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有源雷達散射截面減縮——理論與應用 版權信息
- ISBN:9787515918198
- 條形碼:9787515918198 ; 978-7-5159-1819-8
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
有源雷達散射截面減縮——理論與應用 內容簡介
本書是一本論證有源雷達截面減縮(RCSR)這一新概念可行性的專著。從低可探測平臺概念和實現途徑介紹出發,重點討論了相控天線陣列的理論和算法,利用相控陣天線的有源RCS減縮方法,并介紹了利用共形陣列,如何在感知入射雷達波的到達角(DOA)后,將總的結構項加天線模式項RCS方向圖調整為在DOA獲得有源RCS減縮,從而形成有源低可觀測平臺的問題。本書可以為對相控陣RCS控制、共形相控陣設計、有源RCS減縮及有源對消等技術感興趣的研究生和科研人員提供參考。
有源雷達散射截面減縮——理論與應用 目錄
目錄
第1章雷達散射截面減縮導論1
1.1引言1
1.2雷達特征信號的概念3
1.3飛機的RCS4
1.3.1射線追蹤技術6
1.4RCS減縮9
1.4.1通過外形整形減縮RCS10
1.4.2利用RAM減縮RCS11
1.4.3有源RCS減縮12
1.5本書的架構13
1.6結論16
參考文獻17
第2章低可探測平臺雷達吸波材料分析20
2.1引言20
2.2經典多層媒質中的電磁波傳播21
2.2.1半無限大空間媒質24
2.2.2平板電介質層27
2.2.3界面上的多次反射/透射32
2.2.4有耗電介質層36
2.2.5任意數量的電介質層41
2.3多層電介質型超材料中的電磁波傳播47
2.3.1電介質超材料層的反射特性49
2.3.2封閉矩形腔體內的射頻仿真55
2.4抗反射和高反射電介質/超材料涂層57
2.4.1單層平板的電磁波傳播57
2.4.2多層結構中的電磁波傳播59
2.4.3由電介質組成的抗反射涂層60
2.4.4由超材料組成的抗反射涂層64
2.4.5采用電介質和超材料的高反射涂層70
2.5結論73
參考文獻75
第3章相控陣天線的雷達散射截面77
3.1引言77
3.2基礎理論78
3.2.1天線散射80
3.2.2天線RCS公式83
3.3串聯饋電網絡相控陣90
3.3.1各向同性陣列單元的RCS公式91
3.3.2RCS模式分析102
3.4并聯饋電網絡相控陣112
3.4.1各向異性陣列單元的RCS公式113
3.4.2RCS模式分析127
3.5結論145
參考文獻148
第4章相控陣中的有源RCS減縮151
4.1引言151
4.2自適應算法154
4.2.1*小均方法157
4.2.2遞歸*小二乘法162
4.2.3標準矩陣求逆算法163
4.2.4加權*小二乘法166
4.2.5線性約束*小二乘法182
4.3相控陣中的探測抑制188
4.3.1理論背景189
4.3.2單個期望信號源時的抑制探測192
4.3.3多個期望信號源同時存在時的探測抑制195
4.3.4存在相關信號時的探測抑制198
4.4結論202
參考文獻204
第5章相控陣中的互耦效應211
5.1引言211
5.2互耦阻抗的理論背景213
5.3具有互耦效應偶極子陣列的穩態性能216
5.3.1并排偶極子陣列220
5.3.2平行階梯陣列229
5.4結論254
參考文獻255
第6章互耦對偶極子陣列RCS的影響258
6.1引言258
6.2計算串聯饋電偶極子陣列RCS的公式260
6.3饋電網絡不同位置的阻抗262
6.3.1偶極子天線終端的阻抗263
