0 引言
军事工程常选取山体作为掩护，并通过伪装措施掩盖施工活动，防止工程暴露。施工伪装面积大、周期长，是工程目标伪装的重点和难点，措施包括采用轻钢结构搭建支撑骨架，铺挂伪装网，通过设置不同起伏，模拟山体走势恢复地形地貌，以对付敌空中侦察。由于雷达波具有一定穿透性，会直接照射到金属骨架上，构件二面角等形成的强散射区，与自然背景后向散射对比明显，极易暴露工程位置[1-2]。另一方面，在满足遮障面积与伪装造型的同时，兼顾用钢量经济性考量，优化钢结构柱网布局、杆件截面等，以降低造价、减轻重量；在保证结构强度、稳定、变形的前提下，兼顾遮障结构远场RCS(雷达散射截面积)的减缩，改善伪装效果，实现伪装和结构的兼容设计，也是目前急需解决的重要课题。目标的RCS，可通过外场实测、紧凑场测量、仿真计算三种方法获得，这些方法各有特点[3-5]:外场实测可获取真实条件下的目标电磁散射特性，但对测量场地要求较高，往往需要占用大面积空间，并且由于环境的复杂性，目标回波在途中容易受到干扰，测量精确性很难保证；紧凑场法通过设置缩比模型，在暗室中就能完成对目标散射特性的测量，但对于大型目标而言，为保证电尺寸比例，在高频条件下很难适用；仿真计算通用性强，是获取电大尺寸目标RCS最为常用的方法，计算可分为精确算法和近似算法，精确算法通过将目标模型几何离散等过程求解电磁特性，结果精确，但计算量大，只能求解中等尺寸规模目标。近似算法一般是基于射线光学的高频方法，包括几何光学法、物理光学法、弹跳射线法等，计算量小，特别适合计算电大尺寸目标。
本文针对电大尺寸的钢结构骨架，首先结合用钢量计算与远场RCS仿真对不同柱网结构进行了比对分析，随后，分类研究了多种起伏屋面的RCS变化规律，对施工遮障的防雷达伪装设计给出合理建议。
1 伪装与结构的兼容设计
1.1 伪装设计原则
水平遮障的搭设首先要满足伪装需求，主要有两个原则：
1) 侦察通视度的要求：遮障下目标可探测范围与敌人空中侦察角度(一般为30°～60°范围)和遮障高度有关，可认为60°观察线是侦视遮障下目标的上限，同时应在目标与毗连地物之间留出一定空隙，要求施工区域边界遮障延长部s必须2倍于遮障高度h，如图1所示。
图1 伪装遮障通视度示意图
2) 挠度对光学显著性的要求：骨架挠度较大时，遮障空间位置发生变化，所产生的照度差别，使相邻遮障面亮度存在差异，会产生光学暴露征候。用遮障的跨度和挠度的限制系数来表示遮障的容许挠度L，即L=l/k，l为跨度，k为挠度限制系数，当亮度对比小于0.2时，可认为难以分辨相邻物体，此时对应的k值为85。
1.2 伪装遮障结构设计
1.2.1 建立结构计算模型
工程施工期间轻钢结构伪装网支撑属临时性结构，不考虑结构抗震，又因水平遮障的四周是敞开的，也不考虑风荷载作用。综合考虑使用功能，将最大跨度设为12 m，层高为7 m，纵向长度为48 m，结构模型见图2。
图2 伪装遮障结构模型
荷载取值：屋面恒荷载为伪装网自重，采用制式或根据背景定制，按0.1 kN/m2计算，分配到梁上线荷载为中梁0.2 kN/m，边梁0.1 kN/m；屋面活荷载为雪荷载，按0.2 kN/m2，分配到梁上线荷载为中梁0.4 kN/m，边梁0.2 kN/m。
根据钢结构设计标准GB 50017—2017，输入优化参数：强度计算应力比限值为0.9，稳定应力比限值0.9，柱顶位移为h/200，钢梁挠度为l/240(满足伪装小于l/85的容许挠度要求)，压杆长细比为180，拉杆长细比为180，同时保证钢梁高度连续。
1.2.2 柱截面样式选择
分别选取H形、圆形和方形截面(见图3)，在遮障面积与跨度相同条件下，对施工伪装进行结构设计。
图3 柱截面示意图
经中国建筑科学研究院编制的PKPM程序中的SATWE有限元程序多次计算、反复比较，算得符合规范要求的优化布局，得到各柱截面的用钢量，见表1。
通过比较发现，在主梁尺寸为HN400×200，屋面檩条尺寸为B120×60×3.2时，工字钢、圆钢管、方钢管柱同等遮障面积下，方钢管用钢量最少，为21.8 kg/m2，经济性最好。
表1 不同截面柱用钢量对照表
截面形式截面尺寸/mm钢材用量/kg遮障面积/m2单位面积用钢量H型钢HN250×250313301152.027.2薄壁圆钢管D203×6266501152.023.1薄壁方钢管B160×3251301152.021.8
1.2.3 结构散射特性仿真
