散射增强箔条雷达特性研究

引 言

第二次世界大战以来,箔条[1-4]就成为了一种重要的干扰手段,由于箔条干扰具有成本低廉、制作简单等优点,在低空突防、舰船反打击、反导等领域均获得了广泛的应用. IEEE(美国电子电气工程师协会)对箔条的定义是:一种轻型的空中反射目标云,通常由铝箔条或涂覆金属的纤维组成,能在一定的空间范围产生干扰回波.

随着雷达技术的飞速发展,针对箔条的抗干扰技术越来越丰富[5-7],主要有基于多普勒展宽、宽带成像、极化特征、波形特征等的箔条干扰识别方法,以及基于回波的相参性利用动目标显示(moving target indication, MTI)或动目标检测(moving target detection, MTD)来抗箔条干扰. 这些雷达抗箔条干扰技术应用,对箔条的散射特性、重量、数量等提出了更高的要求.

众所周知,传统的箔条主要是由一根根“半波”电偶极子组成的云团[7-8],由于单根偶极子的雷达散射截面积(radar cross section, RCS)很小,为了达到很好的干扰效果,必须抛撒大量的箔条形成强烈的电磁散射,从而在雷达接收机处形成强杂波. 对于高机动隐身目标而言,RCS可以达到-20～-10 dBm2,目标的高速运动特性导致需要抛撒多次大量的箔条以达到干扰的目的,进而可能导致需要无法承受的箔条数量. 在相同体积、重量的条件下,箔条干扰的使用次数少,极大限制了箔条的使用效能,一种提高箔条干扰效能的方法就是利用角反射器等强散射结构增强单根箔条的RCS[9-10]. 为了减轻单根箔条的重量与体积,可以使用空心柔性反射材料在单根箔条上形成角反射结构. 这种新型结构无法采用经典的箔条RCS计算公式得到,并且受到多个参数的影响,因此掌握该结构的雷达散射特性,对于雷达杂波处理具有重要意义.

本文针对具有球形包络的圆形角反射器组合体结构进行参数化描述,分析不同半径对单根箔条RCS的影响,最后分析一维和二维箔条阵列RCS随着半径的变化情况.

1 新型箔条干扰结构

传统的单根箔条形状为偶极子,即为简单的圆柱形细导线.为了增强单根箔条的雷达散射特性,在细导线上穿插散射更强的结构.本文所提出的散射增强箔条设计理念是:在单根箔条结构上引入强散射体,增加单根箔条的RCS,从而降低箔条的使用数量,减轻箔条云团整体的质量. 角反射器是一种典型的强散射结构,主要有正方板、圆板、三角板、龙伯球透镜等几类. 考虑到在箔条的实际应用释放过程中,箔条的姿态具有一定的随机性,需要单根箔条的RCS随角度的变化尽可能小,本文利用圆板角反射器拼接成具有球形包络的角反射器组合体，既能够兼顾有较强的RCS,又能够在各个方向上均具有较大的RCS. 单根箔条散射增强结构如图1所示,(a)为正视图,(b)为透视图,其中r为球形包络的半径.

(a) 正视图
(a) Front view

(b) 透视图
(b) Perspective view
图1 单根箔条散射增强结构
Fig.1 Single chaff scattering enhanced structure

大量箔条组成的团才能对雷达进行干扰. 因此,本文在单根新型箔条干扰结构基础上,建立了由8根新型箔条组成的一维阵列和由24根新型箔条组成的二维阵列,如图2所示,需要指出,本文中所采用的阵列主要是为了说明多根箔条的RCS增强特性,散射增强箔条阵列间距可以不相等,也可以相等.

(a) 1D

(b) 2D
图2 新型箔条阵列
Fig.2 The array of novel chaff

2 新型箔条干扰的雷达散射特性

利用CST STUDIO SUITE电磁仿真工具包进行RCS仿真实验,采用的方法为弹跳射线追踪法(shooting and bouncing ray, SBR),最大射线间距为0.03λ. 在RCS仿真实验中,电磁波工作频率f为S波段(3 GHz)、C波段(5 GHz)以及X波段(10 GHz). 球坐标系下电磁波入射角θ分别为30°、60°、90°(文中仅给出θ=90°的曲线,其他角度RCS特性用列表给出),φ=0～180°,单根细导线长度为150 mm(RCS为-50 dBm2). 本文主要考虑图1中所示球形半径r对单根箔条、一维以及二维阵列RCS的影响.

2.1 单根箔条

图2(b)所示的二维新型箔条阵列的RCS如图5所示.其中,阵列单元之间的间距为50 mm,单元数量为24个.

(a) f=3 GHz、HH极化
(a) f=3 GHz, HH polarization

(b) f=3 GHz、VV极化
(b) f=3 GHz, VV polarization

(c) f=5 GHz、HH极化
(c) f=5 GHz, HH polarization

(d) f=5 GHz、VV极化
(d) f=5 GHz, VV polarization

(e) f=10 GHz、HH极化
(e) f=10 GHz, HH polarization

(f) f=10 GHz、VV极化
(f) f=10 GHz, VV polarization
图3 θ=90°不同f 时两种极化方式下单根新型箔条RCS随r变化
Fig.3 The RCS of single novel chaff varies with radius at θ=90°

由图3可以看出,由于球形半径尺度未达到电磁波工作频率的谐振区,不同尺寸下新型箔条RCS随着电磁波频率的增大而大. 当r=10 mm时,几个波段RCS都很小.随着半径的增加,不同尺寸之间RCS的差异逐渐变小,其中,r=40 mm和50 mm两个尺寸之间RCS相对比较接近. 从不同极化方式来看,HH和VV两种极化方式在RCS大小方面基本相当,主要区别在于RCS随着角度的变化特性不同.

