F-117 夜鹰隐形战斗机被认为是世界上第一架真正的“隐形”飞机，本文测量了其相当低的雷达散射截面 （RCS）。RCS 是雷达的一个重要参数，它准确地即兴发挥了对目标的可探测性。改变 RCS 的两个最重要的参数，例如雷达收发器的频率和纵横角，最佳输出被记录为结果。使用 COMSOL Multiphysics 软件创建了一个虚拟腔室，并在其中应用 F-117A 的 CAD 模型。以平面电场作为入射雷达信号，已经记录了 RCS。该文考虑了双基地 RCS 计算方法进行仿真。结果清楚地表明，在 S 波段范围的高阶频率（高于 3.5 GHz）可以获得更好的 RCS，并且在某些特定的纵横角下，结果表现出更高的可探测性。
雷达是指通过撞击和反射电磁能来确定物体存在的电子设备。它通过漫反射传输高频微波信号，而“散射”称为反射信号。通常，反向散射称为与入射光线相反方向的反射。[1]
目标的能力和大小可以用一个术语“雷达散射截面”来表示 [2]。基本上，它是反向散射密度（来自目标）和目标截获的功率密度的比率。
要测量 RCS，需要知道为什么总是更好和更高的 RCS 值会对机载、海上、陆地车辆构成威胁。可以检测到目标所需的距离随其 RCS 的 4 次根 [3] 波动。
Vivaldi 天线 （AVA） 在 X 波段雷达系统中的应用和研究，用于隐形战斗机的探测。由于 Palm Tree AVA 只是真正的指令 AVA，允许生成高分辨率微波图像，即使目标具有低雷达特征，目标与介质之间的介电对比度在 10% 之间，其表面都以 45 度左右的角度进行刻面，从而转移了电磁波从雷达返回的方向。分析阶段使用的飞机模型采用 1.1 介电常数材料设计，其表面大多相距 45 度。进行的信号处理从损失反射 （S11） 参数的采集开始，其中通过应用傅里叶逆变换将实分量转换为时域，然后执行背景减法步骤、边缘检测和图像重建。最终图像显示了您可以清楚地识别飞机的模式，以及鬼影的混响，因为研究场景相对较小，这没有考虑介质的衰减。
与传统的对跖 Vivaldi 天线 （AVA） 设计相比，它具有改进的辐射特性。它扩展了低端带宽限制，减轻了旁瓣和后瓣电平，纠正了斜视效果，并增加了其主瓣增益。为了确认这些特性，对 ESE-AVA、低指向性传统 AVA 和两种流行的修改，即常规槽边 （RSE） 和锥形槽边 （TSE） AVA 进行了比较研究。AVA 与建议的 6 GHz ESE-AVA 之间的比较表明，与传统 AVA 的 5 dB 增益、-5 dB 的 SLL 和 0 度的主瓣斜视 （MLS） 相比，增益提高了 8.3 dB，旁瓣电平 （SLL） 为 -15.5 dB，主瓣斜视 （MLS） 为 0 度。通过将 ESE-AVA 与 RSE-AVA 和 TSE-AVA 进行比较，观察到其指数状的缺口，类似于打开主散热器，除了减轻 SLL 外，还将电场分布引向主瓣。它反映在主瓣增益改进中。
自 1991 年 Willis 的双基地雷达出版以来，双基地雷达的进步更新和扩展了双基地和多基地雷达的发展。记录了新的和最近解密的军事应用，详细介绍了民用应用，包括商业和科学系统，领先的雷达工程师为这些应用提供了专业知识。双基地雷达进展包括两个主要部分：双基地/多基地雷达系统和双基地杂波和信号处理。从历史更新开始，第一部分记录了早期和现在解密的军用 AN/FPS-23 Fluttar DEW-Line Gap-filler 和高频 （HF） 双基地雷达，这些雷达是为导弹攻击警告而开发的。然后，它记录了最近开发的无源双基地和多基地雷达，这些雷达利用商用广播发射机进行军事和民用空中监视。接下来，本节记录了用于行星探索的科学双基地雷达系统，这些系统在过去 40 年中利用了数据链发射器;电离层测量，再次利用商用广播发射机;以及使用双基地接收器搭上多普勒天气雷达的 3-D 风场测量。最后一个应用程序已商业化。第二部分首先记录了完整的、未分类的双基地杂波散射系数数据库，以及支持其开发的理论和分析。然后，本节详细介绍了两个与杂波相关的主要发展，聚光灯双基地合成孔径雷达 （SAR），它现在可以使用双基地自动对焦和相关技术生成高分辨率图像;以及自适应移动目标指示 （MTI），它允许通过使用双基地时空自适应处理 （STAP） 来消除移动（即机载）平台产生的非平稳杂波。
近年来，无源多基地雷达引起了人们的广泛兴趣，因为它们提供了与传统雷达相反的许多优势。在这项研究中，我们的目标是在无源多基地雷达系统中检测目标。该系统包含一个发射机和多个空间分布的接收机，由监视天线和参考天线组成。该系统由两个主要部分组成：1. 本地接收器和 2. 融合中心。每个本地接收器都会检测信号，对其进行处理，并将信息传递给融合中心进行最终检测。为了利用空间分集性，针对多基地外辐射源雷达，本文采用了由硬融合和软融合组成的主要融合技术。针对不同的本地雷达探测器分析了硬聚变技术。在软融合方面，在零假设下，在计算检测阈值的同时，对一种称为等增益软融合技术和基于随机矩阵理论的局部探测器进行了分析和理论分析。此外，提出了 6 种新颖的基于随机矩阵理论的软融合技术。所有技术本质上都是盲目的，因此不需要任何传输信号或信道信息的知识。仿真结果表明，与其他盲融合技术相比，所提出的融合技术在合理程度上提高了检测性能。
