飞机目标动态RCS仿真技术研究
齐玉涛;张馨元;林刚;李建周
【摘 要】针对飞行器目标在实际飞行过程中由于飞行姿态变化对目标电磁散射截面(radar cross ction,RCS)的影响,提出了一种新的动态目标电磁散射建模方法.首先,对飞行器目标精确建模问题,提出了利用激光扫描方法对真实目标进行外形扫描,再通过逆向重构技术得到目标精确几何外形;然后利用实际飞行过程中测试数据,将获取的目标相对于雷达视向角信息代入仿真程序中,使用一体化电磁散射计算软件对一定航路上运动目标进行仿真计算,消除飞行姿态扰动对仿真数据的影响,使动态目标电磁散射建模更加符合实际飞行情况.仿真结果表明,本文方法可快速、准确获取飞机目标动态RCS仿真结果,具有很好的工程应用价值.%In consideration of the influence of moving target to the target radar cross ction (RCS), an exact RCS modeling method of moving target bad on the measured data is propod in this paper. Firstly, we u lar scanning method to build the preci geometric model of the real target. Secondly, we extract the parameters of the target motion characteristics in the actual flight and u the attitude angle in simulated program. Finally, we develop integra
tion software to calculate the electromagnetic scattering, and eliminate the effect of attitude angle variation to make simulated results coincide with actual situation. The results show that it can obtain high accuracy results of aircraft dynamic RCS quickly, and have stronger applicability in engineering.
【期刊名称】《电波科学学报》
丰笔顺
【年(卷),期】2019(034)001
【总页数】7页(P97-103)
【关键词】动态目标;逆向工程;雷达散射截面(RCS);电磁散射
【作 者】齐玉涛;张馨元;林刚;李建周
【作者单位】中国飞行试验研究院, 西安, 710089;中国飞行试验研究院, 西安, 710089;中国飞行试验研究院, 西安, 710089;西北工业大学电子信息学院, 西安, 710072
【正文语种】中 文
【中图分类】TN957
引 言
目标电磁散射特性在隐身与反隐身技术中有着重要的研究价值,也是雷达信息系统的一个重要组成部分．其中目标的雷达散射截面(radar cross ction,RCS)反映了目标对照射电磁波的散射能力,是表征目标特性最基本、最重要的参数[1]．在实际情况中,目标总是处于运动状态,因此,对动态目标电磁散射特性研究具有非常高的实际价值．外场测量是获取动态目标电磁散射特性的主要手段,但外场测量试验需耗费大量的人力、物力及时间．因此,需对动态目标高精度电磁散射建模技术进行研究．
目前,对于复杂目标静态电磁散射特性仿真已经做了大量研究,但对动态目标的仿真计算相对比较欠缺．文献[2]分析了气流对飞行姿态扰动的影响,基于准静态法分析了目标的RCS特性;文献[3-4]根据目标航迹解算了雷达视线角信息,并对姿态扰动采用了正态分布随机数进行修正,解算了目标动态RCS仿真值;文献[5]研究了静态数据获取动态特性过程中的坐标变换和姿态一致性问题．上述文献都是从理论上针对目标姿态变化对电磁散射特性影响进行分析,不能全面反映目标在运动状态下相对于测量雷达视向变化情况,且目标姿态扰动模型还需
进一步验证[6];目标几何模型方面,现有研究普遍精度不足,进而影响仿真计算精确性,也不能对仿真算法的改进提供支撑．
本文基于真实目标激光扫描数据和实际飞行测试数据,提出一种新的动态目标电磁散射建模方法．首先利用激光扫描方法获取目标外形扫描点云,采用逆向几何建模技术,获取目标高精度几何模型,然后利用实际飞行过程中测试数据,将获取的目标相对于雷达视向角信息代入仿真程序中,最后利用一体化的电磁散射计算软件进行仿真计算,从而获取典型运动状态下复杂目标电磁散射特征．本文研究成果既可对现有装备进行建模仿真,提高测试效率,也可对非合作目标进行电磁散射预估．
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1 复杂目标精确几何建模
跟单复杂目标精确几何模型是电磁散射建模的基础,以往研究过程中往往由于复杂目标几何模型不够精细,仿真计算结果不能准确反映目标散射特征．几何模型误差是电磁散射建模主要的误差源之一．为保证建模精确度,获取复杂目标精确三维模型,本文采用逆向重构技术对真实目标进行扫描建模．逆向工程技术[7]是进行产品开发、设计以及改进的重要技术手段,通常包括数据采集、数据处理和CAD(computer aided design)模型重建三个主要环节．
数据采集是利用全站仪、手持式扫描仪、三维激光扫描仪等设备对真实目标表面进行扫描,测出目标表面的若干组点的几何坐标,为全面获取目标扫描数据,可多次对目标进行扫描．飞机目标点云数据采集采用激光三角法和激光束极坐标法两种方法进行测量,激光三角法对曲面曲率较大部位进行测量,激光束极坐标法对测量范围较大、曲面可测性好的曲面进行测量．图1为模型飞机机翼扫描点云．
