F-117 夜鹰隐形战斗机是世界上第一架真正的低雷达散射截面 （RCS） 的“隐形”飞机。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，并在其中应用了 F-117 的 CAD 模型。该文采用双基地RCS计算方法进行仿真。结果清楚地表明，在更高的 S 波段和 X 波段波段频率下可以更好地获得 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。
雷达是一种电子设备，它通过撞击和反射电磁能来识别物体的存在。通常，反向散射称为与入射光线相反方向的反射 [1]。目标的大小可以用一个术语“雷达散射截面”[2] 来表示，它是目标的反向散射密度和截获功率密度的比率。
要测量 RCS，需要知道 RCS 值对机载、海上、陆地车辆构成威胁的原因。可以检测到目标所需的距离随其 RCS 的
最近，关于 RCS 分析的研究论文 [4] 提出了太赫兹波段具有更高分辨率的电磁波 RCS 和电波暗室中几个复杂目标的测量，这些目标可以被雷达检测到，[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]表示基于入射角、极化、方位角、仰角的隐形飞机多静态雷达散射截面 （MRCS） 的测量，[8] 显示了隐形轰炸机 B-2 Spirit 的 CAD 模型的 RCS，[9] 展示了一架商用波音 747-200 飞机的模型，根据可靠性测量 RCS，[10]表示使用理论和实验工具的小型隐形飞机的通用模型。基本上，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软件仿真研究复杂目标在 S 波段和 X 波段的反向散射行为。
本文分为四个部分。第三部分重点介绍使用 Stratton-Chu 方法的双基地 RCS，第四部分代表 F-117 夜鹰的目标模型分析。为了总结分析，它提出了主要的模拟分析和结果。
使用 Stratton-Chu 方法
A. 雷达横截面
雷达散射截面的测量在隐身目标的研究中非常重要。这里，各向同性散射是研究物理散射强度的主要概念 [1]。有三种基本的雷达技术 - 单基地、双基地和多基地 [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。它通常用于确定几何结构处的反向散射信号。RCS 主要依赖于以下功能：1） Target 结构;2） 频率;3） 场和接收天线的极化;4） 入射角。本文采用 Stratton-Chu 方法研究了频率和纵横角的函数。许多方法可用于高频的 RCS 仿真分析，例如物理光学 （PO） 和几何光学 （GO） 方法 [2]、[5]。PO 方法主要与 Stratton Chu 方程 [2] 一起使用。
目标模型分析和仿真结果
在分析模拟中，F-117 夜鹰隐形战斗机被选为目标对象，这实际上是世界上第一架可作战的隐形战斗机。这架战斗机是由臭鼬工厂部门的 “洛克希德马丁航空系统公司 ”开发的。
在早期的测试结果中，证实了 F-117 的 RCS 不超过一颗小弹珠的 RCS。因此，人们认为任何雷达计算机都无法追踪它。这架飞机的外表面用雷达吸收材料护套。
图 1一架飞行的 F-117 夜鹰
为了进行仿真，飞机的 2D CAD 模型是根据制造商的实际测量结果，使用 SOLIDWORKS 设计到接近近似水平的。然后将该模型导入 COMSOL Multiphysics 软件并进行同步。最终的几何结构有 95 个域、742 个边界和 664 个顶点。形成 2 个实体对象的联合。网格由 7194 个域元和 644 个边界元组成。求解的自由度数：51514。实际上，F – 117A 的设计具有许多几乎平坦的铝面。为了便于计算，目标被分割成 178 个类似“facet”的区域。所有这些面的尺寸都不相等，因此来自这些面的反射雷达信号肯定会彼此不同。背散射电场强度测定及其软件模拟结果计算是本文的主要目标。
A. 雷达横截面
首先使用 COMSOL 通过以全局坐标缩放的几何界面启动目标对象。然后将 2D CAD 模型导入到虚拟空气场中。在代表虚拟电波暗室的圆形场内，所有 360 度的入射角都被考虑在内。现在为了获得准确的结果，我们将目标对象分割成 178 个面状区域。操作流程旨在设置一个虚拟远程发射器和一个接收器天线来测量背向散射电场强度。改变纵横比角和发射机频率。
图 2目标的 2D 模型。
