机载预警雷达构型探测性能影响分析
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摘要：针对几种典型的背负式预警机雷达构型，从机身影响雷达天线性能和机身遮挡回波杂波的角度，分析比较了飞机机身对机载预警雷达探测的影响。随着单元数字化有源相控阵雷达技术和天线共形技术的发展与应用，为飞机机身约束下的机栽雷达天线优化设计带来可能，这将提升机栽预警雷达的探测性能。
关键词：机栽预警雷达;构型;机身遮挡;天线方向图
中图分类号：TN959.73 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）12-0039-02
1概述
预警机诞生于第二次世界大战后期。1945年3月，世界上第一个预警机——美国海军的TBM-3W正式服役。为实现全方位的均衡探测，自20世纪70年代起，预警机更多采用了背负圆盘构型，雷达天线在圆盘形天线罩内机械旋转，实现全方位探测，该类预警机以美国“E-3”、“E-2C”、前苏联“A-50”为代表。在机械扫描的“E-2C”基础上，升级了具有机相扫能力的“E-2D”预警机。20世纪以来，美国对外出口的一型“楔尾”预警机，摒弃了机械扫描的形式，采用了全相扫的有源相控阵体制。
随着相控阵相关技术的发展，相扫形式成为了新一代预警机典型的技术特征，此时雷达天线不仅采用相扫扩展方位向覆盖，而且增加了探测的灵活性，该类预警机以我国的“空警-2000”和“印度费尔康”为代表。
2雷达受机体遮挡情况分析
机载预警雷达的探测性能除了与天线性能、发射波形有关外，还额外受到机身遮挡、杂波分布与抑制等方面的影响，某些情况下载机机体对雷达探测的影响甚至大于雷达自身。
2.1雷达天线情况
采用圆盘两面阵构型的预警机雷达，主要依靠机械扫描实现全方位覆盖，天线基本不具备相扫能力，此时对天线设计约束较少，天线副瓣性能好。该型装备以“E-3”预警机为代表，该型雷达实现了-45分贝的超低副瓣。对采用机扫的雷达兼具一定相扫能力、还要保证一定的副瓣要求，这些要求都增加了天线的设计难度。该类装备以“E-2D”预警机为代表，由于该型雷达的有源通道数较少，仅实现了25分贝的峰值副瓣，在大相扫角时天线副瓣抬升3-5分贝。
2.2机身遮挡情况
采用背负式的预警机雷达，在探测时受到载机机身的遮挡和影响，是预警机系统设计时需要考虑的。早期雷达受到雷达体制的限制，对该问题没有很好的解决办法，只能通过将雷达天线架高到一定程度降低影响，但架高到一定程度会影响载机气动性，具体架设高度需要在天线遮挡和载机气动中寻找一个平衡点。
机体遮挡可以从两个方面分析：其一是对收、发天线方向图的影响，具体是对增益和副瓣的影响，该影响对雷达探测性能的影响是负向的;其二是机体对接收的近程杂波遮挡，该遮挡能够有效抑制近程杂波，对雷达探测的影响是正向的。
（1）机身遮挡
a.圆盘三面阵
“三面阵”的斜侧阵在法线波位附近，机身可以遮挡住一定俯仰角度的近程杂波，大扫描角时机翼会遮挡部分近程杂波。受机身与机翼的遮挡方面，遮挡的天线方向图在某些方向上主瓣会产生一定程度变形、副瓣有所抬高。
b.圆盘两面阵
“圆盘两面阵”构型，雷达天线主要靠机械扫描，天线波瓣不会随着扫描而展宽。当天线辐射的电磁波传播到机身时会受到机身遮挡，天线方向图会发生一定程度变化，具体表现为主瓣展宽、副瓣抬高。此外，该类天线的辐射方向单一，在有源通道的幅相加权固定、缺乏优化的空间，无法发挥新型波形设计空间自由度大的特点。
