许多国家已经展示了设计、制造和测试高超音速滑翔飞行器 （HGV） 的能力，它们正越来越多地成为军事库存的一部分，可能提供该技术非常独特的能力。本文报告了通用 HGV 在五个频率范围内的模拟单基地雷达散射截面，即与不同雷达类型相关的 HF、VHF、UHF、L 和 S 波段。综合了复杂共极和交叉极化数据的完整球形数据集，以便随后可以从原始数据集中计算出线性或圆极化的 rf/微波能量照明产生的反向散射。陆基弹道导弹预警系统和空间物体监视和识别雷达通常采用圆极化，以避免电离层法拉第旋转效应导致的极化错配损失。数据是使用 Ansys 的有限元求解器在 10、150 和 430 MHz 下生成的，1.3 GHz 和 3 GHz 数据采用基于几何光学/物理光学的 SBR+ 求解器。
所有数据均在低于与目标电尺寸相关的奈奎斯特采样间隔时产生。然后将这些数据集导入 Matlab 例程中，该例程在特定情况下与可能的雷达视距相关的有限角度范围内提取数据，通常关于飞行方向的标准差为 ±10°，应用高斯或均匀采样分布作为蒙特卡洛分析的一部分。然后使用这些提取的数据形成直方图，给出对特定 RCS 值进行采样的概率。然后拟合概率密度函数和累积分布函数，以帮助表示每个波段和角度采样范围的统计目标波动。HGV 存在于“瑞利”、“共振”或“光学”散射状态，具体取决于其相对电气大小。结果表明，对于 HF 和 VHF 情况下的这种目标形状，简单的 Swerling 0（波动不变）近似在大多数情况下就足够了，而 Gamma 分布可能适用于 UHF 频段情况。在 L 波段和 S 波段，发现 Beta 分布与可用数据拟合良好。
高超音速滑翔飞行器 （HGV） 在探测和跟踪方面为地面雷达带来了独特的挑战。这是由于它们相对于雷达的潜在高径向速度、不可预测的飞行剖面和低高度（在后一种情况下，相对于遵循弹道轨迹的传统再入飞行器 （RV），这是由于它们可能具有高径向速度。在评估新雷达和现有雷达检测/跟踪这些车辆的有效性时，总是构建了一个基于雷达距离方程的模型。在这些模型中，HGV 以 RCS 波动为目标，因此探测器中电压信号幅度的相应变化，以及最终的检出概率 （Pd） 对于给定的误报概率 （P发） 和信噪比 （SNR） 的分布，使用 Peter Swerling 在 1954 年提出的普遍应用的分布集之一表示 [1]。这项工作建立在 Marcum 的先前分析之上，[2]。
雷达距离方程计算用于确定有用参数，例如最大探测范围 （R麦克斯） 或跟踪概率，通常非常合理地假设“类似导弹”飞行器的 Swerling III 或 IV 情况 [3， 4]，包括高超音速。这些基于卡方分布，代表来自一个主要散射体的波动，具有少量额外的较小返回源，从扫描到扫描（情况 III）或脉冲到脉冲（情况 IV）不等。然而，尽管这对于几个波长的 HGV 向雷达“飞行”（即视轴处）[5] 的同极散射可能是合理的，但它可能不适用于其他波长 （λ）、视角或偏振的同一目标。因此，这项工作试图检查 Swerling 分布对通用 HGV 几何形状的适用性，作为这些参数的函数，并在此过程中开发自定义波动模型。然后可以计算使用这些模型对 SNR 的影响，并将结果用作基于雷达距离方程的计算的一部分。
高超音速滑翔飞行器的尺寸差异很大，具体取决于其设计要求，尤其是有效载荷的尺寸和质量。然而，它们都必须适合各自的助推器的直径，通常是中型、中程或洲际弹道导弹 （MRBM/IRBM/ICBM），其示例在 [6， 7] 中给出。反过来，如果与当前平台相关联，这些通常由发射管直径决定。构建了一个大致代表现有在役系统 [8， 9] 的几何结构，并且松散地基于已在公共领域广泛报道的形状 [10]。与现有和拟议的洲际弹道导弹（如俄罗斯的 RS-18A“Stilletto”和 RS-28“Sarmat”）一致的最大宽度表明直径为 3 m [11]。参考文献 [10] 中的图像如图 1 所示。
假设车辆直径为 3 m，则通过摄影测量法估计其余尺寸为：
长度 – 5.0 m
身高 – 1.05 m
鳍片倾斜高度 – 0.41 m
鳍片长度 – 1.4 m
鳍片宽度 – 0.03 m
底座宽度（最大） – 1.5 m
底座长度 – 3.85 m
刀尖半径 – 0.1 m
Ansys Electronics Desktop （HFSS） 中表示的几何结构如图 2、图 3 和图 4 所示。
该车辆被假定为完美电导体 （PEC）。这可能是一个合理的近似值，原因有两个。由于需要热保护或消融，蒙皮材料通常与更传统的房车中使用的蒙皮材料相似，通常由碳陶瓷复合材料组成[12]。它们在微波频率下具有高电导率，导致表面电压反射系数Γ ≈−1（由于发生 180° 相位变化而出现负号，当入射电磁波穿过具有 377 Ω特性阻抗的介质时遇到阻抗较低的介质时，会发生 180° 相位变化）。