最近，关于 RCS 分析的研究论文 [4] 指出，对于某些粗糙目标，太赫兹波段的电磁波分辨率高于 Ka 波段，[5] 代表了电波暗室中几个复杂目标的 RCS 建模和汽车应用的测量，这些目标可以通过在 W 波段应用物理光学方法在雷达上检测到， [6] 总结了沥青反射率的估计和使用矢量网络分析仪测量异物碎片 （FOD） 的 RCS，[7] 展示了基于入射角、极化、方位角、仰角变化的隐形飞机多静态雷达散射截面 （MRCS） 的测量，[8] 展示了隐形轰炸机 B-2 Spirit 的 CAD 模型的 RCS 和结果， [9] 提出了商用波音 747-200 飞机的有线模型，根据可靠性和飞行路线测量 RCS，[10] 使用理论和实验工具提出并分析了具有隐身特性的小型飞机的通用模型。实际上，绘制 的雷达特征是一项复杂且具有挑战性的工作。特别是，除了制造商的机密数据外，被盗飞机的雷达特征很少见。本文的主要重点是通过测量和软件仿真来研究非常复杂的目标在 S 波段 （2 GHz ~4 GHz） 的反向散射行为。
本文的结构如下。第三部分重点介绍使用 Stratton-Chu 方法的双基地 RCS。该方法基于双静态散射特性。第四部分是 F-117 夜鹰的目标模型分析。在这里，已经描述了有关目标型号的详细信息以及选择这架飞机的原因。最后，它提出了主要的仿真分析和结果。
使用 Stratton-Chu 方法的双静态 RCS
A. 雷达横截面
雷达散射截面测量在隐身目标研究中非常重要。在这方面，各向同性散射是表征物理散射强度的主要概念 [1]。雷达开发主要关注三种基本的雷达技术。它们是单静态、双静态和多静态 [7]。区别在于信号传输和接收。在双基地雷达中，发射器和接收器之间有一个角度，称为双静态角度。它用于确定特定双基地几何结构的反向散射信号。
隐形轰炸机 B-2 Spirit 的 CAD 模型的雷达散射截面 （RCS） 是使用 CADRCS 软件模拟的。给出了飞机模型具有完美导电表面并围绕偏航、俯仰和滚转轴旋转的仿真结果，并与模型表面覆盖有雷达吸收材料 （RAM） 的仿真结果进行了比较。本研究的目的是研究形状如何影响飞机的 RCS，以及使用 RAM 如何进一步降低其 RCS。
在 1930 年代雷达发明后不久，开始了关于减小飞机和其他军事目标雷达散射截面积 （RCS） 的研究 [1]。原因很简单。RCS 较小的飞机不太容易被雷达看到，具有更好的穿透和打击能力，并且被敌方火力跟踪和击落的可能性较低。隐形飞机也可以用作威慑武器，因为侵略者知道攻击发生的时间和地点的手段有限。飞机的 RCS 可以通过不同的方式降低：通过塑造飞机表面，使雷达波从雷达接收器散射开来;使用雷达吸收材料 （RAM）;通过机动和避让策略;以及雷达干扰设备 [2]、[3]。
形状是隐形飞机设计中最重要的方面。一个著名的例子是 F-117 夜鹰隐形战斗机。它由平板制成，非常规且空气动力学不稳定的形状具有显着降低其 RCS 的特性。B-2 Spirit 轰炸机使用了另一种飞机设计方法。该飞机采用低矮的无尾翼飞翼设计，发动机埋在机翼内，外部结构平滑融合[4]。
为了了解形状在飞机 RCS 预算中的重要性，介绍了隐形轰炸机 B-2 Spirit 模型的 RCS 模拟结果。此外，使用 RAM 可以进一步降低 RCS。这可以通过对这架飞机的模型进行 RCS 仿真来证明，该飞机的表面覆盖着 RAM。
物体的 RCS 是其对雷达能见度的直接度量。RCS 可以定义为电磁波的虚构完美反射器的区域，该反射器将反射回发射/接收雷达天线的能量，与实际目标相同 [5]。RCS 取决于雷达波长和偏振、纵横角、形状和目标材料特性。当发射器和接收器位于同一位置时，它被称为单基地。
S模拟 Tool
RCS 模拟是使用市售的模拟 CADRCS 软件 [7] 进行的。与其他仿真工具一样，该软件将物理光学与光线追踪技术相结合，以计算目标的 RCS。CADRCS 还处理阴影光线，从而为大于雷达波长的物体产生非常准确的 RCS 计算 [8]。它用途广泛，因为它允许在不同条件下模拟目标的 RCS，例如波极化、纵横角、目标与雷达之间的距离、目标反射率和表面粗糙度。CADRCS 是一种软件模拟工具，其销售受丹麦国防部监管。有关 CADRCS 中使用的理论和方法的更多详细信息被视为机密材料，不会向用户披露。
图 1.
