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隐身技术中的雷达截面预估与控制

张鹏飞  
【摘要】: 现代战争中,飞行器和舰船的隐身性能直接决定了它们在战场上的突防能力和战斗性能。以发动机进气道为代表的电大尺寸开口腔体结构可在飞行器鼻锥方向构成很强的后向散射,对该类结构雷达截面(RCS)的单独计算分析在隐身飞行器设计当中具有重要意义。相控阵天线已成为机载和舰载先进雷达系统的必要组成部分,对于相控阵天线辐射和散射的分析计算对于隐身舰艇的设计具有重要的指导作用。本论文密切结合“十一五”国防科技预研重点项目研究了腔体结构和阵列天线的散射分析方法和RCS控制技术。所取得的成果可概括为: 1、RCS计算预处理技术研究。论文基于商业软件Rhinoceros的建模和网格剖分功能结合编写数据提取程序,完成了RCS计算中腔体和舰船的混合多边形面片建模和数据预处理,并研究了基于该模型的射线追踪、遮挡判断算法。 2、腔体的RCS计算方法研究。论文分析了理想导体以及涂敷吸波材料理想导体腔体结构的IPO迭代公式。对IPO迭代算法进行了改进:首先改进了迭代计算中腔体终端的反射计算,然后将初值继承方法引入迭代过程,并利用前后向迭代、松弛因子大大加快了迭代的计算速度和收敛速度。论文采用IPO算法编程计算了进气道模型的RCS,与测试结果吻合良好。在对电大尺寸开口腔体RCS的各种算法的计算精度和计算速度分析的基础上,为保持计算精度的同时提高计算速度,论文基于消息传递协议MPI开发了腔体RCS的SBR、CRE、IPO并行计算程序,采用大粒度任务分配策略达到了较高的并行计算效率。 3、腔体RCS控制技术研究。论文对涂敷吸波材料和采用S弯对腔体RCS的影响采用IPO计算程序进行了分析计算,并分析了将两种技术结合的腔体RCS控制技术。 4、提出了电大尺寸载体上天线辐射场的FEM/CRE-UTD混合算法。该混合方法首先采用有限元法计算天线在自由空间的辐射场。在研究了利用富勒结构的天线辐射场复射线拟合的基础上,采用复射线展开、复射线轴线追踪、近轴近似计算技术计算载体对天线辐射场的反射,并通过UTD方法计入了棱边的绕射效应,得到电大尺寸载体上天线的辐射场。 5、基于互易定理的天线模式项散射场快速计算。论文以天线的互易定理为基础,利用天线的辐射场来计算平面波照射下的天线模式项散射场。该方法可快速完成平面波在不同入射角度照射下天线模式项RCS的计算,还可以与天线辐射场的FEM/CRE-UTD混合算法相结合,分析舰载天线的天线模式项散射。 6、阵列天线辐射和散射机理研究。利用阵列天线系统模型的S参数,分析了阵列天线单元的互耦。将场的矢量球面波函数展开和散射矩阵推广到阵列天线的辐射和散射分析当中,推导出阵列天线辐射和散射的基础理论公式。该公式以叠加定理的形式综合考虑了天线单元之间的互耦、馈电网络影响等因素,同时还反映了阵列天线模式散射场和天线单元辐射场的关系,公式近似后可简化为乘积定理的形式。在此基础上论文研究了大型阵列天线辐射场的近似计算方法,并采用阵列实例进行了验证。论文还采用阵列天线散射场基础理论公式的近似计算分析了阵列天线散射场的特点和峰值方向,并以一维阵列为例分离和分析了阵列天线的结构模式项和天线模式项散射,验证了理论分析结果。 7、有源相控阵天线系统的辐射和散射分析。利用网络参数分析了有源相控阵天线单元的馈电系统模型,得到阵列单元的接收机负载反射系数表达式。结合阵列天线散射的基础理论公式和接收机负载反射系数表达式得到了相控阵天线的天线模式项散射近似计算公式。公式计入了单元馈电系统当中的接收机负载反射系数和移相器工作参数的影响。基于该公式,论文将天线模式项散射按照是否受配相状态影响分为两部分进行研究,最后对这样两部分散射场的特点和峰值方向进行了分析并采用微带阵列进行了验证,为相控阵天线的RCS分析计算和RCS控制提供了理论上的指导。 8、舰载相控阵天线RCS控制方法研究。针对阵列天线各个散射模式,逐一分析了对应的RCS控制技术。重点分析了阵列的倾斜安装对天线辐射和散射特性的影响,对副瓣电平在天线隐身中的重要性进行了理论分析。在综合考虑辐射和散射特性的基础上利用泰勒综合和密度锥削稀疏技术设计了低副瓣电平阵列天线,并采用随机遍历算法对阵列天线副瓣进行了优化。最后研究了以控制RCS为目的的馈电系统小型化,利用左手电路原理设计了宽频带小型化电桥。


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