电磁散射与隐身技术导论大作业

电磁散射与隐身技术导论 课程大作业报告

学 院： 电子工程学院 专 业： 电子信息工程 班 级： 0211XX 学 号： *****XXX 姓 名： XXX 电子邮件： 日 期： 2014 年 06 月 成 绩： 指导教师： 关于坦克的散射来源及隐身措施手段 一．坦克的散射来源 1.坦克的几何建模 坦克是一种地面特殊武器，具有良好的装甲保护和炮火攻击能力。其外型多为不规则体，各类坦克形状有差异，下面来分析研究归类为用以下不同部件与部件的不同构型进行几何造型。 （1） 炮塔 炮塔是最具不同类型特点的坦克特征部件，主要可分为以下几种不同形状。 ①曲面体炮塔，类似于球冠形曲面，常用三次B样条曲面生成，主要参数为底缘曲线、顶曲线、主要截面曲线。 ②圆台型炮塔，形状比较规则，主要参数为下圆直径、顶圆直径、圆台高度。 ③多面体炮塔，没有规定形状，主要根据所设计各平面块组成的多面体生成，参数为各平面体边缘直线段三维端点的确定。 ④炮塔的附属件，如顶窗（有平面型、圆台型），主要参数为顶窗盖形状底缘与炮塔主体的相贯曲线的确定。 （2） 车体 车体多数为边缘与纵向轴线垂直的多面体组成，不同类型主要区别是底面有平面和曲面之分。车体前多位锐角装甲，并有挡浪板，由多面体生成，参数取决于直线段。曲面底面可用三次B样条曲面生成。 （3） 轮系 轮系为驱动履带的轮，有主动轮与从动轮之分，主要参数为各轮中心位置、轮直径、轮外端面凹形状、减重孔直径与位置。主动轮还需与对轮齿造型。 （4） 履带 履带是坦克中形状比较特殊的部件，主要是确定履带单元件形状和履带曲线链形状。履带单元件又有几种：齿条型履带，形状多半不规则的内外齿状组合体，齿形可用多面体与二次曲面近似生成。履带链曲线形状用圆弧与直线段生成，尤其重要的是确定每一个履带单元块相对于链曲线的法向安装位置，以便对履带单元块旋转适当角度与中心定位。 （5） 翼板 翼板即车体两侧护罩履带轮系的板型件，分为曲面罩板型和平板组合板型。 （6） 主炮 主炮为安装在炮塔的主炮管，其形状为多段圆管和圆台组合，只要确定各段端面圆直径，就很容易生成，注意生成的主炮构型，通常与车体有一相对角度，作角度旋转，则得到主炮在空间的三维形状。 （7） 箱体类 坦克外部通常配有多种箱体物，如工具箱、邮箱等。工具箱多为多面体，按多面体生成。 （8） 灯管类 坦克上有多种灯具，可用球面和柱面生成。其他管状物生成物方法类似。各种栏杆可用细圆柱面体组合生成。 2.雷达侦测坦克的机理 坦克在没有进行雷达隐身设计之前，其雷达截面积(RCS)数值在几十平方米到几百平方米(8 mm波段)，表1是美国某坦克RCS实测数据．可见坦克RCS随雷达俯角和目标方位角的变化，有很大的差异．对于典型的威胁雷达(波段主要是微波波段)，坦克具有电大尺寸的特点，坦克整体RCS可以看成由数个显著贡献的强散射源和数目更多的贡献较小的散射源共同构成，并且由于散射体的数目众多，随着角度的变化，各部分的贡献不断的同相反相，使得总的RCS呈现急剧的起伏特点。图1是某坦克1：10精确模型正侧面俯角l0°的整车二维成像图，该图清楚地展示了整车强散射源的分布状态，由前向后依次为：炮管(前突部分)、两侧前挡泥板、两侧大灯、驾驶员门及前侧观察镜、防盾部位、两侧烟幕弹发射器、车长门、炮长门、两侧背筐，图中的每一个波峰对应于被测坦克模型某一(或某些)强散射源所在部位。 产生雷达回波的主要结构有：方三角反射器、直二面角反射器、平面(垂直入射)、圆柱体、球体、直边缘(垂直入射)、曲边(垂直入射)、尖顶等．其中，方三角反射器(图2(a))回波最强，其次是直二面角反射器(图2(b))，圆柱体的雷达回波比平面弱，但在垂直轴线的平面内，整个360。内均具有相同大小的强回波，且能和平面组成二面角(图2(c))；方三角反射器和直二面角反射器都形成强而宽的RCS回波，其机理是雷达波经过三次、二次反射后又回到雷达入射方向；雷达波垂直入射平面时，形成非常强的RCS尖峰，偏离垂直入射时，回波急剧减小；球的散射比圆柱体还要弱，雷达在任何方向入射都产生较强的回波；直边缘(垂直入射)、曲边(垂上入射)、尖顶属于弱散射机理，但在强散射机理的结构得到处理后，也可成为影响RCS的主要原因。

