机载火控雷达对地试飞航线设计与目标角反仿真

苏 萌 孙佳兴

（中国飞行试验研究院，陕西 西安710089）

1 概述

机载火控雷达不仅能够探测空中目标，同时还具备强大的对地功能，可以为战斗机火控武器系统提供空中或者地面目标指示和精确制导信息。常见的对地工作方式主要有：真实波束测绘、多普勒波束锐化、合成孔径成像等。

机载火控雷达为了优先保证战斗机对空中目标的探测，其天线孔径安装在战斗机鼻锥的尖罩里。根据脉冲多普勒的原理，机载火控雷达探测地面目标必须满足一定的方位限制，对于飞机正前方扇区内的目标是无法获得较好的探测效果。针对这一特点，将其称为前斜式对地探测。

2 前斜式对地探测试飞航线设计

进行机载火控雷达对地固定目标探测飞行试验时，需要选取空旷的地面布置典型目标，再规划合适的试飞航线保证典型地面目标落在试验飞机的探测区内，方能对机载火控雷达对地功能的各项性能指标进行考核验证。

以机轴左侧为例，试飞航线设计和地面目标布置方法，如图1 所示。

图1 雷达前斜式对地探测试飞方法图示

典型地面目标选取金属角反射器阵列，其口面对向飞机来向接收雷达信号。角反射器阵列呈口字形排布，这是为了试验雷达能否在距离维和方位维清晰地将目标分辨开。不考虑空中偏流影响带来飞机姿态的变化，图中有效的试飞航线为AB 段。

3 角反射器仿真

为了能够在有效航段上对角反射器阵列保持探测，雷达必须在该航线范围内都能接收到足够强度的目标回波，因此我们希望角反射器有良好的波束宽度特性，直角三角形平板组成的三面角反射器在实际中应用最多。如图2 所示，在空间直角坐标系xyz 建立角反射器模型，它的三条棱长度分别为a、b、c，与三条坐标轴重合。雷达波从远处照射过来，来波方向与z 轴夹角为θ，其在xOy 平面的投影与x 轴夹角为φ。

图2 角反射器建模坐标定义

本文以典型X 波段机载火控雷达为例，选取工作频率为9HGz。令a=b=c=10cm，对建立的角反射器模型进行仿真，仿真使用Ansoft HFSS 电磁计算软件进行。

仿真时忽略角反射器金属板材的厚度，将其视为理想导体平面，可以节省仿真计算资源和求解时间。为了使结果更加准确，仿真时在模型外侧建立空气腔结构，在空气腔表面添加理想匹配层边界条件。理想匹配层是能够完全吸收入射电磁波的假想各项异性材料边界，可以应用来模拟外场问题中的自由空间截断或者导波问题的吸收负载。用于本问题，雷达波经角反射器金属平板多次反射后被全部散射回自由空间，不在金属角反射器周围形成近区电磁场，即不考虑近场效应和边缘效应的影响。

根据电磁场理论，远距离照射到角反射器口面的雷达波可以认为是均匀平面波，其电场表达式

其中，z 是雷达波传播的方向，x 是电场强度方向，磁场强度方向与电场强度方向相互垂直。

因此仿真时对模型施加平面波激励。平面波采用水平极化方式，照射方向可以根据图1 规划的试飞航线和角反射器布置情况设置不同的角度。

以飞机飞行高度10000m 为例，雷达作用距离120km，则雷达波照射地面角反射器擦地角约为5°。不妨先仿真从角反射器口面法向入射、擦地角为5°的情况，结果如图3 所示。

图3 中可以看出，在角反射器口面法线方向能够获得最大的回波电平，其值为20.28dB。而角反射器回波电平的3dB 波束宽度仅为约24°。

由于飞机飞行高度和雷达作用距离是相对确定值，即照射角反射器雷达波的擦地角基本上是固定不变的，本次仿真按5°设置。那么，将角反射器沿法平面转动一定的角度，改变入射电磁波相对角反射器的俯仰角，再次进行仿真。如图4 所示，是将角反射器下倾旋转20°之后，回波电平的仿真结果。

图3 角反射器口面法向入射回波电平

图4 角反射器下倾20°时口面法向入射回波电平

图4 中可以看出，最大的回波电平依然存在在角反射器口面法线方向，其值为18.35dB。虽然回波电平峰值较之前情况的仿真结果有所下降，但此时角反射器回波电平的3dB 波束宽度较之此前有明显展宽，可达40°。良好的宽波束特性确保了机载雷达在整个试飞有效航段均能够获得足够强且均匀的地面目标回波用于雷达检测，这对于开展飞行试验来说是有益的。

如果继续增大角反射器安置的下倾角度，回波电平波束宽度会发生急剧的恶化，不能满足试飞航线要求。因此，对于针对不同的雷达波照射擦地角，适当地将角反射器进行下倾安装，可以获得较好的宽波束特性。下倾角的选取可以通过仿真的方式进行。

4 结论

本课题针对机载火控雷达对地前斜式探测的特点，进行了试飞航线设计和地面目标布设规划。通过试飞航线可以看出，地面角反射器需具备40°的回波电平波束宽度方能满足前斜式探测试飞航线的角度要求。而常用的等腰直角三角形三面角反射器通过适当的下倾，可以提供足够宽度的回波电平，相关的仿真试验可以用于支持选取合适的下倾角度。