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

        2020-06-22 03:52:18孫佳興
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2020年12期
        關(guān)鍵詞:波束寬度反射器電平

        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(cè)空中目標(biāo),同時(shí)還具備強(qiáng)大的對(duì)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(duì)地工作方式主要有:真實(shí)波束測(cè)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(duì)空中目標(biāo)的探測(cè),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(cè)地面目標(biāo)必須滿足一定的方位限制,對(duì)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(cè)效果。針對(duì)這一特點(diǎn),將其稱為前斜式對(duì)地探測(cè)。

        2 前斜式對(duì)地探測(cè)試飛航線設(shè)計(jì)

        進(jìn)行機(jī)載火控雷達(dá)對(duì)地固定目標(biāo)探測(cè)飛行試驗(yàn)時(shí),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(cè)區(qū)內(nèi),方能對(duì)機(jī)載火控雷達(dá)對(duì)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(duì)地探測(cè)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(duì)向飛機(jī)來向接收雷達(dá)信號(hào)。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(duì)角反射器陣列保持探測(cè),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(duì)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(shí)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(shí)間。為了使結(jié)果更加準(zhǔn)確,仿真時(shí)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(chǎng)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(chǎng),即不考慮近場(chǎng)效應(yīng)和邊緣效應(yīng)的影響。

        根據(jù)電磁場(chǎng)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(chǎng)表達(dá)式

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

        因此仿真時(shí)對(duì)模型施加平面波激勵(lì)。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(duì)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(dòng)一定的角度,改變?nèi)肷潆姶挪ㄏ鄬?duì)角反射器的俯仰角,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(shí)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(shí)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(gè)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(cè),這對(duì)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(huì)發(fā)生急劇的惡化,不能滿足試飛航線要求。因此,對(duì)于針對(duì)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(duì)機(jī)載火控雷達(dá)對(duì)地前斜式探測(cè)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(cè)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?,相關(guān)的仿真試驗(yàn)可以用于支持選取合適的下傾角度。

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