RCS計算方法11

1、航空宇航學院RCS的計算方法航空宇航學院內(nèi)容提要· 目標RCS精確解法· 矩量法· 高頻區(qū)目標RCS近似計算方法 幾何光學法 物理光學法 幾何繞射理論 物理繞射理論航空宇航學院目標RCS精確解法· 波動方程2 22 2· 邊界條件n × (E1 E2 ) = 0n × (H1 H 2 ) = 0n (D1 D2 ) = ñ sn (B1 B2 ) = 0· 限制· 求解上述方程必須要使物體表面與某一個可分離的坐標系相吻合，也即有嚴格級數(shù)解可以利用時，波動方程才能有嚴格的解析解。· 但只

2、有少數(shù)幾種形體能滿足這種要求。 E + k E = 0 H + k H = 0航空宇航學院目標RCS精確解法· 球的后向散射雷達散射截面ó =2ðn2n + 1=n 1 (1) ( 2 )(bn an )航空宇航學院矩量法· 控制方程 Stratton-Chu積分方程E s = siùµ (n × H )ø +(n × E ) × (n E )ø dsH s = siùµ (n × E )ø +(n × H ) × (n H

3、)ø ds 航空宇航學院矩量法· 求解思路 將積分方程寫成帶有積分算符的符號方程; 將待求函數(shù)表示為某一組選用的基函數(shù)的線性組合并代入符號方程; 用一組選定的權(quán)函數(shù)對所得的方程取矩量，得到一個矩陣方程或代數(shù)方程組; 求解代數(shù)方程組。· 特點精度較高在目標外部輪廓取樣時，間隙不得超過波長的1/5左右。當目標尺寸與波長相比很大時，取樣數(shù)量十分龐大主要用于低頻區(qū)和諧振區(qū)的散射問題。航空宇航學院高頻區(qū)目標RCS近似計算方法· 依據(jù) 大多數(shù)探測雷達的波長都遠遠小于飛行器的特征尺寸。 在高頻區(qū)復雜目標的散射場可看作各個散射源產(chǎn)生的散射場的綜合。· 方法幾何

4、光學法物理光學法幾何繞射理論物理繞射理論航空宇航學院幾何光學法· 概念 當電磁波波長與目標尺寸相比很小時，可以近似地用幾何光學的觀點來研究物體上電磁波的散射現(xiàn)象。 幾何光學法是一種射線追蹤方法，波長被認為是無限小，能量沿著細長管（射線管）傳播。 電磁波照射到表面光滑的良導體目標時，其后向散射并不發(fā)生在整個表面上，而發(fā)生在一些很小的面元上，這些元面切平面垂直于入射線。航空宇航學院幾何光學法· 計算根據(jù)幾何光學法的假設和RCS定義，RCS計算公式ó = ðñ1ñ 2航空宇航學院幾何光學法· 討論 目標RCS只取決于反射點的主曲率

5、半徑，計算公式十分簡單 首先要找到鏡面反射點，然后求出該點的主曲率半徑1和2，即可得到RCS值。 只能用于雙曲表面目標RCS的計算 球的RCS計算公式為：· 計算結(jié)果與精確解法一致航空宇航學院物理光學法· 物理光學法的出發(fā)點是散射問題的Stratton-Chu積分方程E s = siùµ (n × H )ø +(n × E ) × (n E )ø dsH s = siùµ (n × E )ø +(n × H ) × (n H )ø ds

6、· 通過一些近似假設，將積分方程進行簡化，將散射問題的積分方程簡化為散射體表面的近似積分問題。· 高頻條件· 遠場近似· 切平面近似 航空宇航學院高頻條件· 如果照射到目標的入射波波長比目標的尺寸小得多時，那么可以把入射波近似看作跟光線一樣，認為射線照不到的地方，目標表面各點的場強為零。入射波照射區(qū)陰影區(qū)場強為零航空宇航學院遠場近似· 如果目標表面上任一點到觀察點的距離遠遠大于目標的尺寸，則格林函數(shù)的梯度可簡化為ø iksø其中ø =ikR4ð Re航空宇航學院切平面近似· Strat