c.“平衡木+顶帽”构型
“平衡木+顶帽”构型中，每个天线的天线方向图均受到了机体的遮挡，顶帽端射阵由于天线副瓣较高、增益较低，飞机机头对于前视阵天線的方向图影响较小。对于正侧面阵而言，雷达天线直接放置在机背上，机翼对天线方向图有一定影响，对天线增益影响可以忽略，但会将靠近天线主瓣的副瓣抬高2-4分贝，对远区副瓣影响有限，此时抬高副瓣对应的远程杂波对于杂波量级的影响有限。
（2）尾翼影响
常规预警机载机多采用运输机或者客机，尾翼均较大。雷达扫描至尾翼方向时，对天线方向图均有一定程度影响，进而影响探测性能。
仿真表明，“三面阵”构型，天线扫描到偏离尾翼方向20度，影响较小;天线扫描到偏离尾翼方向15度，副瓣抬高4分贝，副瓣杂波区探测性能下降12%;天线扫描到偏离尾翼方向10度，副瓣抬高6分贝，副瓣杂波区探测性能下降18%;天线扫描到尾翼方向，天线主瓣分裂，无法有效探测。“两面阵”构型天线扫描到偏离尾翼方向30度，影响较小;天线扫描到偏离尾翼方向20度，副瓣抬高5分贝，副瓣杂波区探测性能下降13%;天线扫描到偏离尾翼方向10度，副瓣抬高10分贝，副瓣杂波区探测性能下降28%;天线扫描到尾翼方向，天线主瓣分裂，无法有效探测。“平衡木+顶帽”构型，正侧面阵扫描到60度时，与尾翼夹角30度，该角度扫描时，受尾翼影响较小。端射阵天线扫描到偏离尾翼方向20度，影响较小;天线扫描到尾翼方向，天线方向图主瓣分裂，无法有效探测。
2.3杂波情况
机载预警雷达多采用中高重频PD方式，目标回波若落在杂波区，会影响目标探测性能，需要进行杂波抑制。采用空时二维信号处理进行杂波抑制，杂波的自由度与采用样本的个数有直接关系。采用正侧视布阵的雷达杂波自由度具有空时等效性，空时协方差矩阵的大特征值个数不超过阵元数与脉冲数之和，这给信号处理的降维运算带来了方便。
3解决措施
现有的预警机雷达机身影响问题，只能通过架高天线的方式减弱该影响，尾翼遮挡问题可通过将预警机主尾翼改为多垂尾设计解决，如“E-2”预警机将一个大尾翼改为四小垂尾兼顾飞行性能和雷达探测性能。
将雷达天线贴在机身外表面也是一个降低飞机机身遮挡的路径，其代表为以色列“费尔康”预警机（Phased Ar-ray L-band Conformal Radar，PHALCON），早期设计相控阵天线最多由多个共形子阵列组成，实现360度覆盖。
依托“费尔康”预警机的设计思想，在不同载机平台上分别研制了“秃鹰”预警机和“湾流550”预警机。这种将雷达天线贴附在载机机身上的方式，除当侧面阵雷达向后扫描至一定角度时，天线方向图会受到机翼影响，其余方向天线的扫描特性均不受机身影响，若全方位均不受影响时，机身的天线阵面应该是6块、组合完成全方位覆盖。
同时，从雷达发展角度，现有预警机雷达均为无源相控阵或传统的有源相控阵，波形设计灵活性不够，在该方面抑制机身影响是无能为力的。随着单元可控的数字阵列雷达技术发展，以及雷达实时计算能力的不断提升，为机载预警雷达利用波形优化来降低机身对天线方向图的影响带来可能，该方向也将是机载预警雷达设计师需要考虑的问题。
4结束语
随着雷达单元数字化技术的应用，为改变部分单元的天线方向图特性优化雷达波瓣带来可能，有望进一步降低机身遮挡的影响。此外，未来在无人机平台上设计机载预警雷达，多会采用雷达天线与机身共形的方式，实现共形雷达探测与飞机气动完美结合，回避了机身影响的设计难题。
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