CN105305097A - 一种基于Salisbury屏的新型二面角结构 - Google Patents

Abstract

一种基于Salisbury屏的新型二面角结构，它是由两个正方形面的Salisbury屏组成的双层结构，按预定角度组合而成，前面一层是具有特定电阻的阻抗层，后面一层是金属背板，两者之间由厚度预定各向同性的低损耗介质分开。该结构能改变普通二面角结构的散射特性，从而提高目标自身抗鉴别的能力。此外由于S屏可以实现目标RCS即雷达散射截面缩减，因此由S屏构成的二面角结构在改变了普通二面角RCS特征的同时，也能够实现后向RCS缩减，使得具有S屏二面角结构的目标兼具隐身效果。

Description

一种基于Salisbury屏的新型二面角结构

技术领域

本发明属于雷达目标特性领域。具体涉及到利用新材料改变雷达目标的后向散射特性，更进一步来说是利用雷达吸波材料(RAM)——Salisbury屏(S屏)来改变传统二面角结构的雷达目标后向散射特性，设计了一种基于S屏的新型二面角结构。

背景技术

雷达根据所收至的回波来判定目标的各种信息，包括诸如运动轨迹、物理参数、几何形状等。雷达目标特征信息隐含于雷达回波之中，通过特定的波形设计和对目标回波幅度与相位的处理，分析与变换，可以得到目标的雷达散射截面及其起伏统计模型、目标极化散射矩阵、目标多散射中心分布和目标成像等参量，它们表征了雷达目标的固有特征。

在实际应用中，雷达获得目标的固有特征后，还需要对目标进行分类、识别，以进一步确定目标的类型以及数目。雷达目标分类识别的任务就是在复杂背景下，鉴别出感兴趣的目标，并确定目标类型、数目等信息。近年来，利用目标的雷达散射截面(RCS)以及极化特征进行目标识别研究常有报道，如文献(常宇亮、李永祯等，全极化复杂调制假目标的鉴别方法，雷达与对抗[J]，2007,第1期:21～24、29)提出了一种基于载频变换的全极化复杂调制假目标鉴别方法，并用实验方法验证了对金属球和三面角目标鉴别的有效性；文献(李佳等人，基于RCS的海上目标识别方法研究，电波科学学报[J]，2010,25(4):651～656)提出利用目标散射截面幅度信息的识别方法，并指出如果对目标RCS幅度序列进行特征量提取和模糊综合判决，可以获得较高的识别率。总而言之，目标极化信息和RCS信息是目标特征的重要属性，在目标识别领域应用甚广。

从另一个角度来看，被雷达探测的非合作目标通常希望降低被雷达发现的概率，以更好的保护“自己”，因此电子干扰技术应运而生。在军事领域，电子干扰能够有效的降低目标被雷达的发现概率，提高非合作目标的生存空间。常用的电子干扰方法有有源和无源两种主要的方式。有源干扰包括压制式干扰、有源欺骗式干扰。无源干扰则通常包括角反射器、箔条、假目标等。

在目标特性领域，进行目标特征变换也是非合作目标自身防护的重要手段。目标的雷达散射截面(RCS)是表征雷达目标对于照射电磁波散射能力的一个物理量，是雷达目标特性的一个重要参数，因此如果能够利用技术方法改变雷达目标的散射特性，那么就能够有效地提高雷达目标抗鉴别、抗识别的能力，达到目标自我隐蔽、自我保护的效果。目前，对雷达目标RCS的改变大多都是从隐身角度考虑的RCS缩减技术，常用的RCS缩减方法主要分为三种：赋形、有源与无源阻抗加载和雷达吸波材料。其中，雷达吸波材料技术是属于RCS缩减技术中发展最快，应用最为广泛的技术之一，如Salisbury屏等，已有很多文章对S屏的后向散射特性做了分析和探讨。

