海面低飛情況下機載航管二次雷達覆蓋研究

李定剛，謝擁軍

（1.北京航空航天大學電子信息工程學院，北京100191；2.海軍裝備部重慶局，四川綿陽621000）

二次雷達是通過地面詢問機和接收機載應答機反饋的信息來發現和識別目標的，可避免一次雷達常見的地物雜波、氣象雜波等干擾，因而在民用和軍用領域廣泛應用[1-2]。但由于電磁波繞射的作用，飛機機身、機翼、起落架、飛行姿態等都會引起天線方向圖的畸變，特別是當飛機在海面低空飛行時，海面反射引起的多徑干涉效應，會引起寬波束雷達天線的俯仰波束分裂，產生飛機探測盲區，從而導致雷達觀測的盲區和目標跟蹤丟失[3]。文獻[4]從天線和電波傳播的概念出發，分析了海面上單脈沖二次雷達詢問天線的三維方向圖特性及海基一維相控陣雷達天線在姿態傾斜后的方位面和俯仰面干涉方向圖；文獻[5]通過計算機載單極子天線輻射方向圖，并與自由空間中的方向圖比較，分析了飛機對機載天線方向圖的影響；文獻[6]提出了HFSS與一致性幾何繞射理論（UTD）相結合的方法，將仿真得到的天線陣列方向圖的矢量場分量作為源代入UTD算法，計算出飛機對相控陣天線方向圖的影響。文獻[7-11]研究了多徑效應對米波天線方向圖、短波通信、無線電測控設備及測向方位角的影響。本文從理論上闡述了飛機機體及海面對機載天線陣列方向圖的影響，采用HFSS仿真軟件建立了天線陣列、機載天線和海面機載天線仿真模型，分析了飛機機體及海面對機載二次雷達覆蓋范圍的影響，最后根據安裝在平直面上的天線的地面反射公式，計算了天線離海面不同高度時海面對機載天線覆蓋范圍的影響，得出了海面低飛最佳飛行高度，分析并總結了海面飛行高度對機載天線方向圖的影響。

1 理論分析

1.1 飛機對機載天線測向性能的影響

天線一般是按照預先設計進行加工的，但實際天線的實測天線方向圖與理論計算的方向圖通常有偏差，尤其是遠區副瓣。天線加工和饋電中存在的小誤差不可避免地干擾口徑照射，使得方向圖在細節上與預期產生差異。當天線安裝在飛機上時，由于飛機是一個復雜的電磁散射體，飛機機身、機翼、起落架、飛行姿態等都會引起天線方向圖的畸變，因而天線的方向圖與其安裝位置有很大關系。更為嚴重的是，很多情況下，飛行員本身并不知道機載天線的垂直方向圖發生了畸變，電波傳播處于盲從狀態，很可能在戰時緊要關頭導致航管失靈而貽誤戰機。解決的辦法是盡量減少飛機殼體對其的影響，或者在飛機殼體對其影響較大時盡量不要使用航管二次雷達設備。

1.2 海面反射與多徑效應

當機載天線的波束較寬時，由于海面反射作用，航管二次雷達發射的電磁波在傳播過程中存在的傳播途徑不止一條，除了直接傳播到目標的直射路徑以外，還包含由于海面反射產生的多條反射路徑，目標最終接收到的是直射波和反射波的合成波，這是一種干涉場，即多徑效應[7]。通過直接傳播途徑和反射傳播途徑到達航管二次雷達天線的電磁波之間相互疊加，產生干涉效應，信號的波前面也將出現畸變，這取決于2個同時接收分量的相對幅度和相位。

1.3 海面反射對天線方向圖的影響

電波在傳播過程中遇到平面就會產生鏡面反射。當雷達地面天線發射電波能量經海面反射后形成2 部分，即直射波和反射波。直射波和反射波在空間合成后形成一新的能量分布場。其示意見圖1。

圖1 海面反射對雷達天線波束影響Fig.1 Influence of surface reflection on the radar antenna beam

設平面反射系數為ρ，海面反射相移為Φr，天線對準目標時最大方向上對應電壓為U0，圖1中射線2比射線1 多走δ=2h1sin β的幾何路程，則可以得到平面反射時的方向圖f1(β)為[4]：

2 仿真研究和計算

2.1 機體和海面對機載天線方向圖的影響

建立天線陣列、機載天線和海面機載天線仿真模型，將天線陣列的中心頻率設定為1 060 MHz，將天線安裝在飛機機頭位置，并仿真得到其方向圖，見圖2。由于天線的最大輻射方向在飛機機頭方向，因而在天線輻射性能分析時，天線方向圖的正前方即為飛機的機頭方向。從圖2中可以看出，天線陣列在自由空間中輻射的電磁波是以行波進行傳播的；由于飛機機體的影響，原本平滑的天線陣方向圖在部分角度上出現了輕微的上翹和凹坑，但機載天線的方向圖未發生嚴重形變，飛機機體未影響天線的方向性；在海面上低空飛行時，飛機機體及海面反射的共同作用使得方向圖也發生了嚴重的分叉和變形，同時，飛機的正下方無增益，即飛機機腹位置出現了探測盲區。進一步建立海面機載天線模型，并將機載天線與海面高度設定為15 m 和30 m，重新進行仿真計算，并得到其方向圖，如圖3所示。可以看到，當距海面高度越低時，海面反射越嚴重，海面對天線的方向圖影響越嚴重，在更多的角度增益較低，出現更多的探測盲區。

