波入射方向的投影，應盡可能選用從大曲率半徑曲面過渡到小曲率半徑曲面進行收尾處理，盡量不增加前向等效投影面積。與前、中部的設計類似，該區域曲面也應盡量滿足高階連續以消除不連續邊界繞射。對于其他方向角域的載體設計，方法及過程類似，本文不再贅述。

圖3 HH 極化照射下的行波感應電流

2.4 具體操作

上述設計原則及目標的實現離不開幾何建模及修型，可主要借助曲面構造能力強大的CATIA及UG 等主流軟件。以CATIA 為例，典型的步驟包括以下5 步。

1)曲面粗處理

確定待評估部件在平臺上的位置，對原蒙皮進行部分切割。

2)創建線條化草圖

需保證在草圖中構建的曲線與曲線、曲線與直線均理想“相切”。

3)曲面繪制

使用“多截面曲面”和“填充曲面”兩個操作將曲線初步繪制成曲面。

4)封閉實體

使用“接合”操作將所有曲面結合成整體，之后再使用“封閉曲面”。

5)局部修型

完善局部細節，確保上述過程所形成的曲面沒有存在不需要的一階以及二階不連續的情況(有意為之的直邊緣除外)。

步驟2)和步驟4)的操作流程如圖4 所示。高質量的造型對于其后的電磁仿真的收斂性及精度均具有較大的影響。

圖4 CATIA 中的造型操作

3 設計案例及效果分析

3.1 案例1

1)輸入條件及初步設計

以圖5 中所示的典型的六邊形天線孔徑為例，其縱向長度約0.3 m，前部內角約70°?；谄湓O計出用于前向±20°角域評估的載體，且在L、S、C、X 波段典型頻點的RCS 均值分別低于-40、-46、-53、-52 dBsm。

圖5 待匹配低散射載體的某六邊形天線孔徑

基于CATIA 進行結構設計，載體長度初設為2.0 m，給出不同長寬即對應不同張角的效果，如圖6 所示，均采用并體現了前述的前、中、后分區設計原則。從中可以看出載體張角與其直邊緣鏡面強散射方向之間的對應關系，也部分印證了前述的高頻散射機理。在商用軟件中借助MLFMA 進行全波仿真，如圖7 所示。

圖6 不同張角的載體設計

圖7 不同張角對應的單站RCS 峰值的變化

2)仿真結果

對該模型作進一步優化，在中、后部區域遵循前述的各種技術原則。通過多次結構迭代及數值仿真，最終的外形如圖8 所示，其長度約為2.1 m。與圖6 相比，該模型在中后部的厚度維方向具有更加光滑的過渡，有利于在整體上降低HH 極化的散射。

圖8 進一步優化設計模型

以下分別給出該模型在L、S、C、X 頻段典型頻點(采用各頻段中心頻率)條件下在方位面(即球坐標系中theta=90°)內部分前向角域的單站RCS曲線，包括HH 極化及VV 極化，如圖9 所示。由圖可見兩種極化的RCS 整體趨勢類似，且均具有較低的電平值。

圖9 典型頻點方位面RCS 曲線

當重點關注前向±20°角域范圍時，各典型仰角不同極化RCS 均值統計如表1～表4 所示。

表1 freq=1.5 GHz 時，RCS 均值

表2 freq=3.0 GHz 時，RCS 均值

表3 freq=6.0 GHz 時，RCS 均值

表4 freq=10.0 GHz 時，RCS 均值

由上述曲線及表格中的數據可知，如圖8 所示的載體模型已具備了極佳的低散射特性，完全可用于該六邊形射頻孔徑的散射特性評估及測試。

3.2 案例2

1)輸入條件及造型設計

以圖10 中所示的六邊形光學孔徑為例，其縱向長度約0.35 m，前部內角約100°。希望基于其設計出用于前向±30°角域評估的載體，且在L、S、C、X 波段典型頻點的RCS 均值分別低于-26、-37、-44、-48 dBsm。

圖10 待匹配低散射載體的某六邊形光學孔徑

同樣按照前述的方法及路徑，開展載體設計，優化后的造型如圖11 所示，其前后的尺寸約1.6 m。

圖11 低散射載體幾何模型

2)仿真結果

該載體模型在L、S、C、X 頻段典型頻點(同樣采用各頻段中心頻率)條件下，在方位面內考核角域的HH 及VV 極化單站RCS 曲線如圖12 所示。

圖12 典型頻點方位面RCS 曲線

在考核角域范圍時，各典型仰角不同極化RCS 均值統計分別如表5～表8 所示。

表5 freq=1.5 GHz 時，RCS 均值

表6 freq=3.0 GHz 時，RCS 均值

表8 freq=10.0 GHz 時，RCS 均值

由曲線及統計數據可知，圖11 載體模型由于尺寸縮小，在低頻段的RCS 相比第一個案例的情況有所抬升，符合一般的散射規律，即低頻諧振效應會逐漸增強。但其在L、S、C、X 全頻段整體的低散射特性同樣較好，也達到了本光電孔徑的散射特性的評估測試需求。

上述兩例中所給造型也可供其他機載背部光/電孔徑(如衛通、UV 電臺，等等)的低雷達散射載體設計所參考。

4 結 束 語

本文全面研究并歸納了服務于天線等光/電孔徑雷達隱身的低散射載體的應用意義、物理機理、設計的一般思路及詳細過程，并通過具體案例進行了展示，限于篇幅，并未對位于頭部、前緣等其他位置孔徑的載體，以及特殊環境應用下的純吸波載體進行展示，但方法與過程類似。本文對平臺及系統級工程設計人員而言均具有較大的參考價值。從所給天線孔徑及光學孔徑這兩個案例的仿真結果來看，載體在全頻帶均具有很低的RCS 值，能夠滿足典型孔徑的隱身設計評估及測試需要，充分證明了所給設計路徑的正確性。后續，在此方向還可以更加深入研究的工作包括：1)純介質型低散射載體設計；2)吸波材料在低散射載體設計中的應用及優化；3)低散射載體的極快速優化；4)低散射載體在低頻段的性能提升方法等。