機(jī)載火控雷達(dá)對地試飛航線設(shè)計(jì)與目標(biāo)角反仿真

蘇 萌 孫佳興

（中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安710089）

1 概述

機(jī)載火控雷達(dá)不僅能夠探測空中目標(biāo)，同時還具備強(qiáng)大的對地功能，可以為戰(zhàn)斗機(jī)火控武器系統(tǒng)提供空中或者地面目標(biāo)指示和精確制導(dǎo)信息。常見的對地工作方式主要有：真實(shí)波束測繪、多普勒波束銳化、合成孔徑成像等。

機(jī)載火控雷達(dá)為了優(yōu)先保證戰(zhàn)斗機(jī)對空中目標(biāo)的探測，其天線孔徑安裝在戰(zhàn)斗機(jī)鼻錐的尖罩里。根據(jù)脈沖多普勒的原理，機(jī)載火控雷達(dá)探測地面目標(biāo)必須滿足一定的方位限制，對于飛機(jī)正前方扇區(qū)內(nèi)的目標(biāo)是無法獲得較好的探測效果。針對這一特點(diǎn)，將其稱為前斜式對地探測。

2 前斜式對地探測試飛航線設(shè)計(jì)

進(jìn)行機(jī)載火控雷達(dá)對地固定目標(biāo)探測飛行試驗(yàn)時，需要選取空曠的地面布置典型目標(biāo)，再規(guī)劃合適的試飛航線保證典型地面目標(biāo)落在試驗(yàn)飛機(jī)的探測區(qū)內(nèi)，方能對機(jī)載火控雷達(dá)對地功能的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行考核驗(yàn)證。

以機(jī)軸左側(cè)為例，試飛航線設(shè)計(jì)和地面目標(biāo)布置方法，如圖1 所示。

圖1 雷達(dá)前斜式對地探測試飛方法圖示

典型地面目標(biāo)選取金屬角反射器陣列，其口面對向飛機(jī)來向接收雷達(dá)信號。角反射器陣列呈口字形排布，這是為了試驗(yàn)雷達(dá)能否在距離維和方位維清晰地將目標(biāo)分辨開。不考慮空中偏流影響帶來飛機(jī)姿態(tài)的變化，圖中有效的試飛航線為AB 段。

3 角反射器仿真

為了能夠在有效航段上對角反射器陣列保持探測，雷達(dá)必須在該航線范圍內(nèi)都能接收到足夠強(qiáng)度的目標(biāo)回波，因此我們希望角反射器有良好的波束寬度特性，直角三角形平板組成的三面角反射器在實(shí)際中應(yīng)用最多。如圖2 所示，在空間直角坐標(biāo)系xyz 建立角反射器模型，它的三條棱長度分別為a、b、c，與三條坐標(biāo)軸重合。雷達(dá)波從遠(yuǎn)處照射過來，來波方向與z 軸夾角為θ，其在xOy 平面的投影與x 軸夾角為φ。

圖2 角反射器建模坐標(biāo)定義

本文以典型X 波段機(jī)載火控雷達(dá)為例，選取工作頻率為9HGz。令a=b=c=10cm，對建立的角反射器模型進(jìn)行仿真，仿真使用Ansoft HFSS 電磁計(jì)算軟件進(jìn)行。

仿真時忽略角反射器金屬板材的厚度，將其視為理想導(dǎo)體平面，可以節(jié)省仿真計(jì)算資源和求解時間。為了使結(jié)果更加準(zhǔn)確，仿真時在模型外側(cè)建立空氣腔結(jié)構(gòu)，在空氣腔表面添加理想匹配層邊界條件。理想匹配層是能夠完全吸收入射電磁波的假想各項(xiàng)異性材料邊界，可以應(yīng)用來模擬外場問題中的自由空間截?cái)嗷蛘邔?dǎo)波問題的吸收負(fù)載。用于本問題，雷達(dá)波經(jīng)角反射器金屬平板多次反射后被全部散射回自由空間，不在金屬角反射器周圍形成近區(qū)電磁場，即不考慮近場效應(yīng)和邊緣效應(yīng)的影響。

根據(jù)電磁場理論，遠(yuǎn)距離照射到角反射器口面的雷達(dá)波可以認(rèn)為是均勻平面波，其電場表達(dá)式

其中，z 是雷達(dá)波傳播的方向，x 是電場強(qiáng)度方向，磁場強(qiáng)度方向與電場強(qiáng)度方向相互垂直。

因此仿真時對模型施加平面波激勵。平面波采用水平極化方式，照射方向可以根據(jù)圖1 規(guī)劃的試飛航線和角反射器布置情況設(shè)置不同的角度。

以飛機(jī)飛行高度10000m 為例，雷達(dá)作用距離120km，則雷達(dá)波照射地面角反射器擦地角約為5°。不妨先仿真從角反射器口面法向入射、擦地角為5°的情況，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 中可以看出，在角反射器口面法線方向能夠獲得最大的回波電平，其值為20.28dB。而角反射器回波電平的3dB 波束寬度僅為約24°。

由于飛機(jī)飛行高度和雷達(dá)作用距離是相對確定值，即照射角反射器雷達(dá)波的擦地角基本上是固定不變的，本次仿真按5°設(shè)置。那么，將角反射器沿法平面轉(zhuǎn)動一定的角度，改變?nèi)肷潆姶挪ㄏ鄬欠瓷淦鞯母┭鼋?，再次進(jìn)行仿真。如圖4 所示，是將角反射器下傾旋轉(zhuǎn)20°之后，回波電平的仿真結(jié)果。

圖3 角反射器口面法向入射回波電平

圖4 角反射器下傾20°時口面法向入射回波電平

圖4 中可以看出，最大的回波電平依然存在在角反射器口面法線方向，其值為18.35dB。雖然回波電平峰值較之前情況的仿真結(jié)果有所下降，但此時角反射器回波電平的3dB 波束寬度較之此前有明顯展寬，可達(dá)40°。良好的寬波束特性確保了機(jī)載雷達(dá)在整個試飛有效航段均能夠獲得足夠強(qiáng)且均勻的地面目標(biāo)回波用于雷達(dá)檢測，這對于開展飛行試驗(yàn)來說是有益的。

如果繼續(xù)增大角反射器安置的下傾角度，回波電平波束寬度會發(fā)生急劇的惡化，不能滿足試飛航線要求。因此，對于針對不同的雷達(dá)波照射擦地角，適當(dāng)?shù)貙⒔欠瓷淦鬟M(jìn)行下傾安裝，可以獲得較好的寬波束特性。下傾角的選取可以通過仿真的方式進(jìn)行。

4 結(jié)論

本課題針對機(jī)載火控雷達(dá)對地前斜式探測的特點(diǎn)，進(jìn)行了試飛航線設(shè)計(jì)和地面目標(biāo)布設(shè)規(guī)劃。通過試飛航線可以看出，地面角反射器需具備40°的回波電平波束寬度方能滿足前斜式探測試飛航線的角度要求。而常用的等腰直角三角形三面角反射器通過適當(dāng)?shù)南聝A，可以提供足夠?qū)挾鹊幕夭娖剑嚓P(guān)的仿真試驗(yàn)可以用于支持選取合適的下傾角度。