基于SBR的新型多次散射RCS計算方法研究

齊玉濤 姚凱凱 張馨元

摘 要：復雜目標一般都存在腔體結構或目標部件之間的多次散射效應，對其進行準確預估是提高RCS計算精度的關鍵。本文從目標三維CAD模型特點出發，在保證模型擬合精度的基礎上采用一種新的射線追蹤方法，可有效的提高射線追蹤精度和計算效率，給出的計算實例表明本文方法具有較高的計算精度，可推廣應用于復雜軍事目標的RCS計算中，具有較高的工程實用價值。

關鍵詞：雷達散射截面（RCS）;腔體結構;射線追蹤;彈跳射線法（SBR）

中圖分類號：TN973.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0077-02

0 引言

對于飛機、導彈等具有復雜外形的電大尺寸目標，其主要的散射源包括機翼、機身的面元散射，進氣道、尾噴口等腔體結構的多次散射，機身各部件之間的多次散射等等，一般在快速計算過程中往往忽略多次散射計算，影響了計算精度。目前，多次散射計算的高頻方法包括模式法（Modal）、迭代物理光學法（IPO）、彈跳射線法（SBR）等多種方法，由于其清晰的物理概念和快速計算的特點，在實際工程應用中占有非常重要的地位，尤其是SBR方法的應用最為廣泛，它不但可高效的計算腔體內部散射，也可對部件間的多次散射進行有效分析。但SBR方法也有求解精度和效率受射線追蹤精度和效率限制的缺點。對于面元擬合模型，射線追蹤精度無法有效保證，造成計算精度的損失，因此可利用Unigraphics造型軟件的二次開發功能，基于幾何模型直接進行射線循跡，避免模型擬合帶來的循跡誤差，提高計算效率和精度。

1 理論方法

假設均勻平面波照射通過設定的參考面沿入射方向照射到目標模型上，均勻平面波可表示為：

（1）

其中和分別為電場垂直和水平兩個正交分量;

（2）

和分別為入射波的俯仰角和方位角。

SBR方法的計算過程可分為三個部分：

（1）射線管路徑追蹤。給出目標的幾何模型和入射場設置，追蹤射線在目標中的整個傳播路徑;（2）射線管場強追蹤?；趲缀喂鈱W法求出射線最后一次離開目標表面的場強;（3）遠場積分求解。根據物理光學法求出目標的后向散射場與RCS。

1.1 基于UG的射線管路徑追蹤

本文結合UG軟件的建模技術和二次開發工具UG/Open API開發了新的射線追蹤方法，這種基于UG的新型射線追蹤方法不僅能夠準確地對NURBS曲面模型進行射線追蹤，而且編寫程序時不需考慮模型消隱和線面求交等問題，相較于傳統射線追蹤方法更加高效精確。主要步驟如下：

（1）編寫程序獲取動態目標模型部件標識名（.tag），UG中所有的模型部件對象都有各自的標志名，通過標志名可訪問部件對象所有的幾何信息;（2）利用二次開發工具UG/Open API函數獲取目標包圍盒，選擇包圍盒的一個面作為參考面，然后在參考面上劃分射線管進行射線追蹤。當入射方向改變時，調整模型姿態，重新獲取目標模型包圍盒;（3）通過調用UG/Open API函數求射線與目標表面的交點以及交點處目標表面的法矢量等信息;（4）根據所求得的交點的位置及法矢量等信息，利用Snell定律求出射線在此交點處的反射線;（5）將反射線作為入射線與目標表面進行下一次求交，如此循環往復，直至射線離開目標射向無窮遠處。

1.2 場強追蹤

在射線追蹤過程中，射線管的場強與相位也會隨射線的傳播而發生相應的變化，根據幾何光學原理，沿射線的電場分布表達式如下

（3）

其中和分別為射線與目標第i+1個和第i個交點處入射場，為第i個交點處的并矢反射系數，為兩個交點間散射因子。

（4）

1.3 遠場積分

本文利用UG及其二次開發工具，將照射在目標上的射線管分為兩類。第一類是射線管照射在目標外表面，選擇在目標表面作遠場積分;第二類是射線管照射在腔體內部，通過在腔體口徑面設置一個有界平面，在SBR射線追蹤過程中射線管最后一次離開物體表面射向無窮遠處時，有界平面篩選出從含腔目標腔體中出射的射線管并在有界平面上作積分;將所有的射線管的積分結果進行矢量疊加，就可以求得整個目標的RCS。

2 計算實例

如圖1所示的圓形直腔，腔體外直徑15.9cm，內直徑15cm，高29cm。圖2所示的單向平面元擬合模型，采用底面圓形用內切72邊形擬合。入射波頻率為10GHz。

針對這兩個模型，采用SBR方法進行計算對比，如圖3所示，可以看出，總體趨勢都比較吻合，但在部分角度時二者偏差較大，且曲面模型的結果更加吻合實驗結果，說明為了求解射線與目標的交點，采用復雜面元剖分目標模型會降低SBR算法的計算精度。為進一步說明情況，我們選取目標與Z軸夾角為30°時，進行單條射線垂直極化路徑追蹤，如圖4所示。說明對目標進行平面剖分時，會存在誤差，而且誤差會隨著射線在目標部件間反射次數的增多而增大，隨著射線反射次數的增多，射線追蹤的誤差越來越大，這樣求出的RCS精度就會不高甚至是錯誤的。進一步用實例說明了本文提出的SBR算法具有較高的計算精度。

3 結語

本文針對復雜外形目標多次散射問題，提出基于UG軟件二次開發功能進行射線追蹤計算RCS的方法，通過仿真計算實例說明可高效的進行射線的追蹤，并驗證對比了追蹤精度，說明了本文方法的可行性，具有較大的工程應用價值。

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