圖1　系統(tǒng)框圖

　　本文中雙站RCS計(jì)算應(yīng)用物理光學(xué)法(PO)與等效電磁流法(ECM)分別計(jì)算復(fù)雜目標(biāo)雙站散射中面元與棱邊散射場(chǎng)，通過變化的視角來調(diào)整跟蹤導(dǎo)彈有效地接近運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的軌跡，在一定的背景環(huán)境下，對(duì)××戰(zhàn)斗機(jī)雙站RCS進(jìn)行分析.在WINDOWS NT/98微機(jī)平臺(tái)上利用軟件圖形標(biāo)準(zhǔn)接口Open GL［1～3］和硬件圖形加速卡對(duì)目標(biāo)和背景像素進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和自動(dòng)消隱，通過對(duì)各像素點(diǎn)的散射場(chǎng)計(jì)算和相位綜合求得總散射場(chǎng)，來完成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中圖形電磁計(jì)算部分.目前，在國際相關(guān)刊物上尚未發(fā)現(xiàn)利用圖形電磁計(jì)算方法(GRECO)計(jì)算復(fù)雜目標(biāo)的雙站RCS.本文針對(duì)隱身與反隱身、雷達(dá)探測(cè)等方面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)雙站可視化RCS實(shí)時(shí)計(jì)算，具有重要的軍事實(shí)用意義.

二、虛擬現(xiàn)實(shí)模型概述
　　本文主要討論基于某地域(含海峽地形)防空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的雙站RCS計(jì)算，設(shè)××飛機(jī)從T島以一定的高度一定的速度和航跡朝G地飛行，設(shè)在S、X、N等地組成雷達(dá)網(wǎng)并在其中某地部有地空導(dǎo)彈.那么在這種模型下，背景主要為目標(biāo)所處大氣情況，如圖2所示.

圖2　基本模型

三、雷達(dá)系統(tǒng)定義
　　雷達(dá)系統(tǒng)坐標(biāo)系是針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一的，其定義為：地球中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，由地心向北極為Z軸，經(jīng)度為0的子午面為XOZ面，X，Y，Z軸組成右手螺旋坐標(biāo)系，如圖3所示.

圖3　雷達(dá)系統(tǒng)坐標(biāo)系

　　雷達(dá)系統(tǒng)坐標(biāo)系隱含于整個(gè)系統(tǒng)中，而各臺(tái)計(jì)算機(jī)針對(duì)不同的需要將采取各自的坐標(biāo)，尤其在主機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，所觀察到的畫面是虛擬隨機(jī)的.如圖4所示，設(shè)某一時(shí)刻飛機(jī)在A1位置時(shí)，由地面上發(fā)站雷達(dá)R1和收站雷達(dá)R2及飛機(jī)構(gòu)成雙站RCS計(jì)算坐標(biāo)系；當(dāng)另一時(shí)刻，飛機(jī)飛行至A2、導(dǎo)彈飛行至B2時(shí)，導(dǎo)彈由導(dǎo)彈頭上的雷達(dá)進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)引，則改為單站RCS計(jì)算坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算.

圖4　雙站RCS計(jì)算坐標(biāo)系變換舉例

四、雙站RCS計(jì)算定義
　　如圖5所示，θ和φ定義了入射波傳播方向，θ′和φ′定義了散射波方向.而當(dāng)收發(fā)站雷達(dá)相距較遠(yuǎn)的時(shí)候稱為雙站，此時(shí)α稱為雙站角.

圖5　散射角度示意圖

　　基于此在求解雙站RCS時(shí)，利用雙站RCS求解坐標(biāo)系，其定義為：水平向右為軸，屏幕的后法線方向?yàn)?，=×，為便于計(jì)算中對(duì)照明面的積分定義雙站入射方向?yàn)?img alt="ts17-3.gif (100 bytes)" height="19" src="/article/UploadPic/2009-10/2009102122437674.gif" width="11" />=-,為任意的散射方向，如圖6所示.

圖6　雙站RCS求解坐標(biāo)系定義圖

五、面元雙站散射場(chǎng)求解
　　1.理想導(dǎo)體表面雙站散射場(chǎng)是根據(jù)物理光學(xué)(PO)對(duì)照明面上的積分求解任意雙站散射方向上的散射［4，5］
　　由圖6所定義的雙站RCS求解坐標(biāo)系，在求解面元為一般多邊形情況給出計(jì)算公式.
　　設(shè)圖7所示的入射場(chǎng)為單位平面電磁波(時(shí)間因子為ejωt)，相應(yīng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以分別表示為：

　(1)
　(2)

式中，,Y0為自由空間波導(dǎo)納，分別表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)的極化方向，k為自由空間的波數(shù)，為波的入射方向，為任意的散射方向.

