機(jī)載預(yù)警雷達(dá)構(gòu)型探測(cè)性能影響分析

劉寶泉

摘要：針對(duì)幾種典型的背負(fù)式預(yù)警機(jī)雷達(dá)構(gòu)型，從機(jī)身影響雷達(dá)天線性能和機(jī)身遮擋回波雜波的角度，分析比較了飛機(jī)機(jī)身對(duì)機(jī)載預(yù)警雷達(dá)探測(cè)的影響。隨著單元數(shù)字化有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)和天線共形技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，為飛機(jī)機(jī)身約束下的機(jī)栽雷達(dá)天線優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)可能，這將提升機(jī)栽預(yù)警雷達(dá)的探測(cè)性能。

關(guān)鍵詞：機(jī)栽預(yù)警雷達(dá);構(gòu)型;機(jī)身遮擋;天線方向圖

中圖分類號(hào)：TN959.73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）12-0039-02

1概述

預(yù)警機(jī)誕生于第二次世界大戰(zhàn)后期。1945年3月，世界上第一個(gè)預(yù)警機(jī)——美國(guó)海軍的TBM-3W正式服役。為實(shí)現(xiàn)全方位的均衡探測(cè)，自20世紀(jì)70年代起，預(yù)警機(jī)更多采用了背負(fù)圓盤構(gòu)型，雷達(dá)天線在圓盤形天線罩內(nèi)機(jī)械旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)全方位探測(cè)，該類預(yù)警機(jī)以美國(guó)“E-3”、“E-2C”、前蘇聯(lián)“A-50”為代表。在機(jī)械掃描的“E-2C”基礎(chǔ)上，升級(jí)了具有機(jī)相掃能力的“E-2D”預(yù)警機(jī)。20世紀(jì)以來(lái)，美國(guó)對(duì)外出口的一型“楔尾”預(yù)警機(jī)，摒棄了機(jī)械掃描的形式，采用了全相掃的有源相控陣體制。

隨著相控陣相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，相掃形式成為了新一代預(yù)警機(jī)典型的技術(shù)特征，此時(shí)雷達(dá)天線不僅采用相掃擴(kuò)展方位向覆蓋，而且增加了探測(cè)的靈活性，該類預(yù)警機(jī)以我國(guó)的“空警-2000”和“印度費(fèi)爾康”為代表。

2雷達(dá)受機(jī)體遮擋情況分析

機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的探測(cè)性能除了與天線性能、發(fā)射波形有關(guān)外，還額外受到機(jī)身遮擋、雜波分布與抑制等方面的影響，某些情況下載機(jī)機(jī)體對(duì)雷達(dá)探測(cè)的影響甚至大于雷達(dá)自身。

2.1雷達(dá)天線情況

采用圓盤兩面陣構(gòu)型的預(yù)警機(jī)雷達(dá)，主要依靠機(jī)械掃描實(shí)現(xiàn)全方位覆蓋，天線基本不具備相掃能力，此時(shí)對(duì)天線設(shè)計(jì)約束較少，天線副瓣性能好。該型裝備以“E-3”預(yù)警機(jī)為代表，該型雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了-45分貝的超低副瓣。對(duì)采用機(jī)掃的雷達(dá)兼具一定相掃能力、還要保證一定的副瓣要求，這些要求都增加了天線的設(shè)計(jì)難度。該類裝備以“E-2D”預(yù)警機(jī)為代表，由于該型雷達(dá)的有源通道數(shù)較少，僅實(shí)現(xiàn)了25分貝的峰值副瓣，在大相掃角時(shí)天線副瓣抬升3-5分貝。

2.2機(jī)身遮擋情況

采用背負(fù)式的預(yù)警機(jī)雷達(dá)，在探測(cè)時(shí)受到載機(jī)機(jī)身的遮擋和影響，是預(yù)警機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的。早期雷達(dá)受到雷達(dá)體制的限制，對(duì)該問(wèn)題沒(méi)有很好的解決辦法，只能通過(guò)將雷達(dá)天線架高到一定程度降低影響，但架高到一定程度會(huì)影響載機(jī)氣動(dòng)性，具體架設(shè)高度需要在天線遮擋和載機(jī)氣動(dòng)中尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。

