一种含抑制缝隙散射涂层的缩比目标构造方法与流程

本发明涉及目标特性测试与缩比隐身材料的构造领域，特别涉及一种含抑制缝隙散射涂层的缩比目标构造方法。

背景技术：

现代化军事系统中隐身飞行器中大量使用隐身材料，如表面吸波涂层、碳纤维蒙皮、前缘吸波结构、蜂窝结构等，其中隐身材料的介电常数和磁导率通常都会随着频率的变化而变化，导致在缩比测量的频率范围内难以保证相应的电磁性能。为保持缩比模型系统在工作频率下遵循相似性准则，需要制备出满足要求的缩比隐身材料。缩比模型与原型目标需要保持电尺寸比例不变，更重要的是保证它们电磁散射特征相同。隐身材料主要包括涂覆型隐身材料和结构型隐身材料，对于涂覆型隐身材料(或者称隐身涂层)的缩比，样件可视为板材，原型厚度较小，结构简单，但考虑磁导率随频率的变化，缩比时需要进行严格的电磁设计。通常而言，当材料的电磁参数与原型材料不同时，所设计的厚度也不遵守缩比厚度＝原型厚度/缩比系数这样的关系。另外，在工程应用中，隐身材料的应用多和目标的电磁散射特征相关，对于强散射通过外形设计能够降低最大的反射，而针对弱散射，由于装备机械加工水平以及装配方面的限制，隐身飞机机体存在的许多不连续特征，如缝隙、台阶、铆钉等。在设计中对于这些不连续特征带来的散射通常采取了相应的抑制技术，如针对飞机表面的缝隙，通常在缝隙处采用喷涂吸波涂层的处理方式来抑制其电磁散射。因此在缩比测试中，为获得更为精确的目标特性数据，针对缝隙这一类散射源，需要对缝隙以及表面涂覆的隐身材料进行缩比构造。

目前针对涂层这一类非金属材料，进行了电磁缩比材料配制方法的研究，以材料的反射率为基准进行设计，然而对于弱散射源和缩比材料之间的耦合效应还并未涉及到。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种含抑制缝隙散射涂层的缩比目标构造方法，针对具有缝隙结构的平板目标模型，以原型均匀涂层材料为依据，在考虑缩比材料反射特性的基础上，对目标弱散射源与材料之间的结构效应进行仿真分析，优化出更为接近的缩比隐身材料。本发明将材料和弱散射源特性引入到缩比材料的设计和制备中，有助于构造更为逼真的缩比目标模型。本发明所构造的材料可应用于目标电磁缩比测试中，设计方法简单，效率高，是一种具有应用前景的电磁缩比材料的高效构造方法。

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种含抑制缝隙散射涂层的缩比目标构造方法，包含以下过程：在考虑缩比材料反射特性的基础上，对目标弱散射源与材料之间的结构效应进行仿真分析，然后通过采取调整缝隙宽度优化出散射特性更为接近的缩比目标模型；所述构造方法进一步包括：步骤s1、原型隐身材料数据和含缝模型参数的输入；

步骤s2、对原型隐身材料斜反射率进行计算；

步骤s3、构造缩比材料；

步骤s4、设定缝隙宽度；

步骤s5、rcs仿真对比；

步骤s6、输出缩比目标模型。

进一步的，所述步骤s1进一步包含：所述原型隐身材料数据包括材料的电磁参数和厚度d；所述电磁参数包括复数介电常数ε、复数磁导率μ、原型测试频率f和缩比系数s；所述含缝模型参数包括含缝模型的几何尺寸。

优选地，所述含缝模型的几何尺寸包括：含缝模型设有的金属平板的长度a、宽度b和厚度t，金属平板的下表面边缘倒角斜率，以及含缝模型的缝隙的长度l和宽度w和厚度p，在所述含缝模型的除缝隙处外的上表面涂覆隐身材料。

进一步的，所述步骤s2进一步包含：根据所述原型隐身材料的电磁参数，以及原型隐身材料的厚度d，斜反射率利用单层材料的传输矩阵方程进行计算求解，计算公式如下：

式中，z0＝377ω。

进一步的，所述步骤s3进一步包含：根据预先建立的吸波材料电磁参数库，采用遗传算法对缩比材料的添加比和厚度进行优化；设定目标函数为反射率偏差求和值，对入射角从0～90°范围内每隔1°的水平极化斜反射率差值进行求和，电磁参数采用hermite插值理论对任意添加比下的材料电磁参数进行插值计算，得到最终的添加比例和厚度，选取厚度最小项为最终的优化结果。