图1 某型飞机机翼扫描点云Fig.1 The point cloud data of aerofoil shape
豆豉扣肉在逆向测量过程中,飞机目标采集的点云数据量一般都很大,而且不可避免地会引入噪音点,为提高建模效率,提升建模质量,需要对测量数据进行处理．对测量噪音点,采用高斯滤波算法、均值滤波算法或中值滤波算法,可有效去除测量毛刺．对测量数据采样处理,采用文献[7]中局部迭代插值方法进行处理,用较少的点云数据完整表达被测对象的特征信息．
由于飞机目标点云数据量大,因此在建模前可对点云模型进行区域划分,然后利用三维建模软件(如CATIA、UG等)重构各区域外形曲面,最后将各部分曲面在三维建模软件中进行装配、合并,从而获取高精度飞机CAD模型．图2为获取的模型飞机三维几何模型．
鼠标按键图2 某型飞机三维几何模型Fig.2 The 3D model of plane
2 目标动态特征获取
飞机目标动态测量主要采用地面测量雷达对目标进行跟踪测量,动态测量数据区别于静态数据,主要包括[8]:
1) 目标运动时由于相对位置的实时变化而引入的姿态角变化．
2) 在飞行过程中,由于气流或风力作用导致的飞机姿态扰动．
这两个因素导致了飞机目标在飞行过程中姿态不断变化,对于复杂目标,由于散射机理复杂,微小的姿态扰动都会导致电磁散射特性产生较大变化,因此,需要对动态目标姿态精确计算．目标姿态角包含方位角和俯仰角二维信息．文献[3, 9]等是用飞机目标全空域静态RCS数据库,根据飞机性能参数和空气动力学原理生成航线,再通过插值生成航线上动态RCS序列.该方法一方面需要计算4π立体角内足够密集的目标RCS数据,仿真效率较低;另一方面,航线数据计算和引入的随机扰动模型不能精确描述真实目标运动特征．本文针对上述问题,通过真实试验测量数据确定飞机目标在典型飞行状态下测量雷达照射的姿态角信息,通过计算,得到一定航线上目标运动过程中的姿态角变化．由于是利用飞机和地面测量雷达实时记录的数
据进行目标姿态角计算,测量误差对计算结果影响有限,能够比较准确地描述目标运动特征．对于非合作目标,可采用基于航迹及飞行动作对目标航向角、俯仰角和横滚角预估,结合测量雷达信息获取较高精度的目标运动特性．
飞机姿态角常利用飞机上安装的惯性导航系统测量记录飞机的航向角、俯仰角和横滚角,然后利用雷达测量的方位角和高低角在同一时标下进行合成计算．若地面测量雷达在飞机机体坐标系中坐标为(xt(t),yt(t),zt(t)),可用式(1)和式(2)解算出雷达视线在目标坐标系中方位角φ(t)和俯仰角θ(t)．雷达坐标系与目标坐标系关系如图3所示．有关坐标系变换关系,可参考文献[10]相关部分,本文不再赘述．
(1)
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凤凰的拼音图3 机体坐标与雷达坐标关系Fig.3 The relation of radar coordinate systems and plane coordinate systems
3 一体化电磁散射计算
对于飞机等大型复杂目标,由于目标尺寸大,散射机理复杂,在现有电磁散射计算方法中,若要满足计算精度要求,往往计算周期较长,而且对计算资源要求比较高,若采用物理光学法(physical optics,PO)等高频算法,现有计算软件往往忽略了边缘绕射及目标腔体散射,计算精度不足,而且缺乏一体化分析计算环境,这些都制约了电磁散射建模技术的工程应用．
针对上述问题,本文以UG(Unigraphics)建模软件为开发平台,将研究开发的图形电磁计算(graphical electromagnetic computing, GRECO)方法、增量长度绕射系数(incremental length diffraction coefficients, ILDC)及弹跳射线(shooting and bouncing ray, SBR)法集成到UG软件中,形成一套集众多散射机理计算于一体的综合分析计算环境,具有计算速度快、精度高的特点,能够满足复杂目标电磁散射计算的需要．图4为本文计算用一个边长0.866 m,高1.5 m的三棱柱,入射波频率1 GHz,垂直极化．本文方法的具体实现算法可参考文献[11]和文献[12]．图4(a)为三棱柱模型与文献结果,文献分别给出了PO、PO+MEC(等效电磁流)以及MoM(矩量法)计算结果．图4(b)为本文计算结果与电磁仿真商业软件FEKO计算结果的对比,FEKO设置为PO计算,从结果可看出,本文计算方法在偏离镜面反射区也可有较高精度．计算步进为0.5°,本文计算耗时为2分钟55秒,FEKO计算耗时3分钟23秒,从计算效率来说,本文计算方法也比较好．
(a) 三棱柱及文献结果(a) Model of triangular prism and the results in the literature
(b) 仿真结果对比(b) Comparison of simulation results图4 三棱柱及计算结果Fig.4 Triangular prism and simulation result
目前很多被广泛使用的三维CAD软件(如CATIA、Pro/E等)都可以方便地导入到UG中去,因此高精度动态目标几何模型就可方便地使用一体化软件打开,并精确反映目标模型细节．利用UG提供的应用程序接口UG/Open 和UG/Open++,可将实际飞行过程中目标相对测量雷达姿态角信息在计算程序中进行设置,并根据其变化情况设置模型动态信息,就可对目标动态特性精确建模仿真．
