RCS计算方法4057.pdf

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1、 航空宇航学院 RCS的计算方法 航空宇航学院 内容提要 目标RCS精确解法 矩量法 高频区目标RCS近似计算方法 几何光学法 物理光学法 几何绕射理论 物理绕射理论 E k E 0 H k H 0 航空宇航学院 目标RCS精确解法 波动方程 2 2 2 2 边界条件 n(E1 E2)0 n(H1 H 2)0 n (D1 D2)s n (B1 B2)0 限制 求解上述方程必须要使物体表面与某一个可分离的坐标系相吻合，也即有严格级数解可以利用时，波动方程才能有严格的解析解。但只有少数几种形体能满足这种要求。n n 1(1)(2)(bn an)航空宇航学院 目标RCS精确解法 球的后向散射雷达散射

2、截面 2 n 2 航空宇航学院 矩量法 控制方程 Stratton-Chu积分方程 E ssi(n H)(n E)(n E)ds H ssi(n E)(n H)(n H)ds 航空宇航学院 矩量法 求解思路 将积分方程写成带有积分算符的符号方程;将待求函数表示为某一组选用的基函数的线性组合并代 入符号方程;用一组选定的权函数对所得的方程取矩量，得到一个矩 阵方程或代数方程组;求解代数方程组。特点 精度较高 在目标外部轮廓取样时，间隙不得超过波长的1/5左右。当目标尺寸与波长相比很大时，取样数量十分庞大 主要用于低频区和谐振区的散射问题。航空宇航学院 高频区目标RCS近似计算方法 依据 大多数探

3、测雷达的波长都远远小于飞行器的特征尺寸。在高频区复杂目标的散射场可看作各个散射源产生的散 射场的综合。方法 几何光学法 物理光学法 几何绕射理论 物理绕射理论 航空宇航学院 几何光学法 概念 当电磁波波长与目标尺寸相比很小时，可以近似地 用几何光学的观点来研究物体上电磁波的散射现象。几何光学法是一种射线追踪方法，波长被认为是无 限小，能量沿着细长管（射线管）传播。电磁波照射到表面光滑的良导体目标时，其后向散 射并不发生在整个表面上，而发生在一些很小的面 元上，这些元面切平面垂直于入射线。航空宇航学院 几何光学法 计算根据几何光学法的假设和RCS定义，RCS计算公式 1 2 航空宇航学院 几何光

4、学法 讨论 目标RCS只取决于反射点的主曲率 半径，计算公式十分简单 首先要找到镜面反射点，然后求出 该点的主曲率半径1和2，即可 得到RCS值。只能用于双曲表面目标RCS的计算 球的RCS计算公式为：计算结果与精确解法一致航空宇航学院 物理光学法 物理光学法的出发点是散射问题的Stratton-Chu积分方程 E ssi(n H)(n E)(n E)ds H ssi(n E)(n H)(n H)ds 通过一些近似假设，将积分方程进行简化，将散射问题的 积分方程简化为散射体表面的近似积分问题。高频条件 远场近似 切平面近似 航空宇航学院 高频条件 如果照射到目标的入射波波长比目标的尺寸小得多

5、时，那么可以把入射波近似看作跟光线一样，认为 射线照不到的地方，目标表面各点的场强为零。入 射 波 照 射 区 阴 影 区 场 强 为 零航空宇航学院 远场近似 如果目标表面上任一点到观察点的距 离远远大于目标的尺寸，则格林函数 的梯度可简化为 iks 其中 e ikR 4 R 航空宇航学院 切平面近似 Stratton-Chu积分方程右端包含有总场，为使方程简化成 定积分问题，应将方程中右端的总场用入射场来表示。为了将入射场与散射场联系起来，假设目标表面上的任一 点及其附近表面曲率半径比波长大得多，根据平面波在无 穷大平面上电磁边界条件，对于理想导体表面，入射场与 散射场的关系为 n E n

6、(E i E s)0 n H 2n H s E(n H)s(n E(n H)航空宇航学院 基于物理光学法的散射场计算公式 基于三个近似条件，散射场计算公式 s je jk0 R 2R s1 i i jk0 sr ds s jk0e jk0 R 2R s1 i jk0 sr ds 这是一个定积分计算式 cossin(2ka sin)2 2ka 航空宇航学院 用物理光学法计算平板RCS 4A2 2 2 A为平板面积 航空宇航学院 用物理光学法计算平板RCS 结果讨论 当入射方位在平板法线附近时，计算结果与 实验值吻合得很好。当入射方位编离平板法线方向较大时（当 30），计算结果与实验值误差较大，角

7、 越大，误差越大。其原因是：当入射方向与平板法线方向偏离较大时，此时平板的电磁散射机理主要是平板的边缘绕射，而 物理光学法并没有考虑边缘绕射现象。航空宇航学院 几何绕射理论 几何光学法和物理光学法不能用来解决边缘绕射的问题。Keller等人提出应在光学中所用的入射线、反射线和折 射线概念的基础上引入绕射线的概念，并建立了一套新 的计算散射场的方法，即几何绕射理论。航空宇航学院 几何绕射理论 绕射场是沿绕射射线传播的，绕射射线所形成的圆锥面 称为Keller锥。当入射线与边缘垂直时，圆锥面退化为与边缘垂直的平面圆盘。在高频区时绕射和反射一样是一种局部现象。也就是说绕射只取决于散射体绕射点邻域内的

8、物理特性和几何 特性，这可以称之为局部原理。离开绕射点后的绕射线仍遵循几何光学的定律，即在绕 射射线管中能量是守恒的。航空宇航学院 几何绕射理论计算过程 首先必须找出这样的边缘单元，它们在局部的 Keller锥上的一条母线贯穿远区场的观察点。设想在整个目标的边缘上可建立起多个小Keller 锥，在计算中只需包含那些朝向观察点方向的 Keller锥的边缘，而忽略所有的其它边缘。将到达观察点的所有射线的散射场进行叠加。其中 D(2/n)sin(/n)cos n cos n 航空宇航学院 几何绕射理论计算公式 E/d D s E/i e jkR R s cos(8 j k)sin 0 n nn 2/

9、是内劈角 是入射线与边缘之间的夹角 航空宇航学院 用几何绕射理论计算平板RCS 在范围，计算值与测量值吻合得很好。航空宇航学院 几何绕射理论的特点 优点 弥补了几何光学法和物理光学法没有考虑边缘散射 现象的缺陷。计算公式简单，绕射线的物理意义直观 缺点 只能用于求Keller锥母线上的散射场，不能用于计 算其它方向的散射场。绕射系数和分别沿阴影边界和反射是奇值。当时，平板，出现奇点 航空宇航学院 物理绕射理论 为了克服物理光学法没有考虑边缘绕射的缺陷，Ufimtsev提 出了一种物理绕射理论。与几何绕射理论相同点 也是通过尖劈散射的典型解来求绕射系数的 它们只能用于Keller锥上的散射方向 与几何绕射理论不同点 物理绕射理论把散射场表示为物理光学贡献和边缘贡献之 和，并利用二维尖劈问题的严格解来提取边缘贡献。物理绕射理论所得出的结果仅包含了边缘的贡献。可以解出纯边缘（不包含表面贡献）的散射场。绕射系数在反射边界处不会出会奇值 航空宇航学院 增量长度系数法 Mitzner提出的增量长度系数法将物理绕射 理论推广到任意方向 不限于Keller锥上的散射方向 具有重要的实际意义 许多目标外形都可以用曲面片和边缘来拟合 目标的散射场=表面的散射场+边缘的绕射