機(jī)體遮擋可以從兩個(gè)方面分析：其一是對(duì)收、發(fā)天線方向圖的影響，具體是對(duì)增益和副瓣的影響，該影響對(duì)雷達(dá)探測(cè)性能的影響是負(fù)向的;其二是機(jī)體對(duì)接收的近程雜波遮擋，該遮擋能夠有效抑制近程雜波，對(duì)雷達(dá)探測(cè)的影響是正向的。

（1）機(jī)身遮擋

a.圓盤三面陣

“三面陣”的斜側(cè)陣在法線波位附近，機(jī)身可以遮擋住一定俯仰角度的近程雜波，大掃描角時(shí)機(jī)翼會(huì)遮擋部分近程雜波。受機(jī)身與機(jī)翼的遮擋方面，遮擋的天線方向圖在某些方向上主瓣會(huì)產(chǎn)生一定程度變形、副瓣有所抬高。

b.圓盤兩面陣

“圓盤兩面陣”構(gòu)型，雷達(dá)天線主要靠機(jī)械掃描，天線波瓣不會(huì)隨著掃描而展寬。當(dāng)天線輻射的電磁波傳播到機(jī)身時(shí)會(huì)受到機(jī)身遮擋，天線方向圖會(huì)發(fā)生一定程度變化，具體表現(xiàn)為主瓣展寬、副瓣抬高。此外，該類天線的輻射方向單一，在有源通道的幅相加權(quán)固定、缺乏優(yōu)化的空間，無(wú)法發(fā)揮新型波形設(shè)計(jì)空間自由度大的特點(diǎn)。

c.“平衡木+頂帽”構(gòu)型

“平衡木+頂帽”構(gòu)型中，每個(gè)天線的天線方向圖均受到了機(jī)體的遮擋，頂帽端射陣由于天線副瓣較高、增益較低，飛機(jī)機(jī)頭對(duì)于前視陣天線的方向圖影響較小。對(duì)于正側(cè)面陣而言，雷達(dá)天線直接放置在機(jī)背上，機(jī)翼對(duì)天線方向圖有一定影響，對(duì)天線增益影響可以忽略，但會(huì)將靠近天線主瓣的副瓣抬高2-4分貝，對(duì)遠(yuǎn)區(qū)副瓣影響有限，此時(shí)抬高副瓣對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)程雜波對(duì)于雜波量級(jí)的影響有限。

（2）尾翼影響

常規(guī)預(yù)警機(jī)載機(jī)多采用運(yùn)輸機(jī)或者客機(jī)，尾翼均較大。雷達(dá)掃描至尾翼方向時(shí)，對(duì)天線方向圖均有一定程度影響，進(jìn)而影響探測(cè)性能。

仿真表明，“三面陣”構(gòu)型，天線掃描到偏離尾翼方向20度，影響較小;天線掃描到偏離尾翼方向15度，副瓣抬高4分貝，副瓣雜波區(qū)探測(cè)性能下降12%;天線掃描到偏離尾翼方向10度，副瓣抬高6分貝，副瓣雜波區(qū)探測(cè)性能下降18%;天線掃描到尾翼方向，天線主瓣分裂，無(wú)法有效探測(cè)?！皟擅骊嚒睒?gòu)型天線掃描到偏離尾翼方向30度，影響較小;天線掃描到偏離尾翼方向20度，副瓣抬高5分貝，副瓣雜波區(qū)探測(cè)性能下降13%;天線掃描到偏離尾翼方向10度，副瓣抬高10分貝，副瓣雜波區(qū)探測(cè)性能下降28%;天線掃描到尾翼方向，天線主瓣分裂，無(wú)法有效探測(cè)?！捌胶饽?頂帽”構(gòu)型，正側(cè)面陣掃描到60度時(shí)，與尾翼夾角30度，該角度掃描時(shí)，受尾翼影響較小。端射陣天線掃描到偏離尾翼方向20度，影響較小;天線掃描到尾翼方向，天線方向圖主瓣分裂，無(wú)法有效探測(cè)。

