无人机雷达散射截面的数值模拟及突防分析.doc

无人机雷达散射截面的数值模拟及突防分析张宏武哲( 北京航空航天大学 飞行器设计与应用力学系)摘 要 用数值模拟的方法获得了无人机雷达散射截面的空间分布, 建立了无人机突防的数学模型, 并对其突防能力进行了分析.关键词分类号无人驾驶飞机; 雷达反射; 数值模拟; 雷达散射截面959. 73TN某小型无人机蒙皮采用玻璃纤维复合材料, 但其主要受力部件 (如翼、梁等) 和机载设备都是金属的, 因此该无人机的雷达散射主要来自机内金属部件. 本文通过对该无人机在外场所进 行的多个波段和多种姿态角的雷达散射截面 (R C S) 测试, 探讨用数值模拟的方法求得其全空域的 R C S 分布, 并针对假想的防空系统, 对其突防能力进行分析.数值模拟原理及算法由于该无人机的尺寸远远大于测试雷达波长, 因此采用的基本 R C S 计算方法是物理光学 法. 在计算复杂目标的雷达散射截面时, 一般将其分解成许多独立的散射体, 这些独立散射体 的多数仍处于光学区, 再忽略掉各部分之间的耦合散射, 此时, 总的雷达散射截面就是各部分 散射截面的矢量和. 经过对该无人机散射源的分析, 在大多数情况下可分解为平板、圆柱、棱 边、光滑曲面及尖点等散射体.数值模拟算法:1) 坐标系选取常规机身坐标系作为目标总体坐标系. 而分解的各个 散射体都有自己的局部坐标系 (如图1所示).1平板类散射体的 R C S 计算2)任一光滑表面金属物体的 R C S 平方根物理光学表达式1为k ∫n r e r × h iej k rr ( i- s) dS(1)Ρ = - jΠS式中j —— 复数因子; n —— 散射体的法向单位向量; er ——接收器的电极化方向; h i —— 沿入射磁场方向的单位向量;r —— 表面单元 dS 的位置矢量; i—— 入射方向的单位矢量;s ——指向散射方向的单位矢量.以严格计算.这个积分仅在少数情况下可图1 总体和局部坐标系收稿日期: 1995211221 第一作者男 30岁 工程师 100083 北京第2期张 宏等: 无人机雷达散射截面的数值模拟及突防分析195对于平板单元, 表面上任一点的位置矢量为r = r 0 + x x + y y(2)式中 r 0 为平板上的局部坐标系原点相对于总体坐标系的位置矢量. 此时, 式 (1) 中随表面变化的唯一项是相位项, 所有其它项都是常数. 对于矩形平板, 积分计算特别简单, 其结果为1 kL r ( i -1 kW r ( i - s )s )sinsinΡ = - j kL W n r e r × h ie j k r0 ( i- s) ×22×(3)1 kL r ( i - s )1 kW r ( i - s )Π22式中 W 和L 是沿平板的宽度和长度方向上的矢量, 同时具有长度和方向的特征. 对于后向散射, i= - s, 因些 (3) 式还可以简化.对边缘的散射可用等效电磁流法计算, 任取一个边缘, 其等效电磁流2 为fI e = 2 j (E i r tv )e j k rr i0Z k0(4)Z 0 gIm = - 2 j (H i r tv )ej k rr i0k其 中f —— 水 平 极 化 边 缘 物 理 绕 射 系 数; g —— 垂 直 极 化 边 缘 物 理 绕 射 系 数; Z 0 =Λ0 ƒΕ0 ——自由空间中的阻抗; k ——自由空间中的波数; tv ——第 v 个边缘方向的单位矢量;E i0 ——不包括相位的入射电场矢量; H 0 ——不包括相位的入射磁场矢量.i由远场电磁积分公式可得该边缘的后向绕射场为E d = - j k Ω∫0 [ Z 0 I e s × (s × tv ) + Im s × t ]1 e- j k rrs dzsinlj kRe式中 Ω0 = 为远场格林函数. 取一个局部坐标, 即令4ΠRr = r 0 + z tvr 0 是该边缘中点坐标位置矢量, 则有其中 l 2Ω0 sin Η∫-2 E dii- j z k rrsl [ E 0 r tv ) f s × (s × tv ) -Z 0 (H 0 r tv ) g s × tv ev =dz =22Ω0 lv [ (E i- j z k r0rs s in (k lv r s )0 \ 5 tv ) f s × s × tv ) - Z 0 (H 0 r tv ) g s × tv eisin Ηk l r sv3) 圆柱类散射体的 R C S 计算对于圆柱, 用物理光学积分来计算, 可在局部圆柱坐标系中进行, 此时积分面元是 dS =a d