6.3.2移相器終端的阻抗264
6.3.3耦合器終端的阻抗265
6.4饋電網絡不同器件產生的散射貢獻266
6.4.1偶極子散射形成的RCS266
6.4.2移相器散射形成的RCS267
6.4.3耦合器耦合端口散射形成的RCS268
6.4.4耦合器耦合端口外部散射形成的RCS269
6.5結論290
參考文獻291
第7章有源RCSR中旁瓣對消器的作用294
7.1引言294
7.2廣義旁瓣對消器(GSC)295
7.3決策反饋廣義旁瓣對消器(DFGSC)299
7.4技術性能分析300
7.5波束到達角(DOA)失配304
7.5.1失配信號模型304
7.5.2GSC下的DOA失配304
7.5.3DFGSC下的DOA失配305
7.6自適應陣列處理中的約束305
7.6.1點約束306
7.6.2導數約束306
7.6.3方向約束307
7.6.4仿真結果307
7.7旁瓣對消器中的盲補償器309
7.7.1理論背景310
7.7.2算法步驟310
7.8結論317
參考文獻319
第8章新興RCSR技術321
8.1引言321
8.2嵌入式天線322
8.3共形承載天線325
8.4基于FSS的RCSR328
8.5基于超材料的RCSR330
8.6基于等離子體的RCSR332
8.7結論333
參考文獻335
后記341
參考文獻343
附錄344
附錄A天線自阻抗與兩個天線間互阻抗的計算344
附錄B相同長度兩天線間互阻抗的計算349
附錄C偶極子陣列的自阻抗與互阻抗354
附錄D耦合與傳輸系數:公式357
縮略語列表359
符號列表364
建議深入閱讀的文獻375
有源雷達散射截面減縮——理論與應用 節選
第1章雷達散射截面減縮導論 1.1引言 自第二次世界大戰以來,隱身或雷達散射截面(RCS)減縮和控制就一直是大家感興趣的話題。*初采用木頭或其他復合材料作為飛機材料,來嘗試降低飛機可探測度,因為這些材料對雷達的反射比金屬小。在*初的系統化研究之后,外形隱身和涂層隱身(通過使用吸波材料)成為RCS減縮(RCSR)的主要技術。 隱身戰斗機F22是通過外形隱身實現RCSR*顯著的例子。該飛機機翼的主體和下垂端以及飛機后端邊緣具有相似的掃掠角度。并且,機身和座艙蓋為光滑表面,側方傾斜。所有表面交接處,如機艙門以及座艙蓋的縫隙,都是鋸齒形。該飛機的垂直尾翼是傾斜的,發動機前側被削除,采用了彎曲形(S形)進氣道。*后,所有的武器都放在飛機機身內部(采用內埋方式——譯者注)。相對于飛機傳統外形,這些改變產生了可觀的RCS減縮效果。 相比之下,自20世紀50年代以來雷達吸波材料(RAM)涂層就一直被用于實現低RCS飛機設計。RAM還可用于減緩飛機表面上安裝的天線之間的電磁耦合和串擾。洛克希德公司開發的偵察機U2和戰斗機F117是為數不多的幾個將RAM用作RCSR的例子。 在關注飛機結構散射行為的過程中,人們已經建立了足夠豐富的知識庫,已經確認了這些結構在總體散射特征中起主要作用的參數。例如,在垂直入射時平面或腔體會產生強的雷達回波。類似的,可以確定進氣和排氣系統為飛機頭向和后向角度上RCS的主貢獻源,而垂尾則是其側向角度上雷達特征信號的主貢獻源。 數值技術已經開發多年,用于定量預估飛機結構不同部分的散射。它促進了飛機*優RCS的平衡設計。采用這類技術設計制造的飛機包括F117A以及B2類隱身飛機。 通過避免使用強雷達回波外形以及使強雷達回波角度偏離到其他方向,可減小頭向RCS。多次反射是除外形取向和入射波極化之外強散射的重要因素之一。如果電磁波進入一個長而封閉的金屬導體外殼中,它將多次彈射并可能產生指向雷達波源的強散射場。可通過對外殼內表面涂覆吸波材料或重新設計外殼的形狀來降低與雷達回波有關的場。