機載預警雷達構型探測性能影響分析
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摘要：針對幾種典型的背負式預警機雷達構型，從機身影響雷達天線性能和機身遮擋回波雜波的角度，分析比較了飛機機身對機載預警雷達探測的影響。隨著單元數字化有源相控陣雷達技術和天線共形技術的發展與應用，為飛機機身約束下的機栽雷達天線優化設計帶來可能，這將提升機栽預警雷達的探測性能。
關鍵詞：機栽預警雷達;構型;機身遮擋;天線方向圖
中圖分類號：TN959.73 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）12-0039-02
1概述
預警機誕生于第二次世界大戰后期。1945年3月，世界上第一個預警機——美國海軍的TBM-3W正式服役。為實現全方位的均衡探測，自20世紀70年代起，預警機更多采用了背負圓盤構型，雷達天線在圓盤形天線罩內機械旋轉，實現全方位探測，該類預警機以美國“E-3”、“E-2C”、前蘇聯“A-50”為代表。在機械掃描的“E-2C”基礎上，升級了具有機相掃能力的“E-2D”預警機。20世紀以來，美國對外出口的一型“楔尾”預警機，摒棄了機械掃描的形式，采用了全相掃的有源相控陣體制。
隨著相控陣相關技術的發展，相掃形式成為了新一代預警機典型的技術特征，此時雷達天線不僅采用相掃擴展方位向覆蓋，而且增加了探測的靈活性，該類預警機以我國的“空警-2000”和“印度費爾康”為代表。
2雷達受機體遮擋情況分析
機載預警雷達的探測性能除了與天線性能、發射波形有關外，還額外受到機身遮擋、雜波分布與抑制等方面的影響，某些情況下載機機體對雷達探測的影響甚至大于雷達自身。
2.1雷達天線情況
采用圓盤兩面陣構型的預警機雷達，主要依靠機械掃描實現全方位覆蓋，天線基本不具備相掃能力，此時對天線設計約束較少，天線副瓣性能好。該型裝備以“E-3”預警機為代表，該型雷達實現了-45分貝的超低副瓣。對采用機掃的雷達兼具一定相掃能力、還要保證一定的副瓣要求，這些要求都增加了天線的設計難度。該類裝備以“E-2D”預警機為代表，由于該型雷達的有源通道數較少，僅實現了25分貝的峰值副瓣，在大相掃角時天線副瓣抬升3-5分貝。
2.2機身遮擋情況
采用背負式的預警機雷達，在探測時受到載機機身的遮擋和影響，是預警機系統設計時需要考慮的。早期雷達受到雷達體制的限制，對該問題沒有很好的解決辦法，只能通過將雷達天線架高到一定程度降低影響，但架高到一定程度會影響載機氣動性，具體架設高度需要在天線遮擋和載機氣動中尋找一個平衡點。
機體遮擋可以從兩個方面分析：其一是對收、發天線方向圖的影響，具體是對增益和副瓣的影響，該影響對雷達探測性能的影響是負向的;其二是機體對接收的近程雜波遮擋，該遮擋能夠有效抑制近程雜波，對雷達探測的影響是正向的。
?。?）機身遮擋
a.圓盤三面陣
“三面陣”的斜側陣在法線波位附近，機身可以遮擋住一定俯仰角度的近程雜波，大掃描角時機翼會遮擋部分近程雜波。受機身與機翼的遮擋方面，遮擋的天線方向圖在某些方向上主瓣會產生一定程度變形、副瓣有所抬高。
b.圓盤兩面陣
“圓盤兩面陣”構型，雷達天線主要靠機械掃描，天線波瓣不會隨著掃描而展寬。當天線輻射的電磁波傳播到機身時會受到機身遮擋，天線方向圖會發生一定程度變化，具體表現為主瓣展寬、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固定、缺乏優化的空間，無法發揮新型波形設計空間自由度大的特點。
c.“平衡木+頂帽”構型
“平衡木+頂帽”構型中，每個天線的天線方向圖均受到了機體的遮擋，頂帽端射陣由于天線副瓣較高、增益較低，飛機機頭對于前視陣天線的方向圖影響較小。對于正側面陣而言，雷達天線直接放置在機背上，機翼對天線方向圖有一定影響，對天線增益影響可以忽略，但會將靠近天線主瓣的副瓣抬高2-4分貝，對遠區副瓣影響有限，此時抬高副瓣對應的遠程雜波對于雜波量級的影響有限。
（2）尾翼影響
常規預警機載機多采用運輸機或者客機，尾翼均較大。雷達掃描至尾翼方向時，對天線方向圖均有一定程度影響，進而影響探測性能。
仿真表明，“三面陣”構型，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，副瓣雜波區探測性能下降12%;天線掃描到偏離尾翼方向10度，副瓣抬高6分貝，副瓣雜波區探測性能下降18%;天線掃描到尾翼方向，天線主瓣分裂，無法有效探測。“兩面陣”構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，副瓣雜波區探測性能下降13%;天線掃描到偏離尾翼方向10度，副瓣抬高10分貝，副瓣雜波區探測性能下降28%;天線掃描到尾翼方向，天線主瓣分裂，無法有效探測。“平衡木+頂帽”構型，正側面陣掃描到60度時，與尾翼夾角30度，該角度掃描時，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，無法有效探測。
2.3雜波情況
機載預警雷達多采用中高重頻PD方式，目標回波若落在雜波區，會影響目標探測性能，需要進行雜波抑制。采用空時二維信號處理進行雜波抑制，雜波的自由度與采用樣本的個數有直接關系。采用正側視布陣的雷達雜波自由度具有空時等效性，空時協方差矩陣的大特征值個數不超過陣元數與脈沖數之和，這給信號處理的降維運算帶來了方便。
3解決措施
現有的預警機雷達機身影響問題，只能通過架高天線的方式減弱該影響，尾翼遮擋問題可通過將預警機主尾翼改為多垂尾設計解決，如“E-2”預警機將一個大尾翼改為四小垂尾兼顧飛行性能和雷達探測性能。
將雷達天線貼在機身外表面也是一個降低飛機機身遮擋的路徑，其代表為以色列“費爾康”預警機（Phased Ar-ray L-band Conformal Radar，PHALCON），早期設計相控陣天線最多由多個共形子陣列組成，實現360度覆蓋。
依托“費爾康”預警機的設計思想，在不同載機平臺上分別研制了“禿鷹”預警機和“灣流550”預警機。這種將雷達天線貼附在載機機身上的方式，除當側面陣雷達向后掃描至一定角度時，天線方向圖會受到機翼影響，其余方向天線的掃描特性均不受機身影響，若全方位均不受影響時，機身的天線陣面應該是6塊、組合完成全方位覆蓋。
同時，從雷達發展角度，現有預警機雷達均為無源相控陣或傳統的有源相控陣，波形設計靈活性不夠，在該方面抑制機身影響是無能為力的。隨著單元可控的數字陣列雷達技術發展，以及雷達實時計算能力的不斷提升，為機載預警雷達利用波形優化來降低機身對天線方向圖的影響帶來可能，該方向也將是機載預警雷達設計師需要考慮的問題。
4結束語
隨著雷達單元數字化技術的應用，為改變部分單元的天線方向圖特性優化雷達波瓣帶來可能，有望進一步降低機身遮擋的影響。此外，未來在無人機平臺上設計機載預警雷達，多會采用雷達天線與機身共形的方式，實現共形雷達探測與飛機氣動完美結合，回避了機身影響的設計難題。
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