S屏是一种结构简单的干涉型雷达吸波材料。其基本原理是利用进入RAM并经过目标表面反射回的反射波和直接由RAM表面反射的反射波相互干涉而抵消，使得在特定频率处的反射回波为零。典型的S屏是通过在导体平板前放置一块具有特定电阻的阻抗层来消除电磁波垂直入射情况下平板的后向散射。

相对于金属平板，S屏的RCS缩减效应本质上实现了金属平板结构的电磁散射特性(包括RCS特性和极化特性)的改变，因此可以利用S屏的这一吸波特性，设计新型结构，改变目标特性，提高目标抗检测和鉴别的能力。目前，无任何文献和报道指出对S屏扩展，构建基于S屏的二面角结构，更没有对S屏二面角结构的后向散射特性方面的探讨。

本发明立足于此，设计了基于S屏的二面角结构。需要指出的是，基于S屏的二面角结构不仅改变了普通二面角结构的后向散射特性，同时改变了二面角结构的极化特性，这说明本发明所设计S屏二面角结构与通常的二面角不同，发生了极化特性变换，因此使得通常的极化目标识别方法失效，具备天然的抗极化识别能力。

发明内容

二面角或三面角结构是雷达目标中常见的结构，由于其目标特征比较明显，经常被雷达用来探测和分类识别目标。本发明的目的在于提供一种基于Salisbury屏的新型二面角结构，该结构能改变普通二面角结构的散射特性，从而提高目标自身抗鉴别的能力。此外由于S屏可以实现目标RCS即雷达散射截面缩减，因此由S屏构成的二面角结构在改变了普通二面角RCS特征的同时，也能够实现后向RCS缩减，使得具有S屏二面角结构的目标兼具隐身效果。

与普通二面角结构类似，本发明是一种基于Salisbury屏的新型二面角结构，由两个正方形面组成，不同的是将普通二面角的两个金属平面替换为两个S屏，其基本结构如图1所示。该新型二面角结构可以等效成两个S屏按预定角度组合而成，是一种双层结构，前面一层是具有特定电阻的阻抗层，后面一层是金属背板，两者之间由厚度预定各向同性的低损耗介质分开。按照图1所示的S屏二面角结构。

其中，对S屏二面角进行电磁仿真参数设置：入射电磁波频率为10GHz，对应波长为3cm，两个等效S屏尺寸同为5λ×5λ＝15cm×15cm，电磁入射角度且θ＝0°，阻抗层电阻为377Ω/m²，阻抗层与金属背板之间距离d＝0.25λ＝7.5mm。

其中，低损耗介质是指相对介电常数、介质损耗角正切值较小的介质，如空气等绝缘材料。

图2给出正交S屏二面角和正交普通二面角的后向RCS曲线图，图3给出60°S屏二面角和60°普通二面角的后向RCS曲线图。从给出的仿真分析曲线图能够得出以下结论：与常规二面角结构相比，S屏二面角能够改变普通二面角结构后向散射特性的同时全面缩减二面角结构的后向RCS值。具体的，相比于普通金属二面角，S屏二面角的后向RCS峰值点发生了变化，无论是正交S屏二面角还是60°二面角结构，在电磁波入射范围内都出现了两个RCS峰值，且峰值点RCS值全部低于普通金属二面角结构的RCS峰值。因此可以看出本发明能够达到的效果及优点是：

