典型結構缺陷的局部電磁散射特性測試流程研究

葉文娟，朱林寰，蘇飛

（1.國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241000；2.北京航空航天大學，北京 100191）

1 概述

隨著航空工業技術的發展，飛機結構的安全性和可靠性成為了關注的焦點，然而，飛機結構對其電磁散射性能的作用影響非常大，因此，對飛機結構缺陷產生的電磁散射性能影響的評估研究具有非常重要的實際意義。局部電磁散射評估技術是一種高效、便捷、有效的非破壞性檢測方法，本研究將對飛機典型結構缺陷的局部電磁散射特性測試評估流程進行概述。

根據電磁場基礎理論及研究成果可知，電磁散射測量誤差可表示為：，式中，δ 為實測值，δ0為最優估計值（理論值），?δ 為誤差。在IEEE 1507-2007 標準中指出，每個電磁散射測試場都有其獨特性，電磁散射測試數據處理算法不能夠完全覆蓋測試中所有可能存在的影響因素，必需在電磁散射測量工程實踐中不斷完善、改進和研究新方法來處理測量誤差問題。經查閱相關文獻，通過誤差分析與估算以提高數據的置信度。

通過實驗測試方法研究，可以準確獲取結構缺陷所產生的電磁散射特性，并通過散射幅度、相位和頻譜等參數對缺陷進行影響評估。應用局部電磁散射技術可以實現飛機結構缺陷的檢測、評估和故障診斷，為飛行安全提供重要支持。本研究的目標電磁散射性能測量采用同地同時定標方式測量目標電磁散射地面平面場，在保證其他誤差影響因素均一致的前提下，分析2 種測試流程下目標電磁散射結果，即背景-目標耦合對實測結果的影響，從而構建科學、合理、可行的局部電磁散射檢測流程。

2 低散射載體及測試流程

在研究結構缺陷損傷評估時，由于被測部件損傷部分散射特性可能小于部件本身的散射特性，從而導致部件損傷細節散射特性堙沒于本身散射中而無法獲取本身散射的有用信息特征，所以采用低散射載體來承載被測部件來開展電磁散射特性測試，以降低部件不連續結構造成無法獲取被測件的電磁散射特性。低散射載體可實現其自身的散射水平低于被測部件1 ～2 個散射量級，從而體現被測部件的損傷細節散射特性。

由于低散射載體的散射水平較低，且外形通常不能用簡單的曲面方程加以描述，因此，在設計過程中對其電磁散射的預估可采用多層快速多極子方法，保證仿真計算精度的同時提高仿真效率。本文中所設計的載體外形結構如圖1 所示，其安裝接口如圖2 所示。被測部件外形為盾形，與低散射載體通過止口定位連接，尺寸精度需要較高，安裝之后縫隙小于0.2mm，安裝完后采用相應的鋁箔或吸波膠條將安裝螺絲和縫隙黏接，以確保電性能連續。被測樣件如圖3 所示，被測樣件安裝方式如圖4 所示。

圖1 載體外形示意圖

圖3 被測樣件

圖4 被測樣件安裝方式

外形為盾形，與低散射載體通過止口定位連接，尺寸精度需要較高，安裝之后縫隙小于0.2mm，安裝完后采用相應的鋁箔或吸波膠條將安裝螺絲和縫隙黏接，以確保電性能連續。

在同一測試環境中，目標-載體耦合來源于目標的散射和載體的再散射。根據目標雷達散射特性測量與處理技術，目標-載體耦合的影響很難完全采用解析的方法來分析和解決，一般通過實驗測量來研究不同目標-載體的耦合散射。

為研究目標-載體耦合對目標散射性能測量結果誤差影響，本文采用將載體置于支架上作為背景的一部分進行背景電平測試和將載體移出測試區進行背景測試兩種方案進行結果對比分析（如圖5）。

圖5 測試流程示意圖

由于載體是金屬結構，當被測目標安裝在載體上時，目標與載體之間是導電的，那么，載體和目標的表面感應電流激發了目標和載體之間耦合散射作用。

在電磁散射測試中，由于金屬載體的特殊外形以及目標-載體間的幾何關系，入射場在目標表面激發的表面電流將流向金屬載體。圖6 和圖7 分別表示VV 極化和HH 極化情況下目標表面行波傳導至金屬載體的耦合電流方向。在VV 極化時，所激發的表面行波既傳導到載體前沿尖劈，也傳導到載體的側向；而在HH 極化情況下，主要激發表面行波傳導至載體兩側。由于金屬載體的特殊散射結構，流經金屬載體前沿的表面波更容易對目標自身散射回波產生干擾。

圖6 VV 極化時目標與載體產生的耦合電流

圖7 HH 極化時目標與載體產生的耦合電流

3 測試結果分析

對于低電磁散射目標而言，因為表面縫隙、臺階等弱散射源極易出現問題且數量多，因此，這些弱散射源是重要的雷達后向散射源。本文采用典型缺陷縫隙型樣件進行驗證電磁散射特性評估系統的合理性和可靠性。如圖8 所示，典型縫隙缺陷樣件。圖9 ～11 所示為測試結果。

圖8 被測典型缺陷樣件

圖9 俯角為15°

從圖8 ～10 可以看出，樣件實物和測試結果在距離和缺陷尺寸上能夠體現對應關系，從而驗證測試流程的可行性和有效性。

X 波段，HH 極化情況下，激發表面行波傳導至載體，由于載體的特殊散射結構，流經載體的表面波更容易對目標自身散射回波產生干擾。HH 極化耦合電流強，目標散射信號被淹沒，提取不到目標散射信號。

由于目標支架高度超過目標尺寸，且目標區地面采取了整形措施，通過實驗測量，載體與目標之間電磁耦合引起典型缺陷樣件電磁散射差值約為1.4dBsm，建議對于散射特性量級較小的目標測試時，將載體移除測試區域以減小背景-目標耦合的影響，進一步提高實驗結果的置信度。

優化流程前vv 測試結果件圖9。

優化流程后vv 測試結果見圖10。

圖10 俯角為15°

優化流程前，HH 測試結果見圖11。

圖11 測試結果圖

優化流程后，HH 測試結果見圖12。

圖12 測試結果圖

4 結語

本文基于結構的典型縫隙缺陷樣件電磁散射特性測試試驗研究構建了測試工藝流程并對測試結果進行理論分析和實測數據對比評估，從而驗證了測試流程的合理性和有效性。