电磁散射大作业

电磁散射与隐身技术导论课程大作业报告学院：电子工程学院专业：电子信息工程班级： 0210**学号： 021012**姓名：张**电子邮件： 542******@日期： 2013 年 06 月成绩：指导教师：姜文F117A的电磁散射及隐身特性研究F117A是1981年美军的世界上首架真正意义上的隐身飞机，其显著的特点就是外形奇特，表面涂敷RCS吸波材料。

这些措施大大降低了散射中心强度，给雷达探测带来困难。

计算和分析F117A的电磁散射特性，了解其隐身性能，对于反隐身技术的研究具有十分重要的意义。

下面主要从隐身飞机的外形，高低频，双基地等方向研究F117A的电磁散射特性及隐身特性。

（文中出现的数据均来自于参考文献，笔者暂时没有对F117A隐形飞机的散射特性进行实验）一、F117A外形散射特性F117A的显著特点是外形上的与众不同，如图1，图二所示。

为达到隐身的目的，F117A主要采用的设计有：图1 F117A结构三视图总体设计上，该机采用多面体结构，整机呈楔状，由多个小平面拼合而成，就连机翼及尾翼的翼型轮廓也是由几条折线构成的多边形，没有考虑到亚高声速的气动要求。

在电磁波照射下，平面的回波波峰比曲面的回波波峰窄得多，更便于利用表面的倾斜将回波波峰偏转到雷达接收不到的方向上。

●F117A翼身融为一体，采用大后掠机翼(前缘后掠角达66.5度)使主要回波避开雷达探测区；用v型尾翼代替常见的直立式立尾及水平尾翼，以消除角反射器效应。

●采用背负式进气道，用机翼遮挡仰视雷达的入射波，同时把进气口斜置，罩以网眼尺寸为1.9 3.8⨯)的屏蔽cm cm⨯ (在速度方向投影为1.5 1.5cm cm格栅，使波长10cm以上的入射波无法进入进气道而被偏转反射。

●舱罩的外形设计成与机身一致的多面体形状，并在5块平板形风挡玻璃上镀上可屏蔽雷达波的金属膜。

●消外挂物及外露挂架，将全部可投放或可发射武器及其挂架均安置在机身或机翼内的专门武器舱中。

一方面减缩了外挂结构本身的散射，另一方面也消除了它们与机身问可能产生的角反射器效应。

图2 F117A实拍图片除重点采用外形隐身技术外，F117A的隐身措施还包括低RCS吸波材料技术和低红外辐射技术和低电磁辐射技术等。

综合各种隐身方法的效果后，F117A的头向RCS低达20.01m。

二、F117A 高频散射特性采用基于物理光学原理的三角面元法计算F117A 的高频散射特性。

物理光学面元法的基本思想是根据用户给出的模型尺寸，在通用图形学建模软件(如AutoCAD 、3DSMax 等)上建立目标的全景立体模型，然后用一定的转换程序对模型进行网格剖分，用成千上万个三角面元及棱边近似模拟目标表面，并对各面元和棱边进行消隐处理，最后分别用物理光学法和等效电磁流法计算各个可见面及边缘的散射场，对所有散射场进行矢量叠加即可得到目标总的散射场。

物理光学面元法属于RCS 计算中的高频方法，它是在Stratton C hu -积分方程的基础上通过物理光学近似推导而出的。

散射电场的物理光学积分方程如下：02()4jkR jkw r s j s e E jkE s s n h e d s R π∙⎡⎤=-⨯⨯⨯⎣⎦⎰⎰式中，0E 是入射电场强度，h 是入射磁场极化单位矢量；r 是场点到表面单元d s 的位置矢量；w i s =-，i 和s 分别表示入射和散射方向的单位矢量；积分表面S 是散射体的照亮区。

由上式以及..E F K nott 在保留散射单元相对相位关系的情况下重新定义的复数RCS 表达式，可以推导出RCS 平方根的物理光学表达式：jkw r r S j n e h e kd s ∙=-∙⨯式中，r e 为雷达接收机的电极化单位矢量。

将上式中的面积分变换成围线积分，就可以得到多边形平板面元的雷达散射截面：011sin ()2()12n N n jkw r jkw r n N nkw a P ae kw a ∙∙=∙=-∙∙∑ 式中，0r 是平板面元局部坐标系原点在全局坐标系中的位置矢量；n a 是平板面元第n 个边缘的长度和方向矢量，这些边缘从头到尾沿周界分布；n r 是第n 个边缘中点的位置矢量；T 是w 在平板上的投影长度；/pn w n w =⨯⨯是平板面元上垂直于w 的单位矢量；N 足平板边缘的数目。

棱边的散射可用等效电磁流法单独计算，与面元散射计算结果矢量相加即得目标总的RCS，此处从略。

总的看，实现目标散射的面元法计算需解决以下几个关键问题：1)目标的精确建模2)型的合理剖分3)面元与棱边的消隐处理4)电磁散射计算接口设计值得说明的是，当目标包含腔体或角形结构时，还须计入多次反射和绕射的影响，这一问题原则上可用射线追踪的方法解决，但其通用化实现难度较大，一般都是根据目标的实际外形结构个别处理，这里暂不考虑多次反射和绕射的影响。

计算结果显然，F117A在500M hz以上的入射波照射下，后向散射RCS基本上都在2-，而500MHz之前的RCS几乎都大10dB m0d B m以下，有些点甚至低于2于220d B m之多。