进一步的，所述步骤s4进一步包含：对于含缝隙与隐身涂层的缩比模型，对除缝隙宽度外的缩比模型的金属介质部分按照缩比系数进行缩小；缩比模型的隐身涂层的面积尺寸根据缩比系数进行缩小、缩比模型的隐身涂层的厚度为优化的厚度，对缝隙宽度的调节量按照0mm、±0.5mm、±0.75mm、±1mm序列进行调节。

进一步的，所述步骤s5进一步包含：选取沿水平方向入射的电磁波，电磁波始终垂直于金属平板对角线，用于削弱金属边缘对测试结果的影响；定义：电磁波入射方向垂直于金属平板平面时为0°入射角，入射角范围为45°～90°；入射电磁波电场方向包括hh极化和vv极化。

进一步的，所述步骤s6进一步包含：对缩比前和后的电磁波入射情况进行仿真分析计算，所述仿真分析包括单站rcs仿真或双站rcs仿真，对缩比模型的rcs进行20lg(s)加权补偿，对各样件的rcs均值进行计算，缝隙补偿量采用hermite插值法来计算，拟合出rcs和全尺寸模型rcs均值最为接近的缝隙宽度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明提出的一种含抑制缝隙散射涂层的缩比目标构造方法，与其他常规单一的缩比隐身材料构造方式有些许不同，不仅需要考虑缩比隐身材料的电磁特性，同时还需要考虑缩比隐身材料与缝隙结构的耦合特性。基于目标模型的rcs特性，设计出满足预计特征的缩比模型。与现有技术相比本发明的优点如下：

(1)本发明主要针对含涂层与弱散射的电磁模型，能够保证缩比模型的反射和散射特性的一致性。

(2)本发明构造的缩比模型对弱散射源进行缝隙宽度补偿，更方便于缩比模型的制造。

附图说明

图1是本发明的实施例提供的含抑制缝隙散射涂层的缩比目标构造方法流程图；

图2是本发明的实施例提供的缝隙平板试件仿真状态示意图；

图3a是本发明的实施例提供的含缝隙涂层的金属平板样件俯视图；

图3b是本发明的实施例提供的含缝隙涂层的金属平板样件仰视图；

图4是本发明的实施例提供的原型材料斜反射率；

图5是本发明的实施例提供的缩比材料斜反射率；

图6是本发明的实施例提供的各模型hh极化的单站rcs。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本发明一种含抑制缝隙散射涂层的缩比目标构造方法，包含：

步骤s1、原型隐身材料数据和含缝模型参数的输入：

输入的原型隐身材料数据主要包括：原型隐身材料的电磁参数和厚度d；

上述电磁参数包括：复数介电常数ε和复数磁导率μ，原型测试频率f和缩比系数s。

含缝模型参数主要包括：含缝模型的各个几何尺寸，如金属平板的长度a、宽度b和厚度t，下表面31边缘倒角310斜率，以及缝隙的长度l和宽度w和厚度p。

在本实施例中，ε＝21.99-j2.24，μ＝2.10-j2.35，j²＝-1，原型频率f＝8ghz，缩比系数s＝2，厚度d＝0.5mm，可以得到缩比频率fs＝10ghz，结合图3a和图3b所示，金属平板以选取金属铝板为例，则其含缝模型参数为：金属铝板上表面30的缝隙300为对象，金属铝板尺寸为长300mm、宽300mm、厚5mm，金属铝板的下表面31后边缘采用斜率为0.25的倒角310处理，缝隙300沿金属铝板的对角线，长度为300mm，宽度为2mm，高度为3mm，上表面30全面积涂覆隐身材料(除缝隙300外)。

步骤s2、对原型隐身材料斜反射率的计算：

根据隐身材料的电磁参数，以及原型隐身材料的厚度d，斜反射率利用单层材料的传输矩阵方程进行计算求解，只需要考虑入射电磁波类型为tm(此时磁场矢量和入射平面垂直)的情况，计算公式如下：

其中，z0＝377ω。

在本实施例中，根据上述公式进行计算如图4所示，可以看出随着角度的增加，反射率先有降低的趋势，在73°位置达到最小值-10.67db，然后随角度增大到90°时，迅速增加到0db。

步骤s3、缩比材料构造：

首先选取缩比材料微粒类型，根据前期建立的微粒电磁参数库，即不同添加比下材料的电磁参数。然后采用遗传算法对缩比材料的添加比和厚度进行优化设计，优化函数为入射角从0～90度范围下，每隔1°时斜反射率差值求和，中间所涉及的电磁参数采用hermite插值理论对任意添加比下的材料电磁参数进行计算来完成，便可获取满足条件的系列添加比例和厚度，选取厚度最小项目为最后的优化结果。