对于单根箔条而言,新型箔条的RCS能够增强近30 dBm2,可以利用有限数量的新型箔条来实现海量传统箔条云团的RCS.

2.2 一维箔条阵列

图2(a)所示的一维新型箔条阵列的RCS如图4所示.其中,阵列单元之间的间距为50 mm,单元数量为8个.

(a) f=3 GHz、HH极化
(a) f=3 GHz, HH polarization

(b) f=3 GHz、VV极化
(b) f=3 GHz, VV polarization

(c) f=5 GHz、HH极化
(c) f=5 GHz, HH polarization

(d) f=5 GHz、VV极化
(d) f=5 GHz, VV polarization

(e) f=10 GHz、HH极化
(e) f=10 GHz, HH polarization

(f) f=10 GHz、VV极化
(f) f=10 GHz, VV polarization
图4 θ=90°不同f 时两种极化方式下新型
箔条一维阵列RCS随r变化
Fig.4 The RCS of 1D array novel chaff varies with radius at θ=90°

由图4可以看出,一维箔条阵列的RCS仍然随着电磁波频率的增大而增大,但是由于电尺寸变大,随着频率增大的程度并没有非常明显. 从极化特性来看,两种极化方式下RCS大小也是基本相当,区别在于随着角度的变化特性不同. 一维箔条阵列在S、C、X三个波段,半径分别为10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm五个尺寸下的RCS最大值对比如表1～3所示.

表1 θ=30°不同r时一维箔条阵列RCS最大值对比
Tab.1 The maximum RCS of 1D array novel chaff varies with radius at θ=30°

表2 θ=60°不同r时一维箔条阵列RCS最大值对比
Tab.2 The maximum RCS of 1D array novel chaff varies with radius at θ=60°

表3 θ=90°不同r时一维箔条阵列RCS最大值对比
Tab.3 The maximum RCS of 1D array novel chaff varies with radius at θ=90°

θ=90°不同f 时两种极化方式下单根新型箔条RCS随r变化如图3所示,给出了S、C、X三个波段,HH和VV两种极化方式下,半径分别为10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm五个尺寸下的RCS对比.

2.3 二维箔条阵列

为了进一步研究不同阵列结构的新型箔条对RCS的影响规律,下面针对二维阵列结构开展研究.

由表1～3可以看出,除了半径r=10 mm与r=20 mm时一维箔条阵列RCS相差为10 dBm2左右外,其余相邻的不同尺寸阵列RCS差异均为5 dBm2左右,即半径增大10 mm,一维阵列RCS最大值增大5 dBm2. 当半径达到50 mm时,一维箔条阵列RCS已经足够大,大于一般的隐身飞机、导弹等目标,能够很好地起到干扰作用.

(a) f=3 GHz、HH极化
(a) f=3 GHz, HH polarization

(b) f=3 GHz、VV极化
(b) f=3 GHz, VV polarization

(c) f=5 GHz、HH极化
(c) f=5 GHz, HH polarization

(d) f=5 GHz、VV极化
(d) f=5 GHz, VV polarization

(e) f=10 GHz、HH极化
(e) f=10 GHz, HH polarization

(f) f=10 GHz、VV极化
(f) f=10 GHz, VV polarization
图5 θ=90°不同f 时两种极化方式下新型箔条二维阵列RCS随r变化
Fig.5 The RCS of 2D array novel chaff varies with radius at θ=90°

由图5可以看出,二维箔条阵列的RCS仍然随着电磁波频率的增大而增大,但是由于电尺寸进一步变大,随着频率增大的程度进一步降低. 从极化特性来看,两种极化方式下RCS大小也是基本相当,区别在于随着角度的变化特性不同. 二维箔条阵列在S、C、X三个波段,半径分别为10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm五个尺寸下的RCS最大值对比如表4～6所示.

表4 θ=30°不同r时二维箔条阵列RCS最大值对比
Tab.4 The maximum RCS of 2D array novel chaff varies with radius at θ=30°

表5 θ=60°不同r时二维箔条阵列RCS最大值对比
Tab.5 The maximum RCS of 2D array novel chaff varies with radius at θ=60°

表6 θ=90°不同r时二维箔条阵列RCS最大值对比
Tab.6 The maximum RCS of 2D array novel chaff varies with radius at θ=90°

由表4～6可以看出,二维箔条阵列结构的RCS进一步增大,在半径为40 mm和50 mm时,最大可以达到20 dBm2以上. 半径为10 mm时的RCS也可以达到-10 dB2以上,已经能够对隐身目标起到很好的干扰效果.

3 结 论

本文针对基于角反射器散射增强的箔条雷达散射特性开展了研究,分析了典型尺度下,S、C、X三个波段下单根新型箔条、一维箔条阵列、二维箔条阵列的RCS随着球形半径的变化特性. 仿真结果表明,利用新型箔条散射增强结构,能使单根箔条的RCS增大30 dBm2以上,从而能够利用有限数量新型箔条形成与海量传统箔条云团相当的RCS. 利用数量较少的一维箔条阵列结构已经能够实现远大于典型隐身目标的RCS,利用半径较小的二维箔条阵列结构也能够形成略大于典型隐身目标的RCS. 本文的研究成果能够为箔条干扰的设计以及雷达杂波处理提供理论支撑.