基于快速多极子算法的飞机翼面RCS的计算

基于快速多极子算法的飞机翼面RCS的计算

【摘要】本文基于快速多极子算法对采用吸波结构的翼面进行计算，然后与全金属翼面的结果进行对比，验证吸波结构翼面在一定程度上能减小其RCS，实现更好的隐身性能。

【关键词】RCS;吸波结构;快速多极子算法

1.引言

随着现代雷达探测技术的发展，对飞行器的隐身性能提出了更高的要求。翼面作为重要的反射源之一，减小和精确计算其RCS（Radar Cross Section）具有重要意义。精确的雷达散射截面积（RCS）的计算，可以为隐身飞行器的外形布局设计和隐身材料的使用提供准确的指导，是研制和改进飞行器隐身性能的重要前提[1]。

针对减小翼面的RCS有两种方法，一是通过外形设计，但往往受空气动力性能的限制，二是采用雷达吸波材料[2]。雷达吸波材料根据其成型工艺和承载能力分为涂覆型和结构型两类，涂覆型吸波材料由于其固有缺陷，现在获得广泛应用的是结构型吸波材料，是具有较高的吸波能力和结构承载能力的双功能复合材料。

本文针对吸波结构翼面计算其RCS 。

图1 吸波结构翼面示意图

2.快速多极子算法的数学描述

快速多极子方法的数学基础是矢量加法定理[3]。首先利用加法定理对积分方程中的标量格林函数进行处理，然后在角谱空间中展开，利用平面波进行算子对角化，最终将稠密矩阵与向量的乘积运算转化为几个稀疏矩阵与向量的乘积运算[4]。

展开形式如下：

其中：

式中L为截断项数，称为多极子模式数，其取值大小决定了截断计算的精度。对于实参数的三维快速多极子算法，L可以利用如下公式选取。

当时，相对误差约为10-1，当时相对误差约为10-3，以此类推。由多极子

模式数L可以求得所示积分在角谱空间中的积分点数K。

K=2L2

3.计算结果及分析

冀面前缘电磁波的散射表现为反射和边缘绕射，其雷达回波的强度与该处翼面的曲率半径的大小有关，它是飞行器RCS的主要来源之一[5-6]。下面将给出翼面RCS的一些相关计算及分析。

图2 翼面坐标示意图

为计算翼面在平面波照射下的RCS，建立如图2所示的翼面的坐标系。翼面的具体参数，x方向的最大宽度0.8m，y方向的最大宽度1.5m，z方向最大宽度0.15m。

图3所示为全金属翼面和吸波结构也翼面的的单站RCS计算结果对比曲线。

图3 全金属和吸波结构翼面RCS对比图

入射波频率f=0.3GHz，沿x轴负向入射，扫描角为与x轴负向的夹角。从图3可见，在60o、90o、160o附近存在三个较强峰值，在这三个位置处散射较强。原因是在这三个位置存在较强的镜面反射。从全金属和吸波结构翼面RCS的对比图我们可以看出，吸波结构较全金属能有效的降低散射，实现更好的隐身效果。

4.总结

在计算散射目标时为了保证计算结果的精确性，通常采用的方法是矩量法。然而当尺寸目标较大时，矩量法计算所需的时间和所需计算机内存较大难以满足计算要求。作为矩量法的改进，提出了快速多极子算法，能够在一定程度上加速运算所需时间同时减小所占计算机内存，但是要在计算结果的精确性上有所牺牲。所以在计算较复杂的三维散射目标时，往往在采用快速多极子算法的同时，针对变化较为剧烈的局部采用矩量法，在满足正确性的基础上加快计算。

参考文献

[1]赵勋旺.复杂电磁环境中快速多极子方法的研与应用[D].西安：西安电子科技大学博士论文，2008.

[2]胡俊.复杂目标矢量电磁散射的高效方法——快速多极子方法及其应用[D].成都：电子科技大学博士论文，2000.

[3]王鹏.电磁场中的电大尺寸辐射和散射问题研究[D].西安：西安电子科技大

学博士论文，2007.

[4]谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波.北京：国防工业出版社，1997，143-147.

[5]聂在平，柳清伙译.非均匀介质中的场与波[M].北京：电子工业出版社，1992.

[6]Bucci O M，Franceschetti，scattering formwedge-tapered absorbers，IEEE Tram，1994，19（7）：96-104.