坦克作为地面装备的作战主力，和飞行器的作战环境有很大不同．飞行器主要以天空为背景，没有强的杂波干扰；而坦克则在很强的地物杂波背景环境中作战。因此，现代隐身飞机的RCS都在百分之几平方米的量级，而坦克在平方米量级就可以隐身了。因此，在坦克雷达隐身初步研究中，我们着重讨论主要强散射机理结构形成RCS的减缩。传统的坦克设计师并没有考虑控制和减小雷达回波，因此坦克上存在众多的散射中心，特别是角反射器(包括方三角反射器和直二面角反射器)，这是坦克RCS的主要来源；其次是垂直雷达威胁方向的车体表面、炮塔表面以及外露部件表面形成的RCS尖峰；炮管是坦克上最长的圆柱体，它在侧面对坦克整体RCS的影响不能忽视。

二．一种以植物伪装遮挡为基础的坦克隐身措施手段 1.简介 目前战场上使用的反雷达伪装器材缺点是较为厚重、制作成本较高，虽然能够实现较好反雷达伪装，但是对其它侦查手段的伪装能力有限。而天然植被是随处可见的，材料易得到，便于短时间内采集，可根据需要与伪装遮障组成各种规格的人工植物伪装遮障，以往被用作可见光波段和红外波段的伪装措施。近年来研究发现植被的结构会扭曲雷达信号波阵面，特别是在低频波段，能够改变目标散射特征，降低SAR探测分辨率。如果能够深入了解常用植物伪装遮障与被伪装目标雷达散射相互作用特性，得到植物伪装遮障和金属目标的电磁散射规律，找到合适的植物伪装遮障结构，就有可能克服现有反雷达伪装器材缺点，并达到战场中材料易获取、对多波段侦查都具有伪装效果的目的。 2.模型的计算方法 （1）植物遮障下散射场的计算 植物遮障是重要的军事伪装手段，现代战场用于伪装车辆目标的植物遮障也是其中一种形式。见图3。其结构为上半部分使用伪装网，伪装网上放置天然植物，下半部分为非金属支撑杆的棚状结构。

图3 为了有效探测和识别植物遮障下车辆目标，需要建立具有实际物理意义的遮障模型，且必须能够保持后向散射的相位不变，从而使雷达成像成为可能。解析法只能局限于解决较低频段的简单植物模型，而且必须忽略枝干与叶片等细微结构，降低了数值准确性。随着计算机技术的发展，数值法成为普遍采用的方法。为了实现较精确仿真，本文提出建立基于频域的植物遮障模型。植物遮障的支撑杆及伪装网结构较为规则、简单，可简化为多层的电介质圆柱和水平薄介质层。依据松树模型的具体参数，在模型中树的基本结构例如树枝和树叶，分别使用细的电介质圆柱和电介质片代替。伪装遮障面是容积率小于0．87％ 的稀疏介质，此类介质中物体间的多次散射是次要的，可忽略不计。因此，对每个植物遮障内的散射体都适用单次散射理论计算，总的散射场表达为相干的所有散射体的散射叠加。总散射场值表达为

为计算植物遮障下某点的散射场，需要使用近似法 ，即：每个散射体都看作处于均匀介质中并且被均值电磁场照射，此电磁场由两部分组成：1)直接作用到散射体的场；2)地面反射后作用到散射体的场。因此，在式(1)中，是在每个散射体处计算所得平均场。 （2）车辆目标散射场的计算模型 如图4所示，对于电大尺寸的金属车辆目标来说，这个包围目标区域立方体虚拟界面的计算空间被划分为总场和散射场两部分，可看作人为加在总场和散射场间的连接面。目标结构体位于表示总场的立方体区域内。通过伪装遮障模型计算可得到此界面上各点的频域场值，并作为目标区域的入射场。同样，使用此方法可得到界面处的时域目标散射场，使用互易原理就能得到远场观察点处的后向散射场值。