例如,彎曲的管道可以顯著增加反射次數,因而可以減弱入射能量的反射而對氣動性能沒有任何不利影響。尤其是這樣一個腔體,應有較大的截面縱橫比。SR71 發動機進氣道是這種利用多次彈射實現低RCS設計的例子。 對于航空航天飛行器而言,頭向RCS低是很重要的。然而,當在鼻錐天線罩內有一個大的雷達天線時,實現低RCS就變成一個實實在在的挑戰。為降低頭向RCS,人們已經嘗試將雷達天線相對于鼻錐軸向偏置一個角度,但這并不能形成低可見性。另一種選擇是像YF23和波音X32那樣重新設計一個細長的鼻錐。這么做的主要目的是阻擋敵方雷達信號進入鼻錐天線罩。通過將入射雷達波轉移到其他方向,或通過平板天線將雷達波反射到其他方向來達到這一目的。此外,還可以調整天線方向圖,使零深方向指向敵方雷達,這可以看作是有源RCSR的一個實例。 RAM和進氣道表面的對齊需要采用智能設計。而且,低可探測度要求的頻率范圍很大,常常覆蓋兩到三個數量級。眾所周知,涂層的本構參數取決于頻率和溫度。空氣高速經過飛行器的發動機噴嘴,導致此處溫升很高,因此,我們期望RAM涂層在高溫下仍然有效。俄羅斯的研究人員在隱身設計中開發了吸波涂層與技術,實現了蘇霍伊Su35戰斗機頭向RCS降低一個數量級,使雷達對目標的探測距離減半。此外,經過處理的Su35戰斗機座艙蓋能夠反射入射雷達波,消除內部金屬部件對RCS的貢獻。 這種電磁(EM)設計試圖改變飛機表面屬性,目的是使飛機“不可見”。本質上,減小了由雷達探測到的飛機反射電磁波的等效面積。此概念即眾所周知的“隱身”。 *初采用的隱身技術與頻率相關,因此總體效果受限。RCS預估與控制涉及許多不同學科的研究人員和工程師,必須同時考慮與電磁、信號處理、材料、結構、氣動等有關的屬性。 1.2雷達特征信號的概念 雖然在我們腦海里電磁特征信號是航空航天飛行器探測語境中的主要概念,但是還有其他特征信號也是基于這一目的而考慮的。這些特征信號包括聲(噪聲)、光(可見光)、紅外(熱)和雷達特征信號。 1)聲特征信號。飛機的聲特征信號(波長2~16 m)是由其渦流、機翼、旋翼、螺旋槳和發動機的空氣動力學噪聲引起的。噪聲強度與翼展載荷和速度成正比。對這種特征信號的減縮有助于聲隱身。與渦扇發動機和活塞發動機相比,電動機的噪聲更低,但其不足之處是壽命短。然而,另一方面,小的質量和低的氣動阻力對降低噪聲效果更顯著。在距離不變的情況下,聲音的衰減與波長的平方成反比,這使得低頻噪聲成為聲隱身的重要因素。這就是大型戰術飛機渦扇發動機安裝在機翼上方的原因,這有助于避免壓縮機噪聲以及排氣噪聲向地面輻射。 發動機類型也是聲特征信號的一個重要參量。與兩沖程活塞發動機相比,四沖程活塞發動機具有更高的燃燒效率,不過其噪聲衰減較低, 而兩沖程活塞發動機具有更低的噪聲頻率,因而從聲隱身的角度考慮,四沖程發動機不是一個好的選擇。 但是可以通過在發動機上涂覆吸聲材料來降低這種燃燒引起的噪聲。可以通過只涂覆那些發出噪聲的地方來減小由于增加涂層所導致的質量增加。 2)光特征信號。飛行器的尺寸和形狀是采用光特征信號探測的重要因素。在固定探測閾值時,與背景的對比也很重要,背景的亮度取決于大氣條件和相對于太陽的目標位置。飛行器的表面紋理和大氣反射照度是決定光特征信號(波長0.4~0.7 μm)強度的其他因素。 3)熱特征信號。熱或紅外特征信號(波長0.75 μm~1 mm)是由飛機發動機噴流、螺旋槳和水平旋翼產生的熱量導致的。可以通過朝地面行進來避免飛機尾氣的熱量被探測。這一路徑轉移使得降低地基探測器對飛機的探測概率成為可能。此外,低發射率材料(例如Ag,Al)可用于避免輻射,發動機尾氣應由其他機身部件遮蔽,以使熱輻射偏離地面。 4)雷達特征信號。