为了使用 CADRCS 运行模拟，需要目标的计算机辅助设计 （CAD） 模型。CAD 模型被导入 Rhinoceros 软件中，其表面通过自动网格生成器离散化为三角形单元。然后将此网格导入 CADRCS 进行仿真。本研究使用了具有 4 GB RAM 内存的 3.2 GHz Pentium 3.0 GHz PC。
图 2 和图 3 显示了模拟中使用的飞机的 CAD 模型。该模型是市售的。它的表面被离散成 33,763 个三角形单元。
图 2.
Results
假设飞机表面为完美导体并覆盖有 RAM，进行了模拟。对这些结果进行了比较，并显示了形状在减少 RCS 方面的有效性，以及如何通过将 RAM 应用于飞机表面来改善飞机的隐身特性。RAM 具有吸收照亮飞机的电磁波能量的特性。不同的 RAM 在某些频率范围内吸收效果最好，具体取决于它们的成分。CADRCS 可以通过将反射系数
图 3.
仿真以 10 GHz（X 波段）的频率进行垂直极化，并假设单基地雷达配置。对飞机在偏航、滚动和俯仰方面旋转的 RCS 值进行了模拟。以 0.5° 的间隔计算 RCS 的值。
图 4 显示了模型飞机偏航旋转的 RCS 比较，该模型飞机具有完美的导电表面和覆盖有 RAM 的表面。
图 4.
显示全部
在图 4 中，RCS 的主要贡献者是面向雷达时机翼的前缘（-34° 和 34°）、发动机进气口（-20° 和 20°）和飞机的宽侧（-90° 和 90°）。即使不使用 RAM，也可以观察到在某些纵横角下，模型隐形飞机的 RCS 与鸟的 RCS 一样小（比较图 1 和图 3）。使用 RAM 进一步降低了 RCS。在 0° 左右的纵横角处，RCS 有一个重要的减少，这对应于飞机的正面视图。模型的横向和后部 RCS 也显着降低。−77° 和 77° 处相对较高的 RCS 值是驾驶舱窗户反射的结果，其角度使雷达方向的反射最大化。
图 5 显示了模型绕横滚轴旋转时的 RCS。可以看到，对于完美的导体表面，大约 -90° 和 90° 的角度的 RCS 值很高，因为飞机的底部和顶部表面都面向雷达。−137° 和 -43° 的反射是由膨胀的进气口和驾驶舱结构引起的。大约 25° 和 165° 的反射是由飞机腹部光滑的曲面引起的。
图 5.
需要注意的是，当飞机绕滚转轴旋转时，相关的纵横角约为 −180°、0° 和 180°。这些角度对应于飞机水平飞行或向任一侧倾斜时的情况。对于覆盖有 RAM 的表面，大约 −33° 和 −157° 的反射是由面向雷达的驾驶舱窗户引起的。值得注意的是，RCS 值的变化约为 0°。对于纵横角的负值，RCS 相对较高，因为反射式驾驶舱面向雷达，对于正值，RCS 值的显着降低是由于飞机机身隐藏了驾驶舱。
图 6 显示了当模型绕俯仰轴旋转时，RCS 作为纵横角的函数。在 −90° 和 90° 处出现较大的 RCS 值，是因为模型的腹部和顶部面向雷达。对于完美导电的表面，在大约 -157° 和 -30° 处对 RCS 有重要贡献，分别对应于发动机排气和进气口。通过使用 RAM，这些角度的反射在很大程度上被最小化。对于表面覆盖有 RAM 的飞机，大约 −60° 发生的反射是由反射的驾驶舱窗户引起的。
图 6.
C结论
使用软件仿真工具，可以估计隐形飞机的 RCS。尽管在模拟中使用了 B-2 Spirit 隐形轰炸机的相当简单的 CAD 模型，但结果显示了这架飞机的一些 RCS 功能以及 RAM 的使用如何增加其设计的隐身性。此外，模拟可能会建议飞行战术。由于在这种情况下，隐身技术的目标是最大限度地减少雷达对飞机的探测，因此模拟可以显示雷达和飞机之间的纵横角，以便在任务中避免。需要指出的是，由于 CAD 模型的局限性，模拟的目的并不是为了准确确定 B2 轰炸机的 RCS。而是介绍隐形飞机的一些功能，并展示使用 RAM 如何改善其隐身特性。此外，通过模拟，可以获得对隐形飞机的 RCS 的满意估计。
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