傳感器飛機機翼形變對共形雷達系統(tǒng)性能的影響研究

張新苗

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所， 合肥 230088；2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室， 合肥 230088)

在現(xiàn)代高技術條件下的“陸、海、空、天、電”五維一體的戰(zhàn)爭中，無人機的使用越來越廣泛，尤其是在最近幾次局部戰(zhàn)爭中表現(xiàn)出色，包括對地偵察監(jiān)視和打擊，作戰(zhàn)效能明顯[1]。傳統(tǒng)的情報、監(jiān)視、偵察(ISR)任務仍是無人機軍事化應用最核心的領域，并且無人機在執(zhí)行ISR任務時具有自己獨特的優(yōu)勢：與有人機相比，無人機規(guī)模小、續(xù)航時間長、無人員傷亡危險；與衛(wèi)星相比，無人機時效性、針對性和靈活性更強、分辨率高、預警時間短、成本費用低。

20世紀90年代，隨著雷達技術的不斷進步，新體制、小型化雷達被安裝在無人機上，例如美國“全球鷹”(Global Hawk)、“捕食者”(Predator)、以色列“赫爾姆斯”(Hermes)、“搜索者”(Searcher)等主要無人機上都裝載了新型雷達系統(tǒng)，并利用其進行長航時戰(zhàn)場偵察監(jiān)視[2]。

無人機載雷達設計難點主要在于平臺本身載荷能力有限，包括安裝空間小、供電能力弱、散熱要求高等。共形雷達系統(tǒng)采用與無人機機身一體化集成方式進行設計，電訊件與機身結構件功能復用，既能充分利用機身的安裝空間，還能最大限度擴大天線陣列口徑，以提升雷達系統(tǒng)探測性能。另外，共形天線方向圖綜合和低副瓣設計難度大，且機翼一體化共形設計時形變會導致方向圖產(chǎn)生畸變，對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，都給傳感器飛機的研制帶來困難與挑戰(zhàn)。

本文針對傳感器飛機研制中的機翼一體化共形天線形變對共形雷達系統(tǒng)的性能影響進行分析研究，對天線形變進行建模仿真，針對天線形變前后雜波分布進行了仿真分析，針對機翼形變提出了形變監(jiān)測及實時補償?shù)拇胧?，為傳感器飛機研制積累了理論基礎。

1 共形天線陣列集成設計

固定翼無人機擁有較大的翼展，在機翼上一體化集成共形天線能提供較大的方位向天線口徑，方位向探測精度較高；但由于機翼形變大，在機翼部位安裝天線陣列對天線的結構設計難度大，參考美國的“傳感器飛機”項目，將X波段的天線陣面設計為共形承重結構與機翼集成為一體，如圖1(a)所示，機翼內(nèi)部包含3根梁(前墻、主梁和后梁)，由于X波段天線厚度尺寸小，因此可將天線陣面設計在前墻與機翼蒙皮內(nèi)，將肋的前端去除，利用天線陣面作為前端的結構支撐，并使天線陣面形成一個整體。

前墻的尺寸為2 850 mm×70 mm，假設雷達工作頻段為10～18 GHz，水平天線間距按照9.5 mm、垂直間距按照11.5 mm設計，因此天線陣面單元數(shù)為水平300×垂直6個。由于機翼安裝空間限制，俯仰向進行射頻合成。

對于寬帶、寬角掃描的陣列天線，可供選擇的單元形式有限，而對于無人機平臺對單元尺寸、重量、電訊性能、結構型式等方面的限制，給單元的設計帶來很大的困難和局限性，在機翼一體化設計時選用金屬形式的漸變槽天線單元形式，天線極化為垂直極化，通過對漸變槽天線尺寸進行微調(diào)修正，以確保得到良好的駐波和方向圖性能[3-5]。

圖1 一體化機翼

2 機翼形變對方向圖影響分析

通過氣動仿真，無人機在正常巡航狀態(tài)時，機翼的形變模型如圖1(b)所示，仿真結果可以看出，機翼末端最大形變達到600 mm，天線陣面形變范圍為100～300 mm。

機翼形變時共形天線陣列示意圖如圖2，其中，Ai為共形陣列中的第i個單元，Ri為第i個單元到目標的距離，ΔRi為第i個單元與A0單元到目標的距離差。

圖2 機翼形變時共形天線陣列示意圖

共形陣列在目標方向上的合成場強可以表示為

其中，fi(φ,θ)為單元方向性系數(shù)，R為參考天線單元到目標的距離，由于目標距離天線陣面遠大于天線陣面尺寸，因此可以假定各天線單元到目標的距離相等。

結合機翼形變曲線，利用Matlab對形變陣列進行建模與仿真，可通過理論計算得到形變導致天線方向圖的畸變情況，如圖3所示。

圖3 機翼形變導致天線方向圖畸變

從仿真結果中可以看出：機翼的形變對方位面法向方向圖影響較小，在較大俯仰角時，導致方位波束寬度的展寬和偏移，俯仰角為20°時，方位面波瓣寬度展寬至未發(fā)生形變時的2倍，且俯仰角越大，展寬越嚴重。機翼的形變對俯仰面的影響較大，波束形狀發(fā)生了畸變。