雷達特征信號(波長3 mm~30 cm)與飛機上的射頻(RF)輻射有關。它們大多是反射的RF信號。可以通過使用RAM涂層或改變飛機的外形來減小這些特征信號。對于包括邊緣和拐角在內的重點部位要給予特別關注。必須小心設計,以使飛機上沒有一個面會被雷達信號垂直照射。類似的,對于以較小角度入射的信號,垂直面(如垂直尾翼)是雷達特征信號的重要貢獻源。避免角反射器型的幾何外形很可取,因為以直角相交的表面可產生強烈的雷達回波。另外,*顯著的散射貢獻也可能來自飛行器上安裝的天線/傳感器。這些傳感器和信號可能會明顯增加飛行器的RF特征信號。 1.3飛機的RCS RCS是目標可觀測度的一個估計,而目標可觀測度取決于其外部特征和電磁特性。RCS本質上和從目標反射回接收機的電磁能量與入射電磁能量之比有關(Knott等人,2004年)。當電磁波照射到一個物體上時,部分能量被吸收掉,剩余的能量可解釋為反射和繞射。解釋電磁散射現象的一個重要特征是散射體的電尺寸。此外,對于除球形以外的形狀,其雷達信號回波與入射波極化相關。電磁波的散射可能隨極化而變化。一般表面上傳播的表面射線具有有限的撓率,其傳播路徑不能局限于一個平面上,這樣,其方向連續變化,導致極化方向的改變。 從雷達角度來看,目標的RCS具有一個表觀尺寸。它本質上是在雷達照射下目標上各散射中心貢獻的相干疊加。換句話說,目標上包含各種熱點的結構會將照射的電磁能量再次輻射出去。這些具有相關幅度和相位、各自獨立的散射場,疊加成*終的散射場。總散射場包括鏡面方向的反射,尖銳邊緣、角的繞射,多次散射,表面波,爬行波,陰影效應等。因而,目標的形狀和尺寸以及由此而來的散射中心,決定了RCS與方位角和頻率相關的程度和閃爍。 例如,對一架飛機,沿鼻錐方向進行照射時的回波主要來自發動機進氣道;如果照射角度偏離鼻錐方向,主翼邊緣將成為總體RCS的主貢獻源之一;對于超過一定限度直到70°的入射角,散射主要來自前機身和發動機機艙,超過該角直到垂直入射,側向散射的主貢獻源來自機身和垂尾。類似的,當方位角接近±180°時,發動機尾噴管是散射的主貢獻源。因而,飛機的總體RCS是所有各類回波的相干疊加。 此外,為滿足各種應用功能,飛機結構上安裝了很多的傳感器及天線。這可以顯著增強飛機的RCS。天線或天線陣列系統的散射可歸因于其結構和饋電網絡散射。當饋電網絡適配時,RCS稱為天線結構項RCS(Shrestha等人, 2008年),因為在這種情況下沒有來自饋電網絡的反射,天線的RCS僅僅是其結構散射所致。換句話說,天線結構項RCS 是天線表面對入射波的感應電流的函數(Jenn,1995年)。必須牢記的是,雖然基于不同解釋的其他定義應用領域很廣泛,但本書中將使用上述定義。 當饋電網絡不適配時,天線RCS將由來自其結構以及饋電網絡的反射共同組成。由饋電網絡產生的散射稱為天線模式項散射(Yuan等人,2008年)。因而,天線RCS 是天線結構項RCS與天線模式項RCS的總和。 天線結構項RCS不僅與天線結構有關,還與其安裝的平臺(飛機)有關(Perez等人,1997年)。可以將飛機視為一系列的楔和面,或者一系列參數化表面的組合(Wang等人,2001年),甚至是非均勻有理B樣條(Domingo等人,1995年)。接下來是使用數值電磁技術譯者注:一般基于高頻漸進近似的方法簡稱為高頻法,基于數值全波求解的方法稱為數值法。本書中作者統一將這些基于幾何建模數值計算的方法稱為數值方法。,如一致性繞射理論(UTD)、物理光學(PO)、等效電流法(ECM)譯者注:ECM應為Equivalent Current Method(等效電流法),原文誤為Electronic Counter Measures(電子對抗措施)。