海面低飞情况下机载航管二次雷达覆盖研究

李定刚，谢拥军

（1.北京航空航天大学电子信息工程学院，北京100191；2.海军装备部重庆局，四川绵阳621000）

二次雷达是通过地面询问机和接收机载应答机反馈的信息来发现和识别目标的，可避免一次雷达常见的地物杂波、气象杂波等干扰，因而在民用和军用领域广泛应用[1-2]。但由于电磁波绕射的作用，飞机机身、机翼、起落架、飞行姿态等都会引起天线方向图的畸变，特别是当飞机在海面低空飞行时，海面反射引起的多径干涉效应，会引起宽波束雷达天线的俯仰波束分裂，产生飞机探测盲区，从而导致雷达观测的盲区和目标跟踪丢失[3]。文献[4]从天线和电波传播的概念出发，分析了海面上单脉冲二次雷达询问天线的三维方向图特性及海基一维相控阵雷达天线在姿态倾斜后的方位面和俯仰面干涉方向图；文献[5]通过计算机载单极子天线辐射方向图，并与自由空间中的方向图比较，分析了飞机对机载天线方向图的影响；文献[6]提出了HFSS与一致性几何绕射理论（UTD）相结合的方法，将仿真得到的天线阵列方向图的矢量场分量作为源代入UTD算法，计算出飞机对相控阵天线方向图的影响。文献[7-11]研究了多径效应对米波天线方向图、短波通信、无线电测控设备及测向方位角的影响。本文从理论上阐述了飞机机体及海面对机载天线阵列方向图的影响，采用HFSS仿真软件建立了天线阵列、机载天线和海面机载天线仿真模型，分析了飞机机体及海面对机载二次雷达覆盖范围的影响，最后根据安装在平直面上的天线的地面反射公式，计算了天线离海面不同高度时海面对机载天线覆盖范围的影响，得出了海面低飞最佳飞行高度，分析并总结了海面飞行高度对机载天线方向图的影响。

1 理论分析

1.1 飞机对机载天线测向性能的影响

天线一般是按照预先设计进行加工的，但实际天线的实测天线方向图与理论计算的方向图通常有偏差，尤其是远区副瓣。天线加工和馈电中存在的小误差不可避免地干扰口径照射，使得方向图在细节上与预期产生差异。当天线安装在飞机上时，由于飞机是一个复杂的电磁散射体，飞机机身、机翼、起落架、飞行姿态等都会引起天线方向图的畸变，因而天线的方向图与其安装位置有很大关系。更为严重的是，很多情况下，飞行员本身并不知道机载天线的垂直方向图发生了畸变，电波传播处于盲从状态，很可能在战时紧要关头导致航管失灵而贻误战机。解决的办法是尽量减少飞机壳体对其的影响，或者在飞机壳体对其影响较大时尽量不要使用航管二次雷达设备。

1.2 海面反射与多径效应

当机载天线的波束较宽时，由于海面反射作用，航管二次雷达发射的电磁波在传播过程中存在的传播途径不止一条，除了直接传播到目标的直射路径以外，还包含由于海面反射产生的多条反射路径，目标最终接收到的是直射波和反射波的合成波，这是一种干涉场，即多径效应[7]。通过直接传播途径和反射传播途径到达航管二次雷达天线的电磁波之间相互叠加，产生干涉效应，信号的波前面也将出现畸变，这取决于2个同时接收分量的相对幅度和相位。

1.3 海面反射对天线方向图的影响

电波在传播过程中遇到平面就会产生镜面反射。当雷达地面天线发射电波能量经海面反射后形成2 部分，即直射波和反射波。直射波和反射波在空间合成后形成一新的能量分布场。其示意见图1。

图1 海面反射对雷达天线波束影响Fig.1 Influence of surface reflection on the radar antenna beam

设平面反射系数为ρ，海面反射相移为Φr，天线对准目标时最大方向上对应电压为U0，图1中射线2比射线1 多走δ=2h1sin β的几何路程，则可以得到平面反射时的方向图f1(β)为[4]：

2 仿真研究和计算

2.1 机体和海面对机载天线方向图的影响

建立天线阵列、机载天线和海面机载天线仿真模型，将天线阵列的中心频率设定为1 060 MHz，将天线安装在飞机机头位置，并仿真得到其方向图，见图2。由于天线的最大辐射方向在飞机机头方向，因而在天线辐射性能分析时，天线方向图的正前方即为飞机的机头方向。从图2中可以看出，天线阵列在自由空间中辐射的电磁波是以行波进行传播的；由于飞机机体的影响，原本平滑的天线阵方向图在部分角度上出现了轻微的上翘和凹坑，但机载天线的方向图未发生严重形变，飞机机体未影响天线的方向性；在海面上低空飞行时，飞机机体及海面反射的共同作用使得方向图也发生了严重的分叉和变形，同时，飞机的正下方无增益，即飞机机腹位置出现了探测盲区。进一步建立海面机载天线模型，并将机载天线与海面高度设定为15 m 和30 m，重新进行仿真计算，并得到其方向图，如图3所示。可以看到，当距海面高度越低时，海面反射越严重，海面对天线的方向图影响越严重，在更多的角度增益较低，出现更多的探测盲区。