7、ton-Chu積分方程右端包含有總場，為使方程簡化成定積分問題，應將方程中右端的總場用入射場來表示。· 為了將入射場與散射場聯(lián)系起來，假設目標表面上的任一點及其附近表面曲率半徑比波長大得多，根據(jù)平面波在無窮大平面上電磁邊界條件，對于理想導體表面，入射場與散射場的關系為n × E = n × (E i + E s ) = 0n × H = 2n × H s航空宇航學院基于物理光學法的散射場計算公式· 基于三個近似條件，散射場計算公式sjùµe jk0 R2ðRs1i i jk0 sr 'ds 

8、9;s jk0e jk0 R2ðRs1i jk0 sr 'ds '這是一個定積分計算式E =(n × H ) s × (n × H )seE =(n × H ) × se航空宇航學院用物理光學法計算平板RCSó =4ðA222A為平板面積cos ösin(2ka sin ö ) 22ka sin ö航空宇航學院用物理光學法計算平板RCS· 結(jié)果討論 當入射方位在平板法線附近時，計算結(jié)果與實驗值吻合得很好。 當入射方位編離平板法線方向較大時（當30°）

9、，計算結(jié)果與實驗值誤差較大，角越大，誤差越大。· 其原因是：當入射方向與平板法線方向偏離較大時，此時平板的電磁散射機理主要是平板的邊緣繞射，而物理光學法并沒有考慮邊緣繞射現(xiàn)象。航空宇航學院幾何繞射理論· 幾何光學法和物理光學法不能用來解決邊緣繞射的問題。· Keller等人提出應在光學中所用的入射線、反射線和折射線概念的基礎上引入繞射線的概念，并建立了一套新的計算散射場的方法，即幾何繞射理論。航空宇航學院幾何繞射理論· 繞射場是沿繞射射線傳播的，繞射射線所形成的圓錐面稱為Keller錐。 當入射線與邊緣垂直時，圓錐面退化為與邊緣垂直的平面圓盤。·

10、; 在高頻區(qū)時繞射和反射一樣是一種局部現(xiàn)象。 也就是說繞射只取決于散射體繞射點鄰域內(nèi)的物理特性和幾何特性，這可以稱之為局部原理。· 離開繞射點后的繞射線仍遵循幾何光學的定律，即在繞射射線管中能量是守恒的。航空宇航學院幾何繞射理論計算過程· 首先必須找出這樣的邊緣單元，它們在局部的Keller錐上的一條母線貫穿遠區(qū)場的觀察點。· 設想在整個目標的邊緣上可建立起多個小Keller錐，在計算中只需包含那些朝向觀察點方向的Keller錐的邊緣，而忽略所有的其它邊緣。· 將到達觀察點的所有射線的散射場進行疊加。航空宇航學院幾何繞射理論計算公式E/d = D s E

11、/ie jkRRs' ' cos (8 jð k ) sin â 0 n n n = 2 á / ðð是內(nèi)劈角â是入射線與邊緣之間的夾角其中 D ö + ö (2 / n) sin(ð / n)1 1 cos n coscosn 航空宇航學院用幾何繞射理論計算平板RCS在°范圍，計算值與測量值吻合得很好。航空宇航學院幾何繞射理論的特點· 優(yōu)點 彌補了幾何光學法和物理光學法沒有考慮邊緣散射現(xiàn)象的缺陷。 計算公式簡單，繞射線的物理意義直觀· 缺點 只能用于求Keller錐母線上的散射場，不能用于計算其它方向的散射場。 繞射系數(shù)和分別沿陰影邊界和反射是奇值。· 當°時，平板，出現(xiàn)奇點航空宇航學院物理繞射理論· 為了克服物理光學法沒有考慮邊緣繞射的缺陷，Ufimtsev提出了一種物理繞射理論。· 與幾何繞射理論相同點 也是通過尖劈散射的典型解來求繞射系數(shù)的 它們只能用于Keller錐上的散射方向· 與幾何繞射理論不同點 物理繞射理論把散射場表示為物理光學貢獻和邊緣貢獻之和，并利用二維尖劈問題的嚴格解來提取邊緣貢獻。· 物理繞射理論所得出的結(jié)果僅