目标散射特性与雷达波入射角(θ)、频率(f)、极化方式等有关，还受目标尺寸、材料、外形的影响[6]，可通过计算RCS值来定性衡量目标在雷达侦察下发现概率的高低。X波段是雷达侦察的常用波段，遮障结构相对该波长属电大尺寸，采用CST电磁仿真软件的高频算法分别对钢骨架三种柱截面的远场RCS进行仿真。
采用水平极化，分别设置为30°、60°，在10 GHz频率处，得到钢骨架各方位角的单站远场RCS，如图4、图5所示。
图4 入射角30°不同柱截面遮障RCS
图5 入射角60°不同柱截面遮障RCS
从图中曲线可以看出，入射角较小时，在0°和90°方位角处，结构出现明显的强散射，类似镜面反射；随着入射角的增大，局部强散射消失，但结构总体RCS上移。3种柱截面的远场RCS曲线几乎重合，说明柱子截面形状对改变RCS值影响很小，因此以考虑经济性为主，建议伪装支撑钢结构柱采用方形截面。
1.3 大跨度结构计算和散射特性仿真
伪装遮障内施工场坪的设置，一般需满足停放大型机械、原材料堆放和并行车辆进出的使用需求，这就要求结构的跨度尽可能大。改变柱网布局，分别在横向与横纵双向增加跨度(最大跨度24 m)，如图6所示。为满足配筋要求，需相应增加方钢管柱与主梁H型钢的截面尺寸，经计算、仿真，分别得到两种形式的用钢量和远场RCS曲线(见表2和图7)。
图6 大跨度伪装遮障结构模型
表2 不同跨度形式用钢量对照表
结构形式柱截面尺寸主梁截面尺寸钢材用量/kg遮障面积/m2单位面积用钢量横向大跨度B400×10HN300×300472701152.041.0双向大跨度B400×10HN650×300535101152.046.4
图7 大跨度伪装遮障RCS
可以看到，随着钢梁与钢柱截面尺寸的增大，RCS值产生微小增量，但大跨度钢结构的用钢量几乎翻了一倍。因此，对于水平遮障，在施工预算充足情况下，首先考虑增大跨度以满足使用要求，对RCS值影响不大；但当预算不足时，首先考虑经济性，应兼顾用钢量与施工场坪的空间位置，对柱网进行合理布置。
1.4 联合钢架散射特性仿真
因工程规模扩大，就需要对遮障面积进行增加，这里将面积增大为原来的4倍，即投影尺寸变为48 m×96 m，分别得到相应RCS值(图8)和散射中心的热点图(图9)。
(a) 联合钢架结构模型
(b) 远场RCS
图8 联合钢架伪装遮障RCS
图9 联合钢架伪装遮障散射热点
对比图中曲线，联合钢架整体RCS值仅出现小幅度增加。观察图9中散射热点，随着方位角的增大，纵向主梁与檩条首先成为强回波的主要贡献区，以棱边散射为主；方位角继续增加，由直线上若干强散射点构成强回波；方位角接近90°时，横向主梁变为强回波区域，表现为棱边与散射中心的组合。由此可见对于这种空间网格结构的强散射主要来自横、纵向主梁与屋面檩条。
主梁H型钢与矩形檩条的上表面相当于平板，由平板RCS的物理光学近似公式(1)可知，当入射角恒定时，目标RCS受平面单一尺寸变化影响很小，而高频算法中RCS的计算，仅考虑多目标远场的叠加，而忽略它们之间的耦合[7-10]，钢架面积增大对RCS的影响，更多的来自主梁和檩条数量增加后，回波叠加的贡献。
(1)
式中,A=a·b，f1=kasinθcosφ，f2=kbsinθsinφ，a、b为平板边长，k为波数。
2 起伏屋面散射特性仿真分析
为使施工遮障与背景融合，轻钢结构的屋面需依山体走势和起伏程度定制化设计。将工程中遇到的几种典型样式归纳为纵向起伏、横向起伏、局部增高与随机起伏四类，同样分别在30°、60°入射角下观察其远场RCS变化规律。
2.1 纵向起伏
将纵向起伏屋面分为连续型和间隔型，得到各方位角下远场RCS曲线，见图10。
图10 纵向起伏伪装遮障RCS
对于纵向连续型起伏，与图9中结论一致，即随着方位角增大，强散射点由纵向梁向横向梁变化，在0°和90°方位角时均出现了强散射。但纵向起伏屋面90°的RCS峰值要比0°高10 dB左右，这与水平遮障回波特点相反。可见，由于连续起伏的影响，导致与起伏面平行方向的回波增强。间隔型与水平遮障回波特点相近。
2.2 横向起伏
将横向起伏屋面也分为连续型和间隔型，得到各方位角下远场RCS曲线，见图11。
图11 横向起伏伪装遮障RCS
对于横向连续型起伏，虽然在入射角增大时，总体 RCS也向上平移，但与水平遮障相比，在90°方位时，波峰逐渐向波谷转化，表现为起伏面垂直方向的回波减弱。间隔型与水平遮障回波特点相近。
因此，当遮障区域向前后延伸时，应设置横向连续型起伏；而向左右拓展时，应设置纵向连续型起伏，以避免强散射方位出现。
2.3 局部增高
将局部增高屋面分为纵向型和横向型，得到各方位角下远场RCS曲线，见图12。