圖7　面元散射示意圖

　　由Stratton-Chu積分公式，當(dāng)散射體內(nèi)無電磁波時(shí)，散射場(chǎng)

　(3)

式中Es為散射電場(chǎng)，ET、HT分別為總電磁場(chǎng).
　　由式(3)與遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件可得遠(yuǎn)區(qū)散射場(chǎng)

　(4)

　　上式為物理光學(xué)雙站積分解，為多邊形表面外法向單位矢.式中的積分在照明面∑上進(jìn)行.
　　當(dāng)面元足夠小時(shí)，其在屏幕上圖像表現(xiàn)為一個(gè)像素p,式(4)可表示為：

　(5)

其中p=(npx,npy,npz)為像素p外法向單位矢，其三個(gè)方向分量npx,npy,npz可在屏幕上利用,,三個(gè)方向分別用紅、綠、藍(lán)三種單色光單獨(dú)照射直接得到［1～3］.
　　最后將式(5)表示為像素表示式并對(duì)整個(gè)目標(biāo)可見像素進(jìn)行積分，可得面元總散射場(chǎng)：

　(6)

　　Δsp是屏幕上像素p所代表的相應(yīng)面積.
　　2.涂覆雷達(dá)吸波材料表面雙站散射場(chǎng)用物理光學(xué)和阻抗邊界條件結(jié)合進(jìn)行求解［1，6］
　　如圖8所示，令多層媒質(zhì)的層數(shù)為L，加之其外部條件，共有L+2層媒質(zhì).則在入射媒質(zhì)與分層媒質(zhì)中的電磁散射場(chǎng)為：

　(7)

式中為沿軸的單位矢量，［Mm］的具體表達(dá)式為

　(8)

式中：

δm=(2πNm/λ)dmcosθm
Nm=εmμm-j(4πσmμm/ω)　(9)

其中λ為入射平面波波長，ω為角頻率，ε、μ和σ分別為媒質(zhì)的介電常數(shù)、導(dǎo)磁率和導(dǎo)電率，為簡便起見，定義分層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)納Y為

　(10)

故方程(7)可表示為

　(11)
　(12)

式中［B　C］T定義為分層結(jié)構(gòu)的特征矩陣，且

Y=C/B　(13)

圖8　多層介質(zhì)板構(gòu)形

　　實(shí)際上，分層媒質(zhì)的反射系數(shù)可表示為

　(14)

六、棱邊雙站繞射場(chǎng)用等效電流法和物理繞射理論加增量長度繞射系數(shù)進(jìn)行求解
　　劈的雙站散射場(chǎng)可以利用等效磁流法得出，其散射場(chǎng)可由下式的積分給出［7，8］：

　(15)

　　計(jì)算的劈的有限長劈，式(15)中l(wèi)即劈的長度,k為自由空間波數(shù),G(′,)為自由空間格林函數(shù).Ie(′)和Im(′)就是要求的電流和磁流，根據(jù)文獻(xiàn)［7］，可推出Ie(′)和Im(′)的計(jì)算公式.考察沿方向傳播的平面波入射到一外劈角為Nπ的劈，目的是得出劈邊上O點(diǎn)處對(duì)任意觀察方向的電流Ie(′)和磁流Im(′)的精確表達(dá)式，如圖9所示，選 O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，選a軸垂直于劈邊且位于劈的上表面內(nèi)，b軸與劈的上表面的外法向矢量重合，t軸沿劈的邊緣方向并與a、b成右手坐標(biāo)關(guān)系.

圖9　棱邊構(gòu)形(入射方向沿-,觀察方向?yàn)?img alt="ts07.gif (86 bytes)" height="18" src="/article/UploadPic/2009-10/2009102122437427.gif" width="8" />)

　　和劈邊的夾角為：

　(16)

　　包含入射方向和的入射平面與劈的上表面之間的夾角為φi，包含觀察方向和的散射平面與劈的上表面之間的夾角為φs.
　　根據(jù)文獻(xiàn)［7］，直接寫出Ie(′)和Im(′)的表達(dá)式為：

　(17)
　(18)

式中α1=cos-1(sinβscosφs/sinβi),α2=cos-1(sinβscos(Nπ-φs)/sinβi).