在低于 1 GHz 的频率下，碳基复合材料的电导率足够高以至于可以认为它基本上是无限的假设可能会开始崩溃，这取决于复合材料的纤维体积分数和厚度。这导致车辆蒙皮可能会表现出有限的传输损耗，具体取决于材料厚度与特定频率下蒙皮深度的关系。然而，为了满足核电磁脉冲 （NEMP） 的要求，重型货车通常经过良好的电气筛选，因此 PEC 近似值在大多数实际雷达工作频率下仍然有效 [13， 14]。
在某些情况下，当在大气层运行时（即在低于卡门线约 100 公里的高度），通过身体的空气的空气动力学加热产生的等离子体效应可能会对整个 RCS 产生影响。作为先前使用等离子体模型的研究的一部分 [15] 进行的工作表明，等离子体和碰撞频率导致具有色散（频率依赖性）电导率的电离区域，该电导率有可能与 HF、VHF 和低 UHF 频率下的入射电磁波相互作用，但在 L 波段及以上可以忽略不计 [16]].这种效应不包括在这里提供的 HF、VHF 和 UHF 数据中，因为尚无法获得模型所需的可靠数据。因此，随后在这些频率下呈现的结果仅在 HGV 处于飞行的大气层外阶段时才有意义。
此外，在 HF 频率下，当车辆位于对应于电离层的 D、E、F1、F2 层的高度时，通常为 50-400 公里，其凌日可能导致等离子体的局部电子密度发生变化，从而导致额外的反向散射。因此，可以说这种影响也是车辆特征的一部分，需要在 RRE 计算中加以考虑。
Ansys 的 HFSS （2022R1） 射击反弹射线+ （SBR+） 几何光学/物理光学求解器用于模拟 UHF、L 和 S 波段频率（分别为 430 MHz、1.3 GHz 和 3 GHz）下几何结构的反向散射，因为在这些情况下目标具有合理的电气尺寸。因此，“渐近”技术并不总是能很好地表示的二阶散射效应的贡献不太可能对整个散射场做出重大贡献[17]。无论如何，SBR+ 包括通过物理衍射理论的衍射效应、通过均匀衍射理论的多次反弹/阴影，以及额外的蠕动波。“全波”有限元 （FE） 求解器用于 HF （10 MHz） 和 VHF （150 MHz） 仿真，其中几何结构在某些视角下电气很小。
用于 HF 仿真的有限元四面体体积网格如图 5 所示，作为真空/体界面处的表面。边界框的尺寸为 30 m x 20 m x 20 m，是精度和求解器运行时间/内存要求之间的折衷方案。在 10 MHz 时，网格只需要非常粗糙，单个体单元的厚度为 ≈900 毫米 （≈λ/30），在较小的特征周围进行更精细的处理。相应的 VHF （150 MHz） 网格投影如图 6 中 8 m x 4 m、3 m x 3 m 边界框所示。单个网格元件的边长约为 200 mm （λ/10）。
每个频段随后使用的增量和奈奎斯特采样角。采样角度通常是亚奈奎斯特的，因为当仅来自有限角度范围的 RCS 值（即选择“看”角）可能从完整数据集中获取时，需要确保足够大小的数据集用于后续的统计分析。
所得的 RCS 是在 -180° ≤ φ ≤ 180° 和 0° ≤ θ ≤ 180° 上获得的。θ 的变化本质上是类似于橙色从天顶（车辆上方到底部）移动的分段。因此，θ = 90°（φ变化）切口表示在逆时针方向上零仰角处围绕车辆的方位角范围，而 φ = 0° 切口围绕车身垂直移动（在 xz 平面中;坐标系统见图）。
从求解器中导出复杂的 RCS 数据，随后在 Matlab 脚本中进行后处理，以便随后可以从每次运行生成的 8 个文件 [Re（Vθ）、Im （Vθ）、Re（Vφ）、Im（Vφ）、Re（HḸ）、Re（Hφ）、Im（Hφ）] 中合成线性或圆极化 （CP） RCS，这些文件代表散射场的共极分量和交叉极分量。
在 10 MHz 时，图 9 和图 10，由于目标的电尺寸始终为 ≤λ/6，因此散射通常可以被视为本质上的瑞利散射，尽管从结果来看，它显然不是点散射体。然而，散射波瓣非常宽，但可以看到 HH 和 VV、Tx 和 Rx 导致图案具有相同的一般形状，但具有不同角度范围和水平的特征。方位角切割图案由基点处的四个主瓣主导。随后的分析表明，φ = 0°（前倾）瓣主要是阻抗不匹配的结果，这是由于入射电磁波在机身后部遇到急剧的不连续性而导致的，而不是来自半球形机头的镜面反射（在电气上太小，不会导致明显的反向散射）。通过更改船尾几何形状并重新运行来消除这一点，可以大大降低凸起的幅度。φ = 180°（后向）波瓣也是由机身后端出现的阻抗不匹配引起的。在这些波长下，其宽度仅为 ≈λ/10，因此反向散射不是真正的镜面反射。φ = ±90° 处的凸角是车身和后控制面之间存在的二面体的结果。它们的去除会导致这些叶大部分消失。在随后的 3D 散射图中，可以看到这些二面体与底面的平面一起，导致在大的仰角角度范围内产生宽边散射。由此产生的组合会产生一个波瓣，该波瓣在 φ = ±90°（即在 yz 平面上）的整个 θ 上完全围绕车辆延伸。
本文节选自其中一部分：
本期专题涉及的论文和代码如下：
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