、矩量法(MoM)、有限差分時域(FDTD)法等,來預估總散射,以得到飛機總的結構項RCS。由于經常涉及RCS的高頻漸進計算,因此在第1.3.1節中以“射線追蹤技術”為標題討論其先決條件。 1.3.1射線追蹤技術 原則上,射線追蹤確定了源和觀察點之間每一個可能的射線路徑。作為一種幾何方法,射線追蹤的計算代價與結構的電尺寸無關。射線路徑基于廣義費馬原理。直接射線以及所有的反射、雙反射、繞射、反射繞射、表面波以及爬行波都納入考慮。 在自由空間中,應用了幾何光學(GO)原理。用復數場表示波的幅度和方向。射線追蹤本質上是確定表面上射線反射、發射和脫離點的確切位置。在接收端,與射線相關的場由射線路徑每個個體貢獻源的相干疊加確定。 在RCS預估中,射線追蹤基本上是在電尺寸大于入射波長時與高頻漸進方法一起使用。漸進方法包括幾何光學(GO)、幾何繞射理論(GTD)、物理光學(PO)、物理繞射理論(PTD)、一致性繞射理論(UTD)等。 實際上,對于電大尺寸目標,低頻方法,即矩量法、有限元方法(FEM)常常是不可行的。盡管可以使用高速、大內存計算機,但能夠通過此類方法處理的目標尺寸對于實際應用情形而言還是太小。相反,高頻方法雖然簡單,但給出了相對而言較為精確的結果。這些方法相對簡單的原因在于假設目標上每個部分散射的能量都與其他部分無關。因此,目標上一部分感應場只與照射它的電磁波有關,而與其他部分的散射場無關。這使得預估感應場并將其沿物體積分以得到RCS的計算變得相對簡單。 給定表面點上的射線可以通過三種可能的方式定義:1)有限長度(點到點)射線;2)半無限長度(點到方向)射線;3)無限長度射線。可以有兩種對稱的亞構型,即近場遠場變換構型和遠場近場變換構型。可以基于射線路徑的可逆性來進行這種分析。*后一種構型是無限長射線,可以是單站的,也可以是雙站的。 射線追蹤方法中*關鍵的步驟是獲得射線與表面的交點。已經引入了幾種開域方法來確定交點。將射線打到其上的平面/非平面表面以不同方式進行分割,以確定反射點。其中一種這樣的方法涉及有限體積內的遞歸細分(Whitted,1980年)。這里,將表面進行分割,并為每個子表面生成有限體積,持續這一過程直到射線不再與表面相交。有限體積可以視為球或封閉的盒子(Whitted,1980年;Pharr 和 Humphreys,2010年)。另一種方法是將表面分割為三角形面元(Kajiya,1982年;Snyder 和 Barr,1987年),然而,表面分割成面元會導致計算成本升高。 通過將參數曲面轉換為隱式公式,可以用代數方式解決計算成本高的問題(Manocha和Demmel,1994年),此時產生參數空間中兩個面相交的問題。方程組的解給出了平面相交形成的曲線。基于數值技術的方法,即拉蓋爾(Laguerre)方法(Kajiya,1982年)、遞歸牛頓法(Martin等人,2000年)可以用于這一求解。或者,可以通過將其擴展為高階矩陣行列式來求解隱式方程(Manocha和Demmel,1994年)。但是,對于更高次表面,這些方法就受到了計算復雜度增加的限制。一些研究者將表面近似為平面,并由射線與有限體積相交確定初始點(Martin等人,2000年;Sturzlinger,1998年)。諸如準牛頓迭代和共軛梯度法這樣的優化算法也可用于預估交點(Joy 和 Murthy,1986年)。 如果沒有交點,射線將向接收機傳輸,將其視為直接射線。在距離s上與直接射線相關的場表示為(Pathak和Kouyoumjian,1974年;Pathak等人,2013年) Edirect(s)=Ei(0)A(s)e-jks(11) 式中e-jks——射線場的相位; k=2πλ。 A(s)是由下式給出的幅度變化 A(s)=ρ1ρ2(ρ1+s)(ρ2+s)(12) 式中ρ1和ρ2——給定表面點上波前的主曲率半徑。 