图2 机体和海面对天线3D方向图的影响Fig.2 Influence of airframe and sea surface on 3-D radiation pattern of antenn

图3 天线阵列在自由空间和离海面不同高度时的3D方向图Fig.3 3-D radiation pattern of array antenna in free space and different height above sea

与之相对应的，将15 m和30 m 2个水平方向图放在一起进行比较，见图4。可以看到，正是由于海面的多径效应，同样的机载天线和飞机在不同高度时天线方向图分叉情况是不一样的，海面对其辐射特性影响不一样。在高度越高时，分叉越严重，说明机载天线在更多的角度有增益，探测盲区越小，此时海面对其方向图影响越小。

图4 机载天线在海面上15 m和30m高度时的方向图对比Fig.4 Comparison of radiation pattern of airborne antenna in the situation of 15 m and 30 m above sea

2.2 海面高度对机载天线方向图的改变

利用上述用HFSS仿真得到的机载天线方向图，并将其方位和幅度等数据导出进行处理，转化成图形可得到机载天线的俯仰方向图，如图5所示。可以看出，由于天线方向图只受飞机机体的影响，因而俯仰方向图相对比较平滑。

图5 机载天线俯仰方向图Fig.5 Pitching radiation pattern of airborne antenna

同样，根据计算式（1）可以计算并得出海面机载天线的方向图。为方便计算，采用C 语言对式（1）进行编程，设定飞机飞行高度为30 m，海水介电常数为80 f/m，电导率为4 s，可以得到海面机载天线阵列的方向图如图6所示。可以发现，由于海面反射影响，天线方向图不再平滑，而是分裂成无数个波瓣，从仰角0°～5°的方向图可以看出，每个波瓣都有最大的峰值，波瓣和波瓣之间分别出现低谷，天线方向图覆盖的范围，为雷达有效范围。因此，在天线性能分析中，应使天线方向图覆盖范围最大。

图6 海面机载天线阵列不同仰角时的方向图Fig.6 Radiation pattern of airborne antenna on the sea at different angle of elevation

同理，将30 m 与300 m、300 m 与1 000 m的天线方向图分别对比分析，如图7所示，从图中可以看出，飞机飞行高度越高，俯仰方向图分裂产生的波瓣数更多，波瓣更密集，但分裂波瓣产生的峰值和谷值相同，即俯仰方向图产生的波瓣分裂，分裂波瓣峰值形成的上包络图形和和谷值形成的下包络图形基本相同。

不同的飞行高度，分裂波瓣谷值形成的下包络图形相同，即天线辐射都能对下包络形成的图形形成覆盖，区别是波瓣分裂数数量不一致，造成分裂波瓣峰值形成的上包络图形范围内的覆盖效果不同，飞行高度越高，分裂产生的波瓣数更多，波瓣更密集，对波瓣峰值形成的上包络图形范围内的覆盖效果越好。

为计算出海面对机载天线方向图产生影响的最大高度，将海面飞行高度设定为30 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m、500 m、600 m和1000 m共9个高度，统计分析了飞机距离海面不同高度的天线俯仰方向图第1峰值到第6峰值对应的仰角，如表1所示。

图7 海面机载天线阵列在不同高度时的方向图对比Fig.7 Comparison of radiation pattern of airborne antenna on the sea at different height

表1 飞机距离海面不同高度各峰值对应仰角Tab.1 Angles of elevation corresponding to various peaks of radiation pattern when aircraft flying at different heights on the sea

由表1中的数据分析可知，飞机距离海面250 m以下时，各分裂波瓣峰值之间的夹角比较大，天线辐射方向图覆盖效果不太好；但当飞机距离海面250 m以上时，各分裂波瓣峰值之间的夹角比变化不大，夹角在0.03°～0.04°之间，由于各分裂波瓣峰值之间的夹角比较小，且变化不大，故天线波瓣峰值形成的上包络图形范围内的覆盖效果也比较好。因此，飞机海面飞行高度在250 m以上效果比较好。

3 结束语

在信息化海战中，海面环境严重影响着机载设备的性能发挥，而谁能快速、准确地获取对方的位置等信息，谁就将取得战争的主动权。

本文针对现代海战中出现的飞机低飞情况下出现的探测盲区的情况，对在自由空间、飞机和海面上的某一天线阵列进行了仿真研究，分析探讨了飞机机体及海面对天线阵列方向图的影响，同时计算了海面飞行高度对机载天线方向图的影响，提出了一个合理的飞行高度，为作战指挥员提供了决策依据，具有一定的参考意义。

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