在本实施例中，选取的缩比材料微粒类型为片形羰基铁吸波微粒，根据前期建立的微粒电磁参数库，即不同添加比下材料的电磁参数。然后采用遗传算法对缩比材料的添加比和厚度进行优化设计，两个变量的优化基于反射率逼近，其过程为入射角从0～90°范围下斜反射率差值求和完成，中间所涉及的电磁参数采用hermite插值理论对任意添加比下的材料电磁参数进行插值来完成，其后便可获取满足条件的添加比例和厚度，选取厚度最小项目为最后的优化结果，优化结果如下：材料厚度为0.5mm，体积添加比为35％，缩比材料电磁参数为εscale＝14.27-j0.59，μscale＝0.83-j1.04，优化的反射率如图5所示，可以看出随着角度的增加，反射率仍然保持先降低后增加的趋势，最小值在76°位置达到，最小值为-12.69db。随着角度增加到90°，反射率达到0db，和原型缩比材料相比除峰值附近(70°～80°)的反射率有一定偏差外，其他角度下的反射率偏差均较小。

步骤s4、缝隙宽度的设定：

针对含缝隙与隐身涂层一类缩比模型，对缩比模型金属介质部分(除缝隙宽度)都按照缩比系数来缩小，而缩比涂层的面积尺寸按照缩比系数来缩小，厚度为优化的厚度，对缝隙宽度的缩比量按照0mm、±0.5mm、±0.75mm、±1mm等序列来完成。

在本实施例中，金属铝板尺寸为150mm×150mm，缝隙长度为150mm，缝隙厚度为1.5mm，对缝隙宽度的缩比量按照1mm、0.5mm、1.25mm和1.5mm来完成，以便于根据补偿的结果进行插值计算，获取达到最优设计的补偿宽度。

步骤s5、rcs仿真对比：

由于缝隙电磁散射较强，仿真状态参考以往研究。选取入射电磁波传播方向与金属平板法线方向平行时，金属平板将产生高强度镜面反射，此时缝隙散射将被淹没而无法观测，随入射方向的偏移，金属平板电磁散射将迅速衰减，缝隙散射逐渐显现。因此，选取电磁波沿水平方向入射，始终垂直于平板对角线，保证在试件旋转的绝大多数角度下平板边缘不会与电磁波入射方向正交，从而削弱金属边缘对测试结果的影响。测试中定义：入射方向垂直于金属平板时为0°入射角，入射角转动范围为45°～90°。入射电场方向为平行于水平面(即hh极化)和垂直于水平面(即vv极化)。

针对缩比构造的模型，采用feko软件平台对缩比前后的电磁波入射情况进行仿真分析计算，包括单站rcs仿真或双站rcs仿真，采用的算法为矩量法结合快速多级子算法来完成，计算完成后对缩比模型的rcs进行20lg(s)加权补偿，然后对各样件的rcs均值进行计算，缝隙补偿量采用hermite插值法来计算，拟合出rcs和全尺寸模型rcs均值最为接近的缝隙宽度。

在本实施例中，针对4种缝隙宽度的缩比构造模型，采用feko软件平台对缩比前后的电磁波入射情况进行仿真分析计算，包括单站rcs仿真，采用的算法为矩量法结合快速多基子算法来完成，计算完成和对缩比模型的rcs进行20lg(s)补偿，得到系列rcs曲线，如图6所示，可以看出全尺寸模型缝隙按照缩比系数计算后缝隙的宽度为1mm，然而通过仿真可以看出缩比缝隙为1mm时样件的rcs补偿后高于全尺寸模型，而随着缩比样件缝隙的增加，其rcs逐渐增大，与全尺寸模型偏差更大，而当缩比缝隙降低到0.5mm时，通过补偿后缩比样件的rcs低于全尺寸模型，因此需要采用插值算法来获取最优缝隙。

步骤s6、输出缩比目标模型

给出上述优化后的结果，包括缩比平板模型的尺寸，缝隙长度和宽度，缩比涂层的结构尺寸，添加比例等。

在本实施例中，对曲线的几何均值进行统计，得到全尺寸模型的rcs值为-32.22db*sm，而4种缝隙宽度的rcs几何均值分别为-35.51db*m²、-29.11db*m²、-26.91db*m²和-25.11db*m²，通过插值计算，即可得到最优缩比宽度为0.72mm，结果如图6所示，通过对比可以看出rcs值随着角度的增加偏差最大不高于2.5db，平均值为-31.58db*m²，偏差值为0.64db，能够满足缩比测试的要求。从而设计的缩比模型的材料和尺寸如下：缩比平板模型的尺寸(长度150mm，宽度150mm，厚度2.5mm)，缝隙长度150mm和宽度0.72mm，缩比涂层长度150mm、宽度150mm和厚度0.5mm，添加比例为35％。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。