當射線打到表面上,其傳播取決于表面特性。對于透明或半透明表面,射線可能從表面反射或者透射表面。射線場的衰減取決于表面的本構參數。距離s處的傳輸場由下式給出 ET(s)=EiAtTe-jks(13) 其中,透射系數T取決于入射射線的極化(Jordan和Balmain,1976年)。幅度變化At取決于表面和入射波的曲率半徑,由下式給出(Kouyoumjian,1965年) 1ρt1=121ρi1+1ρi2+1f1 1ρt2=121ρi1+1ρi2+1f2(14) f1,f2為凹(凸)表面的焦距,ρ1,ρ2對凹表面為負,對凸表面為正。 表面上的反射場由下式給出 ER(s)=EiArRe-jks(15) 其中,反射系數R取決于極化性質(平行和垂直)。 射線打到角或邊緣上時出現的另一種現象是繞射。垂直打到表面的射線產生柱面波前。相反,對于斜入射射線,繞射波將是圓錐形的。表面上的繞射場由下式給出(Kouyoumjian,1965年) ED(s)=EiAdDe-jks(16) 式中D——取決于極化的繞射系數。 當射線以切向打到表面時,其沿本地測地線傳播,并沿切向離開表面,這稱為爬行波。使用廣義費馬定理確定這些射線軌跡。此外,一條射線可能經歷多個交點,如反射,然后進行邊緣繞射,并再次進行透射。射線追蹤的缺點是這種多次傳播現象會導致計算復雜度增加。因而,需要加速和優化程序來 高效和快速求解。 1.4RCS減縮 目前,無源技術的廣泛知識基礎可用于控制電磁散射。這些無源技術通常涉及外形整形或應用RAM。這種方法的有效性取決于頻率、入射角及入射波的極化。 結構整形的主要目標是*大限度地減少朝雷達方向散射的能量。已發現這類RCS控制方法應對單站雷達探測很有效。如果一個航空航天飛行器,如飛機、導彈或無人機(UAV),結構輪廓設計只在一個很小的角度范圍對雷達是可見的,則可以考慮通過避免這一角度區域朝向雷達來實現隱身。然而,一個方位角下的RCS減縮常常伴隨著另一個方位角下的RCS增加,記住這一點很重要。為了在整個工作頻帶都獲得可接受的低可觀測度,常常需要同時采用外形整形和RAM這兩種方法。 除了上述無源技術,也有人提出其他RCSR方法,如使用人工磁導體(AMC)(Paquay等人,2007年)、頻率選擇表面(FSS)以及有源RCSR。AMC結構(Yeo和 Kim,2009年)是將入射能量散射到其他方向,因而顯著降低了鏡面反射。 有源與無源RCSR技術的本質差別在于,在無源技術中,由于幅度和相位差,來自目標的部分散射波對消掉了來自其他部分同樣的波,而有源技術則通過將來波與陣列或基于傳感器的系統中形成的散射場之間的相消干涉來實現對消。對入射波的有源對消使得平臺對探測雷達“不可見”。
有源雷達散射截面減縮——理論與應用 作者簡介
赫瑪??辛格博士是位于印度班加羅爾的國家宇航實驗室電磁中心(CSIR-NAL)的高級首席科學家。她于2000年在印度瓦拉納西的瓦拉納西理工學院(IIT-BHU)獲得電子工程博士學位,1999-2001年任位于印度北安查爾邦(現名北阿坎德邦)喀什普爾的研究生院物理學講師,2001-2004任位于印度拉賈斯坦邦皮拉尼的比拉科技學院電子電氣工程學講師。2005年成為CSIR-NAL的科學家。她是IEEE工業倡議委員會、IEEE、IET、IETE、印度材料與處理工程促進學會、印度宇航學會等的會員。目前她是印度理工學院北阿坎德邦盧克里分院共性研究與技術發展中心的項目指導與審查委員會小組成員,負責DSIR的BIRD-CRF計劃中的新材料部分。
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