2.3雜波情況

機(jī)載預(yù)警雷達(dá)多采用中高重頻PD方式，目標(biāo)回波若落在雜波區(qū)，會(huì)影響目標(biāo)探測(cè)性能，需要進(jìn)行雜波抑制。采用空時(shí)二維信號(hào)處理進(jìn)行雜波抑制，雜波的自由度與采用樣本的個(gè)數(shù)有直接關(guān)系。采用正側(cè)視布陣的雷達(dá)雜波自由度具有空時(shí)等效性，空時(shí)協(xié)方差矩陣的大特征值個(gè)數(shù)不超過(guò)陣元數(shù)與脈沖數(shù)之和，這給信號(hào)處理的降維運(yùn)算帶來(lái)了方便。

3解決措施

現(xiàn)有的預(yù)警機(jī)雷達(dá)機(jī)身影響問(wèn)題，只能通過(guò)架高天線的方式減弱該影響，尾翼遮擋問(wèn)題可通過(guò)將預(yù)警機(jī)主尾翼改為多垂尾設(shè)計(jì)解決，如“E-2”預(yù)警機(jī)將一個(gè)大尾翼改為四小垂尾兼顧飛行性能和雷達(dá)探測(cè)性能。

將雷達(dá)天線貼在機(jī)身外表面也是一個(gè)降低飛機(jī)機(jī)身遮擋的路徑，其代表為以色列“費(fèi)爾康”預(yù)警機(jī)（Phased Ar-ray L-band Conformal Radar，PHALCON），早期設(shè)計(jì)相控陣天線最多由多個(gè)共形子陣列組成，實(shí)現(xiàn)360度覆蓋。

依托“費(fèi)爾康”預(yù)警機(jī)的設(shè)計(jì)思想，在不同載機(jī)平臺(tái)上分別研制了“禿鷹”預(yù)警機(jī)和“灣流550”預(yù)警機(jī)。這種將雷達(dá)天線貼附在載機(jī)機(jī)身上的方式，除當(dāng)側(cè)面陣?yán)走_(dá)向后掃描至一定角度時(shí)，天線方向圖會(huì)受到機(jī)翼影響，其余方向天線的掃描特性均不受機(jī)身影響，若全方位均不受影響時(shí)，機(jī)身的天線陣面應(yīng)該是6塊、組合完成全方位覆蓋。

同時(shí)，從雷達(dá)發(fā)展角度，現(xiàn)有預(yù)警機(jī)雷達(dá)均為無(wú)源相控陣或傳統(tǒng)的有源相控陣，波形設(shè)計(jì)靈活性不夠，在該方面抑制機(jī)身影響是無(wú)能為力的。隨著單元可控的數(shù)字陣列雷達(dá)技術(shù)發(fā)展，以及雷達(dá)實(shí)時(shí)計(jì)算能力的不斷提升，為機(jī)載預(yù)警雷達(dá)利用波形優(yōu)化來(lái)降低機(jī)身對(duì)天線方向圖的影響帶來(lái)可能，該方向也將是機(jī)載預(yù)警雷達(dá)設(shè)計(jì)師需要考慮的問(wèn)題。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著雷達(dá)單元數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，為改變部分單元的天線方向圖特性優(yōu)化雷達(dá)波瓣帶來(lái)可能，有望進(jìn)一步降低機(jī)身遮擋的影響。此外，未來(lái)在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上設(shè)計(jì)機(jī)載預(yù)警雷達(dá)，多會(huì)采用雷達(dá)天線與機(jī)身共形的方式，實(shí)現(xiàn)共形雷達(dá)探測(cè)與飛機(jī)氣動(dòng)完美結(jié)合，回避了機(jī)身影響的設(shè)計(jì)難題。