七、雙站RCS計(jì)算
　　利用本文方法可直接對(duì)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)中雙站RCS進(jìn)行實(shí)時(shí)有效地計(jì)算，所有目標(biāo)與背景都可以用三維圖形顯示，通過對(duì)不同目標(biāo)與背景建立不同的電磁模型進(jìn)行分析，然后對(duì)各像素進(jìn)行相應(yīng)的處理.圖10所示為一多站雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)，其中任意兩個(gè)收站(s1)與發(fā)站(s2)組成某一雙站雷達(dá)網(wǎng)，飛行器目標(biāo)在雷達(dá)坐標(biāo)系中以航路角φ、速度v直線飛行(φ為收發(fā)站雷達(dá)連線方向與v負(fù)方向夾角)，P為航路捷徑(雷達(dá)到飛行方向的最短距離)，R為斜距(目標(biāo)與雷達(dá)距離)，H為目標(biāo)高度.對(duì)任意時(shí)刻，人們可根據(jù)目標(biāo)與雷達(dá)站相對(duì)方位確定雙站計(jì)算坐標(biāo)系，調(diào)節(jié)目標(biāo)在屏幕上的姿態(tài)角，進(jìn)而求出目標(biāo)任一瞬時(shí)的RCS響應(yīng).

圖10　目標(biāo)雷達(dá)坐標(biāo)系定義

八、計(jì)算實(shí)例
　　1.某飛機(jī)模型雙站RCS求解驗(yàn)證
　　圖11是對(duì)某飛機(jī)模型進(jìn)行雙站RCS求解的示意圖，設(shè)雙站角α=30°，發(fā)站為S1，收站為S2，為與雙站測(cè)試條件吻合，選取目標(biāo)與雷達(dá)在同一個(gè)平面內(nèi)(H=0).

圖11　雙站RCS求解的示意圖

　　圖12是在頻率f=10GHz,HH極化時(shí)的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的雙站RCS曲線，實(shí)線是利用本文方法計(jì)算結(jié)果，虛線是實(shí)驗(yàn)曲線.二者符合良好，證明本文方法的可靠性與準(zhǔn)確性.

圖12　某飛機(jī)模型雙站計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

　　2.復(fù)雜目標(biāo)雙站RCS求解
　　對(duì)圖10而言，在雷達(dá)坐標(biāo)系中，設(shè)某型飛機(jī)起始參數(shù)(對(duì)s1站而言)P=10km,R=20km，H=10km,?=60°，雙站雷達(dá)s1與s2之間距離為1km，設(shè)位置為(x0,y0,z0)，任意時(shí)刻t的飛行位置為(xt,yt,zt)，地球半徑為Re=6380km，飛行速度v=50m/s，考慮地球曲率半徑影響不難求得不同時(shí)刻t此雙站系統(tǒng)相對(duì)于目標(biāo)的雙站角，再根據(jù)此飛機(jī)的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合及像素剖分，進(jìn)而利用本文方法給出該目標(biāo)不同時(shí)刻的RCS值.起始位置計(jì)算如下

目標(biāo)勻速等高飛行，各時(shí)刻位置為

xt=x0-vtcosφ
yt=y0-vtsinφ

　　圖13是對(duì)××飛機(jī)利用本文方法計(jì)算的雙站RCS曲線.(俯仰角0°,側(cè)滾角0°,計(jì)算時(shí)間為0～5000秒,間隔10秒,頻率為10GHz,VV極化)．

圖13　雙站RCS計(jì)算曲線

九、結(jié)　　論
　　本文通過應(yīng)用物理光學(xué)法(PO)與等效電磁流法(ECM)計(jì)算復(fù)雜目標(biāo)雙站散射散射場(chǎng)，并將其應(yīng)用到虛擬雙站環(huán)境中，同時(shí)通過對(duì)××戰(zhàn)斗機(jī)的虛擬雙站RCS進(jìn)行分析.在WINDOWS NT/98微機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)雙站圖形電磁計(jì)算，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　(1)利用圖形電磁計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，易于在微機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行雙站RCS計(jì)算和利用微機(jī)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；
　　(2)三維可視化圖形可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，為以后在此環(huán)境中進(jìn)一步開發(fā)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，為以后在此環(huán)境中進(jìn)一步開發(fā)目標(biāo)跟蹤與導(dǎo)引的可視化創(chuàng)造了條件.
　　本文給出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好的復(fù)雜目標(biāo)的雙站計(jì)算RCS曲線，同時(shí)利用××戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行虛擬雙站RCS計(jì)算，具有工程應(yīng)用價(jià)值，對(duì)隱身與反隱身研究有重要意義.