飛行器座艙RCS可視化計(jì)算方法研究與分析

根據(jù)分層媒質(zhì)理論［1］和圖形電磁學(xué)理論［2］，得到并驗(yàn)證了一種新的分析和計(jì)算座艙RCS的方法.低RCS座艙罩表面的散射場(chǎng)利用圖形電磁學(xué)計(jì)算方法(GRECO)求解，其中邊緣效應(yīng)利用增量長(zhǎng)度ILDC方法估算；艙內(nèi)結(jié)構(gòu)散射分析，應(yīng)用分層媒質(zhì)理論得到介質(zhì)艙罩反射系數(shù)和傳輸系數(shù)，同時(shí)采用能量分布調(diào)制和隨機(jī)相位加權(quán)的方法計(jì)算艙內(nèi)結(jié)構(gòu)散射；在本文的最后給出了數(shù)據(jù)分析結(jié)果.
　　關(guān)鍵詞:分層媒質(zhì)理論；圖形電磁計(jì)算(GRECO)；C-R幾何樣條；隨機(jī)相位加權(quán)；能量分布調(diào)制

The Radar Cross Section of Aircraft Cabin Visualization Calculative Method

JIANG Xin,NIU Bao-qiang,WANG Bao-fa
(Department of Electronic Engineerng,Beijing University of Aeronautics & Astronautics,Beijing 100083,China)

　　Abstract:Based on the layered-media wave theory and Graphical Electromagnetics Theory,a method of analyzing and calculating the Radar Cross Section (RCS) of aircraft cockpit targets is presented and verified.The cabinsur face scattering fields are obtained by using Graphical Electromagnetic Computation (GRECO),including cabin wedge scattering fields computed by ILDC method.The reflectance coefficient and the transmittance coefficient are obtained by using the layered-media wave theory.Then amplitude and phase weighing method,called Energy Modulation and Random Phase Weighting method,are used for calculating the structural scattering fields caused by the objects in the cabin.Numerical results for aircraft cabins are provided at the end of this paper.
　　Key words:layered-media system;graphical electromagnetic computing (GRECO);C-R geometrical spline;phase-weighting method;energy modulation method

一、引　　言
　　眾所周知，常規(guī)飛行器座艙為飛機(jī)正前方較強(qiáng)的散射源之一.為減小這部分對(duì)總RCS的貢獻(xiàn)，常采用帶導(dǎo)電鍍層復(fù)合艙罩及外形隱身措施.本文利用C-R樣條函數(shù)建立對(duì)座艙幾何外形描述，進(jìn)而得到可視化電磁散射模型，利用圖形電磁計(jì)算方法(GRECO)計(jì)算帶有隱形金屬鍍膜座艙罩表面的散射特性.座艙內(nèi)電磁散射分析十分復(fù)雜，本文應(yīng)用分層媒質(zhì)理論得到反射系數(shù)和傳輸系數(shù)，采用幅度和相位調(diào)制的方法，即能量調(diào)制和隨機(jī)相位加權(quán)的方法，計(jì)算艙內(nèi)結(jié)構(gòu)散射；其散射總場(chǎng)通過各場(chǎng)依相位迭加得到，在工程上有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

二、目標(biāo)圖像生成和可視化計(jì)算
　　低RCS座艙罩外形必須兼具氣動(dòng)及電磁散射特性兩方面的要求.先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)多采用流線形剖面的水滴狀結(jié)構(gòu).通常沒有一個(gè)解析形式的數(shù)學(xué)模型能描述其幾何外形構(gòu)型.為此，從座艙截面型值點(diǎn)數(shù)據(jù)，以Catmull-Rom［3］曲面進(jìn)行擬合，本文采用近年來發(fā)展起來的C-R幾何連續(xù)樣條函數(shù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行幾何建模.
　　圖1(a)、(b)是利用C-R樣條對(duì)某外軍先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)座艙網(wǎng)柵圖插值擬合前后對(duì)比，前者有184個(gè)頂點(diǎn)，354個(gè)面；后者2764個(gè)頂點(diǎn)，5514個(gè)面.