图4 （3）遮障下目标远场后向散射的计算 植物遮障下的目标后向散射由两个主要部分组成。第一部分是被树林遮障衰减过的雷达透射波作用于目标后的直接散射。第二部分是包括树林遮障结构体与目标体间相互作用后产生的散射，由于两者之间的散射过程复杂，计算困难。如果简化处理，又会降低计算准确性。因此，本文提出使用互易性原理获取植物遮障下的目标后向散射场，提高计算效率和精确性；更重要的是可以避免考虑目标与植物遮障结构之间电磁场复杂的相互作用。 3.仿真结果 （1）无遮障时的角反射器RCS仿真计算 仿真计算一个处于地面上并与地面无间距的面积为3 m X 3 m金属角反射器。设定平面波频率范围分别为：15～300 MHz(VHF波段)和300—1 000MHz(UHF波段) ，为了实现精确仿真，时间步长为80．8 ps．对于频域时域混合模型，入射场首先在频域下进行计算得到区域界面处的场值，之后按照时域方法计算目标散射。图5为分别使用标准FDTD方法、本文提出的混合方法，以及迭代物理光学(IPO)+物理绕射理论(PTD)法+矩量法(MoM)，计算角反射器的雷达后向散射截面 。图5(c)和图5(d)分别是VHF波段和UHF波段目标频域计算的是各种计算方法对置于地面上方的角反射器的后向散射雷达散射截面比较。 图5 （2）无遮障卡车实测数据与仿真计算比较

使用模型号L波段雷达对目标进行RCS测量，外场环境为空旷平整柏油地面，测试目标为卡车。分别进行了目标特定角度测量，入射波的入射角为85°，极化方式为VV极化，入射波频率f=1 GHz；以及将目标置于转台上进行连续角度测量，入射波的入射角为85°，方位角为45°，极化方式为HH极化，入射波频率f=1.8 GHz．卡车的CAD模型如图6(a)所示，图6(b)为入射波频率f=1 GHz时特定角度RCS测量值与计算值的曲线图；图6(c)为人射波频率f=1．8 GHz时置于转台上的RCS测量值曲线图；图6(d)为入射波频率f=1．8 GHz时置于转台上的RCS测量值与计算值的曲线图。由两次实测曲线与计算曲线比较可知，计算曲线与实测曲线符合的较好，说明本文提出的计算方法可以较为准确的计算目标的RCS值。

图6 （3）植物遮障下的目标仿真计算 为了研究植物伪装遮障对遮障下目标RCS的影响，对上端为榆树结构植物伪装遮障，下为电大尺寸金属目标进行仿真实验。首先，以前面用到的金属角反射器(每个面为3 m x 3 m)作为目标进行仿真研究。角反射器放置在距离地面0．3 m处，地面为有耗平面介质。假设目标被顶部8棵树结构的伪装遮障覆盖(如图3所示)。支撑杆高度4m，半径为3 cm．上部的树结构由最大高度为5．3 m，树冠 半径为3 m，树冠高度为6．6m，树干半径2．5 cm，每个树结构包含约1 200个树枝。对于本次试验，采用以下系数：步长=4．2 cm，时间步长=80 ps。其它散射体的影响全部看作信号衰减系数的改变。图7是角反射器分别在有伪装遮障和没有伪装遮障情况下，在频域计算得到的RCS．图7中有伪装遮障的角反射器后向散射值并不包括植物本身产生的后向散射。如图7所示，在较低频段，伪装遮障对目标后向散射的影响可以忽略不计。然而在较高频段，伪装遮障会明显降低和扭曲目标的RCS．低于70 MHz时，伪装遮障与目标间散射的相互影响和角反射器自身的散射相比非常微小，因此目标的极化信号不会改变。在相同的植物排列下，对一辆复杂结构金属坦克进行仿真，如图8所示，计算范围为8．5m×5 m×5 m．此