(1)实现目标雷达特性的改变，不但实现了RCS特性的变化，而且实现了极化散射特性的变化，还具后向RCS的缩减的效果；

(2)控制灵活方便。由于S屏二面角结构可以简单看成是两个S屏的组合，可以通过调整两层板之间的距离以及低损耗介质的特性就能够控制S屏二面角的后向散射特性。

(3)该二面角结构还具有制作简单，方便，研发周期短，成本低，灵活性好等优点。

附图说明

图1是正交S屏二面角结构示意图。

图2是正交普通二面角和S屏二面角(空气填充)后向RCS对比图。

图3是60°二面角和60°S屏二面角(空气填充)后向RCS对比图。

图4是正交普通二面角结构仿真模型(电磁波垂直极化)图。

图5a是电磁波HH极化正交普通二面角和S屏二面角RCS幅度对比图。

图5b是电磁波HV极化正交普通二面角和S屏二面角RCS幅度对比图。

图5c是电磁波VH极化正交普通二面角和S屏二面角RCS幅度对比图。

图5d是电磁波VV极化正交普通二面角和S屏二面角RCS幅度对比图。

图6a是电磁波HH极化正交普通二面角和S屏二面角RCS相位对比图。

图6b是电磁波HV极化正交普通二面角和S屏二面角RCS相位对比图。

图6c是电磁波VH极化正交普通二面角和S屏二面角RCS相位对比图。

图6d是电磁波VV极化正交普通二面角和S屏二面角RCS相位对比图。

图中符号说明如下：

S₀：S屏二面角的边长；φ：为S屏二面角张角；

电磁波入射角度；θ：电磁波入射角度；

A、B、C、D：硬质细塑料棒支撑位置，其值视设计而定。

具体实施方式

见图1—图6d，首先我们给出基于FEKO软件仿真的正交普通二面角和正交S屏二面角结构的极化散射矩阵对比结果，正交普通二面角仿真模型如图4所示，具体参数设置如下：正交二面角的两个面设置为PEC边界，尺寸15cm×15cm，入射波频率10GHz，入射角度θ＝0°。正交S屏二面角仿真模型与图4类似，只是调整了模型，此处不给出。

(1)入射角时：

普通二面角极化散射矩阵：

$S\_dihedral=\left[\begin{array}{cc}-0.1090+0.8775i& -0.0000+0.0000i\\ 0.0000+0.0000i& 0.2089-0.8516i\end{array}\right]$

$|S\_dihedral|=\left[\begin{array}{cc}0.8842& 0.0000\\ 0.0000& 0.8769\end{array}\right]$

S屏二面角极化散射矩阵：

$S_s\_dihedral=\left[\begin{array}{cc}0.0946+0.0524i& 0.0000-0.0000i\\ 0.0000-0.0000i& -0.0405-0.0473i\end{array}\right]$

$|S_s\_dihedral|=\left[\begin{array}{cc}0.1082& 0.0000\\ 0.0000& 0.0623\end{array}\right]$

(2)入射角时：

普通二面角极化散射矩阵：

$S\_dihedral=\left[\begin{array}{cc}-0.0471+0.5097i& -0.0000-0.0002i\\ 0.0000-0.0002i& -0.0715+0.4202i\end{array}\right]$

$|S\_dihedral|=\left[\begin{array}{cc}0.5119& 0.0002\\ 0.0002& 0.4263\end{array}\right]$

S屏二面角极化散射矩阵：

$S_s\_dihedral=\left[\begin{array}{cc}0.1329+0.0814i& -0.0002-0.0001i\\ 0.0001+0.0001i& -0.0057+0.0321i\end{array}\right]$

$|S_s\_dihedral|=\left[\begin{array}{cc}0.1559& 0.0002\\ 0.0002& 0.0326\end{array}\right]$

(3)入射角时：

普通二面角极化散射矩阵：

$S\_dihedral=\left[\begin{array}{cc}0.0050+0.7430i& 0.0000-0.0000i\\ 0.0000-0.0000i& -0.0653+0.6330i\end{array}\right]$

$|S\_dihedral|=\left[\begin{array}{cc}0.7430& 0.0000\\ 0.0000& 0.6363\end{array}\right]$

S屏二面角极化散射矩阵：

$S_s\_dihedral=\left[\begin{array}{cc}0.0143+0.0446i& 0.0000-0.0000i\\ -0.0000+0.0000i& 0.0111-0.0081i\end{array}\right]$

$|S_s\_dihedral|=\left[\begin{array}{cc}0.0469& 0.0000\\ 0.0000& 0.0138\end{array}\right]$