　實(shí)際上，分層媒質(zhì)的反射系數(shù)、傳輸系數(shù)和吸收系數(shù)可表示為

　(8)
　(9)
　(10)

　　2.能量分布調(diào)制法［6］
　　鑒于雷達(dá)波穿過艙罩進(jìn)入艙內(nèi)，由艙內(nèi)散射體散射到艙外空間過程中，至少兩次穿透艙罩結(jié)構(gòu)，利用分層媒質(zhì)散射矩陣和能量、相位加權(quán)，考慮到艙內(nèi)射線物理過程產(chǎn)生的隨機(jī)性，在艙內(nèi)后向散射的RCS求解中引入了隨機(jī)因素.利用隨機(jī)因數(shù)生成程序+應(yīng)用程序，從而獲得良好的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.
　　假設(shè)透過艙罩進(jìn)入座艙的能量為ε，由于艙內(nèi)人體、頭盔、座椅以及儀表框架等物體的散射，該能量被隨機(jī)地在方位角(φ0,φ0)和俯仰角(θu,θd)范圍內(nèi)散布.相當(dāng)于以某一能量分布函數(shù)F(θ，φ)對(duì)均勻擴(kuò)散情況下的平均能量進(jìn)行調(diào)制加權(quán)，使能量分布與實(shí)際情況更逼近.F(θ，φ)可視不同機(jī)種的情況，通過分析和測(cè)試予以確定.在此種情況下，艙內(nèi)電磁能量密度的分布可表示為：

(θ,φ)=εF(θ,φ)/∫θdθu∫θ0-θ0R2sinθdφdθ
=εF(θ,φ)/［2R2φ0(cosθu-cosθd)］　(11)

因此，在某方向(θ，φ)上由引起的RCS值為：

σ(θ,φ)=lim［4πR2(θ,φ)/|Ei|2］
=2πεF(θ,φ)/［φ0(cosθu-cosθd)］　(12)

考慮到雷達(dá)波經(jīng)過艙罩進(jìn)入艙內(nèi)，由艙內(nèi)物體散射回艙外空間的過程中，兩次穿透艙罩結(jié)構(gòu)，勢(shì)必產(chǎn)生能量損耗，于是

(θ,φ)=εF(θ,φ).β/［2R2φ0(cosθu-cosθd)］
σ(θ,φ)=2πεF(θ,φ).β/［φ0(cosθu-cosθd)］ 　(13)

式中β為衰減因子，且β正比于艙罩透射系數(shù)的平方.式中F(θ，φ)必須滿足

∫θdθu∫φd-φ0F(θ,φ)sinθdθdφ=2φ0(cosθu-cosθd)　(14)

由于

∫θdθu∫φd-φ0(θ,φ)R2sinθdθdφ=ε

令

則

σ(θ,φ)=4πεβF0(θ,φ)/∫∫F0(θ,φ)sinθdθdφ　(15)

　　式(15)中F0(θ，φ)的選取應(yīng)根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定.例如，對(duì)均勻分布而言F0(θ,φ)=1，而對(duì)高斯分布和對(duì)數(shù)分布情況下，分別為FG0(θ，φ)和FL0(θ,φ):

式中ξ和α為分布參數(shù).在確定F0(θ，φ)之后,式(15)可用來解艙內(nèi)散射對(duì)某給定方向的RCS值σ(θ，φ).艙內(nèi)結(jié)構(gòu)散射以及艙外金屬面部分構(gòu)成總的面效應(yīng)場(chǎng)Esf，棱邊部分則構(gòu)成總的邊緣散射場(chǎng)Esw.

四、座艙總散射場(chǎng)
　　艙內(nèi)結(jié)構(gòu)散射以及艙外金屬面部分構(gòu)成總的面效應(yīng)場(chǎng)Esf,棱邊部分則構(gòu)成總的邊緣散射場(chǎng)Esw.其RCS值為

　(16)

五、數(shù)值結(jié)果分析
　　對(duì)于帶有鍍層厚度在40～80Å的有機(jī)玻璃(其厚度為10mm，相對(duì)介電常數(shù)和導(dǎo)電率各為εr=2.62,μr=1)，薄膜的導(dǎo)電率取為5×106(1/Ω.m)，則在垂直入射時(shí)電磁反射率與鍍層厚度的關(guān)系如圖3和圖4所示.