3 機翼形變對地雜波分布的影響

假定雷達發(fā)射頻率f，脈沖重復頻率fr，雷達平臺在高度He。地面相對雷達的散射點P，用下視角θ和方位角φ表示，如圖4所示。由于存在距離模糊和速度模糊，出現(xiàn)在距離-多普勒檢測單元中的整個地面反射雜波σc(Ri,fj)簡記為σc(i, j)，包含一系列模糊距離-多普勒單元。每個距離-多普勒單元由兩個以飛行雷達平臺下方地面為中心的恒定距離圓(ΔR)和兩個恒定的等速度線(ΔF)所圍成，設斜距為R，其雜噪比為[7-8]

其中：Pt為雷達峰值發(fā)射功率；λ為雷達發(fā)射波長；G(θ,φ)為天線方向性系數(shù)；L為系統(tǒng)損失；CB為帶寬校正因子，ΔR為距離門寬度。

圖4 仿真坐標系(機頭方向為X軸，右翼為Y軸)

對于每個雜波單元，其等效散射截面積σc可以用下式表示：

其中，σ0為后向散射系數(shù)，φ為雷達波束擦地角，θα為雷達波束方位向寬度，R為雜波單元到雷達的距離。

圖5為仿真得到的無人機飛行狀態(tài)下機翼未發(fā)生形變和發(fā)生形變時雜波分布圖；圖6為機翼未發(fā)生形變和發(fā)生形變時回波檢測信雜噪比曲線。

從仿真結果中可以看出：由于機翼形變導致天線方向圖發(fā)生畸變，雜波分布從而發(fā)生改變，系統(tǒng)接收到的回波信雜噪比近區(qū)下降超過20 dB，遠區(qū)下降約10 dB，機翼形變導致系統(tǒng)探測性能下降。

圖5 雜波分布

4 機翼形變感知與補償技術

通過建模和仿真，得到了機翼形變時天線陣列的方向圖及導致系統(tǒng)探測時雜波分布變化，可以看出：機翼形變會影響一體化雷達載荷的性能，因此在工程應用時，需要實時監(jiān)測機翼形變和解算每個天線單元的空間坐標(xi,yi)，波束形成時考慮天線單元空間位置，并對各單元到目標的相位差進行補償，才能正確得到共形陣列的方向圖。通過理論分析，每個天線單元需要補償相位差為

針對機翼形變感知需求，可以采用光纖光柵技術對機翼的形變進行實時感知，并對機翼形變導致的空間相位差實施動態(tài)監(jiān)測，將光纖布拉格光柵表貼在機翼上，并在各天線單元附件布置傳感器，光纖布拉格光柵對于軸向拉伸應變非常敏感，可以建立應變-變形模型，通過精確測量應變量，采用擬合手段實時反演得到各天線單元的空間坐標(xi,yi)，并據(jù)此對相控陣系統(tǒng)進行相位補償，得到正確的天線方向圖。

與常規(guī)的傅立葉變換法、最小二乘法法等信息處理技術相比，形變監(jiān)測技術可以直接獲取陣列中單元的空間位置變化絕對值，無需通過優(yōu)化算法進行不斷迭代收斂計算，實時性更強，更加適合在工程應用中實現(xiàn)。

圖6 信雜噪比曲線

5 結論

本文針對固定翼無人機平臺機翼一體化共形天線陣列進行了建模研究，分析了由機翼形變導致的天線陣列空間方向圖的變化，根據(jù)仿真結果可以看出：機翼的形變對方位面法向波瓣影響不大，大俯仰角處方位波束寬度展寬較大，俯仰角為20°時，方位面波瓣寬度展寬至未發(fā)生形變時的2倍，且俯仰角越大，展寬越嚴重；機翼的形變對俯仰面的影響較大，波束形狀發(fā)生了畸變。天線方向圖的畸變導致系統(tǒng)接收回波的雜波分布發(fā)生改變，系統(tǒng)接收到的回波信雜噪比近區(qū)下降超過20 dB，遠區(qū)下降約10 dB，機翼形變導致系統(tǒng)探測性能下降。

本文提出了機翼形變實時感知與動態(tài)補償技術，通過測量機翼形變量，可以對空間相位差進行動態(tài)補償，從而消除機翼形變對雷達性能的影響。本文相關研究成果可以為無人傳感器飛機系統(tǒng)的研制提供理論支持，尚需要在工程實際應用中進行實施驗證。