圖2 機體和海面對天線3D方向圖的影響Fig.2 Influence of airframe and sea surface on 3-D radiation pattern of antenn

圖3 天線陣列在自由空間和離海面不同高度時的3D方向圖Fig.3 3-D radiation pattern of array antenna in free space and different height above sea

與之相對應的，將15 m和30 m 2個水平方向圖放在一起進行比較，見圖4。可以看到，正是由于海面的多徑效應，同樣的機載天線和飛機在不同高度時天線方向圖分叉情況是不一樣的，海面對其輻射特性影響不一樣。在高度越高時，分叉越嚴重，說明機載天線在更多的角度有增益，探測盲區越小，此時海面對其方向圖影響越小。

圖4 機載天線在海面上15 m和30m高度時的方向圖對比Fig.4 Comparison of radiation pattern of airborne antenna in the situation of 15 m and 30 m above sea

2.2 海面高度對機載天線方向圖的改變

利用上述用HFSS仿真得到的機載天線方向圖，并將其方位和幅度等數據導出進行處理，轉化成圖形可得到機載天線的俯仰方向圖，如圖5所示。可以看出，由于天線方向圖只受飛機機體的影響，因而俯仰方向圖相對比較平滑。

圖5 機載天線俯仰方向圖Fig.5 Pitching radiation pattern of airborne antenna

同樣，根據計算式（1）可以計算并得出海面機載天線的方向圖。為方便計算，采用C 語言對式（1）進行編程，設定飛機飛行高度為30 m，海水介電常數為80 f/m，電導率為4 s，可以得到海面機載天線陣列的方向圖如圖6所示。可以發現，由于海面反射影響，天線方向圖不再平滑，而是分裂成無數個波瓣，從仰角0°～5°的方向圖可以看出，每個波瓣都有最大的峰值，波瓣和波瓣之間分別出現低谷，天線方向圖覆蓋的范圍，為雷達有效范圍。因此，在天線性能分析中，應使天線方向圖覆蓋范圍最大。

圖6 海面機載天線陣列不同仰角時的方向圖Fig.6 Radiation pattern of airborne antenna on the sea at different angle of elevation

同理，將30 m 與300 m、300 m 與1 000 m的天線方向圖分別對比分析，如圖7所示，從圖中可以看出，飛機飛行高度越高，俯仰方向圖分裂產生的波瓣數更多，波瓣更密集，但分裂波瓣產生的峰值和谷值相同，即俯仰方向圖產生的波瓣分裂，分裂波瓣峰值形成的上包絡圖形和和谷值形成的下包絡圖形基本相同。

不同的飛行高度，分裂波瓣谷值形成的下包絡圖形相同，即天線輻射都能對下包絡形成的圖形形成覆蓋，區別是波瓣分裂數數量不一致，造成分裂波瓣峰值形成的上包絡圖形范圍內的覆蓋效果不同，飛行高度越高，分裂產生的波瓣數更多，波瓣更密集，對波瓣峰值形成的上包絡圖形范圍內的覆蓋效果越好。

為計算出海面對機載天線方向圖產生影響的最大高度，將海面飛行高度設定為30 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m、500 m、600 m和1000 m共9個高度，統計分析了飛機距離海面不同高度的天線俯仰方向圖第1峰值到第6峰值對應的仰角，如表1所示。

圖7 海面機載天線陣列在不同高度時的方向圖對比Fig.7 Comparison of radiation pattern of airborne antenna on the sea at different height

表1 飛機距離海面不同高度各峰值對應仰角Tab.1 Angles of elevation corresponding to various peaks of radiation pattern when aircraft flying at different heights on the sea

由表1中的數據分析可知，飛機距離海面250 m以下時，各分裂波瓣峰值之間的夾角比較大，天線輻射方向圖覆蓋效果不太好；但當飛機距離海面250 m以上時，各分裂波瓣峰值之間的夾角比變化不大，夾角在0.03°～0.04°之間，由于各分裂波瓣峰值之間的夾角比較小，且變化不大，故天線波瓣峰值形成的上包絡圖形范圍內的覆蓋效果也比較好。因此，飛機海面飛行高度在250 m以上效果比較好。

3 結束語

在信息化海戰中，海面環境嚴重影響著機載設備的性能發揮，而誰能快速、準確地獲取對方的位置等信息，誰就將取得戰爭的主動權。

本文針對現代海戰中出現的飛機低飛情況下出現的探測盲區的情況，對在自由空間、飛機和海面上的某一天線陣列進行了仿真研究，分析探討了飛機機體及海面對天線陣列方向圖的影響，同時計算了海面飛行高度對機載天線方向圖的影響，提出了一個合理的飛行高度，為作戰指揮員提供了決策依據，具有一定的參考意義。

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