这充分说明了F117A高频隐身效果好的特点。

0d B m，最高达2三、F117A低频散射特性对F117A模型进行立方体阶梯近似剖分，时间步长/2=∆进行计算。

考dt c虑入射波沿F117A鼻锥方向(方位角0度俯仰角0度)入射的情况。

可以看出，F117A 在米波雷达照射下RCS比较大，普遍位于210dB m，0d B m以上，峰值甚至超过了2这就说明F117A在低频段隐身效果很不明显。

通过对F117A在两种极化方式下低频RCS的比较，可以看出，在0～130M hz频率范围内，水平极化曲线上升得更快，RCS更大；而在130M hz以后，垂直极化的峰值普遍高于水平极化。

因此，不能绝对地认为在米波波段，F117A的水平极化后向RCS一定比垂直极化时大。

这表明，以正交极化发射、全极化接收对F117A的探测是有利的。

四、F117A俯仰特性由于隐身飞机的低可见度设计不可能在两个欧拉角内均达到隐身，尤其在俯仰平面内有可能观察到大RCS值。

因此，对于弹载导引头和机载雷达来说，选择俯视观察目标有可能取得良好的反隐身效果。

下面针对不同俯仰角入射情F117A后向RCS的频率特性。

入射波为水平极化，方位角0度，俯仰角为30度~60度。

当分别用频率100M hz和150M hz照射时F117A的后向RCS随俯仰角的变化曲线。

可以看出，F117A后向RCS随俯仰角变化明显。

当俯仰角达50度时，RCS 最大，但相对于俯仰角0度仅增大了1.237倍(以2m为单位计算)，这是由于在100M hz时，0度入射的RCS本身就已经比较大了，因此提高的反隐身效果不明显；而当150M hz且俯仰角达52度时，RCS最大，相对于俯仰角0度增大了3．624倍，提高的反隐身效果很显著。

五、F117A双基地特性作为一种反隐身技术，双基地雷达探测越来越多地应用到军事防御领域中。

所谓双、多基地雷达，是指将发射机和接收机置于不同地点，接收机是隐蔽的。

隐身飞机采用外形设计和吸波材料结合的方法，除了使雷达信号被吸收外，还使雷达信号的反射波发生偏转，偏离了辐射源的方向，而双、多基地雷达就利用了这一特点，由设置在另一地方的接收机接收这种反射波，从而达到反隐身的目的。

当频率150M hz时沿鼻锥向水平极化入射、双站接收的RCS。

可以看出，在12.1053m的双站角大于130度以后，双站RCS显著增大。

可知，一架单站RCS为265.0724m。

当频率1GHz时沿鼻F117A，在双站角为130度时，其双站RCS可达2锥向水平极化入射、双站接收的RCS，仍然可以看出，在双站角大于120度以后，0.8964m，而双站角为130度时，RCS达双站RCS显著增大。

此时单站RCS为2214.7475m。

很显然，对低可见度飞机目标进行探测时，有时采取大双站角来反隐身是有效的，而且高频时的效果要优于低频时六、结论针对F117A隐形飞机，在高低频散射特性，外形特点，俯仰特性和双基地特性方面对其进行了分析，且得到一些结论，归结为：1)F117A在低频段具有较大的RCS，普遍在20d B m以上，峰值甚至超过210dB m。

因此，采取低频雷达探测隐身飞机是一项有效的反隐身技术措施。

2)F117A随不同的俯仰角有显著的变化，如频率为150M hz，俯仰角为52度时，RCS将增加3.624倍。

因此，通过适当的俯仰角观察F117A，可以获得较好的效果。

3)F117A双站RCS随双站角而变化，例如，频率为1G hz，双站角为130度时，双站RCS达214.7475m。

因此，采取大双站角观察，可望获得很好的反隐身效果。

七、总结在大三上学期学完《微波技术基础》这门课程之后，对本专业微波方向只是一些理论上的认识，例如专业的基础M a xw ell方程组，电磁场的解等。

可是怎么将这些理论应用到实际的需求上来仍是不甚了然。

图3 F22结构三视图这一切的问题在大三下学期有了一个很好的解决方式，在学习了专业课程《电磁兼容》、《天线原理》、《微波电子线路》和《电磁散射与隐身技术导论》后，对于所学专业无论是理论上还是应用技术上都有了一个直观且深刻的认识，也更加的激发了自己对于本专业学习的兴趣，这里感谢各个授课老师平时悉心的教导。

至于这次的选题《F117A的电磁散射及隐身特性研究》，一方面是因为本人对于军事很有兴趣，本来想做对于美国现役的五代机F22的隐身方面的研究，可惜找了很多地方都找不到资料，只能放弃，只能将目光放在了已经退役的F117A 隐身战机上来了，所幸资料很全；另一方面，也是跟课程有关的，主要我认为这个选题很符合老师对于大作业的要求，针对隐身目标的散射分析提出反隐身的技术手段；而且F117A也是隐身战机家族的一个明星，跟着美国参加了入侵巴拿马、海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争等多次实战行动，战果显著，对于中国这个崛起中的大国，要无时无刻的防备着对方的可能性进攻，这对国防安全至关重要，也只有做好了各种各样的工作，才能满足国家“打赢高科技局战争”的需要。

而做好这些工作的前提条件就是要有一批能献身于国防的高科技技术人才，培养这些人才也是我们学校的一个任重道远的任务。

图4 F22编队飞行虽然《电磁散射》的课程即将结束，但是我们在这条路上的行进没有终点，相信我们这一批90后以后能够接过前辈国防的重担，保卫我们的家人。

参考文献：【1】《等离子体覆盖立方散射体目标雷达散射截面的时域有限差分法分析》，刘少斌张光莆袁乃昌【2】《隐身目标低频宽带电磁散射特性研究》，莫锦军。

【3】近远场天线测量系统与定标体 RCS 的研究，陈军，2012年西安电子科技大学。