图12 局部增高伪装遮障RCS
由图中曲线不难看出，与水平遮障相同，纵向、横向增高屋面的RCS值都会随着入射角的增加而增大。与等高起伏模式不同的是，局部增高后，纵向屋面的RCS峰值出现在90°方位角，同时0°方位处RCS显著降低；横向屋面的RCS峰值出现在0°方位角，90°方位处RCS则显著降低。分析原因在于，屋面局部增高后，高低屋面坡度之间会形成二面角，成为决定因素，在迎波面方向形成了强散射。
2.4 随机起伏
最后，对随机起伏屋面仿真，在水平与垂直不同极化模式下得到钢架的远场RCS。由图13所示，RCS随入射角的增加而增大，在0°和90°方位时最大幅值接近，且受极化方式影响较小。
(a) 随机起伏结构
(b) 远场RCS
图13 随机起伏伪装遮障RCS
2.5 结论
通过上述研究得到如下结论：
1)施工伪装遮障在满足使用面积与可视角度的前提下，应优先选用方形截面柱，可减少用钢量，提高经济性，控制工程造价。
2)对于大跨度或大面积水平遮障结构，后向散射对改变RCS影响相对较小，应综合考虑经济性和可能带来的光学暴露特征，对柱网进行优化设计。
3)仿形遮障前后构建时，应沿横向设置连续型起伏；仿形遮障左右构建时，应沿纵向设置连续型起伏。
4)为融合背景，当遮障屋面需要局部加高时，高低屋面会形成二面角，形成强散射，此时应采用其他伪装措施，如采用斜置外形、涂覆吸波材料等。
3 结束语
深化伪装与结构的兼容设计，尤其是对屋面骨架进行细化，如采用将主梁、檩条的平面改为曲面或斜面等方法来缩减RCS，将是下一步工作的重点。随着研究的深入，弄清工程施工各阶段雷达暴露征候并同时掌握有效伪装措施，对于工程的防雷达伪装设计意义重大。
[1] 康青,姜双斌.合成孔径雷达成像及工程伪装发展趋势[J].后勤工程学院学报,2008,24(4):87-91.
[2] 吴凤鸣,余志勇,杜兆阳,等.雷达探测能力评估模型研究[J].雷达科学与技术,2019,17(6):690-695.
WU Fengming,YU Zhiyong,DU Zhaoyang,et al. Research on Radar Detection Capability Evaluation Model[J].Radar Science and Technology,2019,17(6): 690-695.(in Chinese)
[3] 何四华,吴春光,丛滨.基于高频方法的电大尺寸目标RCS仿真与分析[J].现代雷达,2017,39(6):78-81.
[4] 夏应清,杨河林,鲁述,等.超电大复杂目标RCS缩比模型预估方法[J].微波学报,2003,19(1):8-11.
[5] 朱雪慧,余泽太,覃潇潇,等.基于动态RCS的舰船雷达回波仿真与分析[J].雷达科学与技术,2019,17(5):543-549.
ZHU Xuehui,YU Zetai,TAN Xiaoxiao,et al. Simulation and Analysis of Naval Vessel Radar Echoes Based on Dynamic RCS[J]. Radar Science and Technology,2019,17(5):543-549.(in Chinese)
[6] 郭琨毅,殷红城,盛新庆.雷达目标的散射中心建模研究[J].电波科学学报,2020,35(1):106-115.
[7] ROJAS R G. Electromagnetic Diffraction of an Obliquely Incident Plane Wave Field by a Wedge with Impendance Faces[J]. IEEE Trans on Antennas and Propagation,1988,36(7):956-970.
[8] LIU Caicheng,CHEW W C. Fast Far Field Approximation for Calculating the RCS of Large Objects[J]. IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium,Newport Beach,CA,USA:IEEE,1995:210-250.
[9] 张欣荣.组合体目标电磁散射的GO-PO算法[D].西安:西安电子科技大学,2015:12-15.
[10] 顾竹鑫.电大尺寸目标电磁散射的时域弹跳射线法研究[D].南京:南京理工大学,2017:2-5.