在图 2 中，2D 模型分为五个主要类别。翼展、上表面、尾巴（每个目标的右侧和左侧都考虑）、下表面、窗口。这 178 个碎裂区域是 RCS 测量的基础。
B. F-117RCS 模拟和分析
本小节中计算目标对象和事件场之间的交互。该物体被认为是孤立的并漂浮在空气场中，它与来自远处雷达发射器的电磁波相遇。
图 3F-117 的模型几何
在图 3 中，完整的圆代表一个空气场。外圆和内圆之间的圆形区域是完美匹配层 （PML），可最大限度地减少散射波的非物理反射。通过求解方程 4，可以测量总电场，这表明雷达对目标的可探测性。多物理场软件中，内圆需要适当并完全包围物体，以最大限度地减少 CPU 时间。最外圈也是对于 2D 模型，RCS 是使用双静态反向散射特性测量的。
雷达信号可以通过两种方式减少 - 通过不同角度的散射或信号吸收或两者兼而有之。在 178 个碎片区域中，与其他区域相比，一些区域显示出明显的 RCS 特征。图 5 显示了突出的网格区域（头部、机翼边缘和尾部），其中反向散射信号相对于入射电场可能具有更高的值。
对于 360 值的迭代计算，此处使用参数求解器。模型以 1 度步长从 0 到 359 度扫描。然后，由图 6 所示的背景平面波的传播获得以 dB 刻度计的电场法向界面。现在发射机雷达频率是变化的，保持纵横角固定。选择 S 波段波段范围和 X 波段波来观察隐身目标的 RCS 变化（以 dBsm 为单位）。选择 S 波段是因为最新的军用雷达配备了低功率的低频远光灯平面波，覆盖面积大，精度更高。X 波段用于导弹制导、海洋雷达、天气、中分辨率测绘和地面监视。以铝作为目标物体的制造材料，仿真结果显示了一些 RCS 值。
图 5目标的网格分析。突出的点显示边缘处有 RCS 签名。
相反，改变纵横角也会出现 RCS 波动。图 4 中以线性图的形式绘制了 RCS 在不同纵横角下的极点图。在 2 到 4 GHz 之间，以 0.4 GHz 的间隔绘制图形。图 6 显示了在某些特定纵横角下电场表面反向散射的可视化。
C. 结果和调查结果
从实验中可以看出，在 45-53、220-225 纵横角处，RCS 值超过 60 dBsm。最佳结果是在 91 的纵横角处提供，即 S 波段之间的 62.457 dBsm。另一个附近的值可以从 271 中找到，即 62.433 dBsm。所以在 S 波段，这两个角度在固定频率下最好。
图 7 表示 RCS 对频率波动的依赖性。因此，它提供最高的 RCS 位于 （a） 3.7 GHz，值为 62.4577 dBsm。此外，在 3.5 GHz 到 3.9 GHz 之间也有一些附近的值。
图 6（a） 91° 时 z 方向的绝对表面电场
图 7（a） 3.7 GHz、（b） 10.4 GHz 时的极点图。
从上图（图 7 （b））可以看出，如果雷达频率设置为 10.4 GHz（对于 X 波段），雷达将显示给定复杂物体 （F-117A） 的最大 RCS （66.04206115 dBsm）。
COMSOL 对单元使用高阶离散化。因此，有更多的自由度可用于求解参数方程。因此，从模拟的角度来看，输出比在 [7] 中完成的输出更可靠，其中孔径区域被认为是固定的，同时改变了仰角。孔径区域从 2.5 到 7m 不等2而在本文中，最小单元尺寸为 0.00225m。因此，RCS（无 RAM）远高于 [7]，从而提供更好的可检测性信息。从图 8 中，模拟数据分析总结道，对于 3.7 GHz 的 S 波段，RCS 为 62.4577 dB，对于 10.4 GHz 的 X 波段，RCS 为 66.0421 dB。
图 8S 波段和 X 波段频率范围的 RCS 变化。
已对 2D 对象进行模拟。此外，还可以测量不同的极化、方位角、仰角 RCS 的值。如果使用雷达吸收材料，RCS 的值将大大小于实验值。
第五部分
结论
在本文中，使用几乎真实的 F-117 近似模型，采用 Nighthawk 夜鹰测量不同雷达频率和 S 波段和 X 波段波段纵横角的 RCS。从仿真结果可以看出，X 波段提供的 RCS 值高于 S 波段。因此，在较高阶频率下，RCS 输出更好，检测能力更高。获得 91° 最高 RCS 值的 S 波段。同样，对于 271° 的 X 波段，显示 RCS 的最高值。因此，在特定的纵横角下，RCS 值更好，从而提供更高的雷达可探测性。这项工作可以通过使用多静态雷达进行扩展和发展，也可以用于 3D 对象。
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