从以上结果能够看出，普通二面角结构和S屏二面角结构的极化特性在主极化通道差别十分明显，在交叉极化通道则完全一致，可以预见利用这一特征能够实现二面角结构的抗识别和抗鉴别能力。图5a-图5d、图6图6a-d给出求解极化散射矩阵所用的两种正交二面角RCS幅度和相位对比曲线。

下面结合附图和仿真结果，对本发明的基本原理和特性做进一步解释说明。本发明——正交S屏二面角结构示意图如图1所示。从图1能够看出，本发明主要包含两个组成部分：

a)阻抗层：阻抗层的电阻值为377Ω，这种情况下，入射到阻抗层的电磁波能量刚好平均分成两部分，一部分直接反射，另一部分则穿过阻抗层后经导体背板后反射。

b)金属背板：金属背板对电磁波而言就相当于“一面墙”，电磁波遇到金属背板后会全部反射，实际中可以用铝、铜等金属制作。

c)厚度为d的各向同性低损耗介质，该低损耗介质用于将阻抗层和导体背板分开,低损耗介质的厚度以及特性直接影响了S屏二面角的性能。如果单独制作S屏二面角，可以不填充除空气外的任何介质，这就要求利用机械支撑的方法将阻抗层和导体背板层分开一定的距离，但若将S屏二面角加载到武器装备上则必须使用低损耗介质，如泡沫介质。

下面给出二种具体基于S屏的二面角结构的具体实施方式，分别是空气填充的正交S屏二面角结构，空气填充的60°S屏二面角结构。

(1)空气填充的正交S屏二面角结构

空气填充正交S屏二面角结构的具体设计参数和材料如下：阻抗层的电阻值为377Ω，金属背板为铝(厚度1mm，ε_r＝1μ_r＝1.000021，电导率38000000siemens/m)，阻抗层和金属背板之间的距离为d＝7.5mm，二面角的两个正方形面的边长S₀＝15cm，且夹角为90°。由于本发明为空气填充，因此要用长度为7.5mm的硬质细塑料棒将阻抗层和导体背板层分支撑开，支撑位置在如图1中A、B、C、D点。图2是正交普通二面角和正交S屏二面角(空气填充)后向RCS对比。

(3)空气填充的60°S屏二面角结构

空气填充的60°S屏二面角结构与空气填充的正交S屏二面角结构的唯一不同即是二面角两个面的夹角由90°变为60°，其他参数完全相同。图3是60°二面角和60°S屏二面角(空气填充)后向RCS对比；

此外，基于S屏的二面角结构还可以进行无限的扩展，本文不一一给出具体设计，扩展方式如下：

a)更改阻抗层与金属背板之间的距离d；

b)更改阻抗层与金属背板之间的填充介质；

c)更改构成二面角结构的两个正方形面之间的夹角

以上三个因素(距离d、介质、夹角)是影响S屏二面角后向散射特性的关键因素，因此可以通过改变这三个关键因素对S屏二面角结构进行进一步的扩展。

Claims (3)

1.一种基于Salisbury屏的新型二面角结构，其特征在于：它是由两个正方形面的Salisbury屏组成的双层结构，按预定角度组合而成，前面一层是具有特定电阻的阻抗层，后面一层是金属背板，两者之间由厚度预定各向同性的低损耗介质分开。

2.根据权利要求1所述的一种基于Salisbury屏的新型二面角结构，其特征在于：对Salisbury屏二面角进行电磁仿真参数设置：入射电磁波频率为10GHz，对应波长为3cm，两个等效Salisbury屏尺寸同为5λ×5λ＝15cm×15cm，电磁入射角度且θ＝0°，阻抗层电阻为377Ω/m²，阻抗层与金属背板之间距离d＝0.25λ＝7.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于Salisbury屏的新型二面角结构，其特征在于：该低损耗介质是指相对介电常数、介质损耗角正切值较小的介质。