多徑消除技術(shù)綜述及應(yīng)用

樊 浩 孫國(guó)強(qiáng)

多徑消除技術(shù)綜述及應(yīng)用

樊 浩 孫國(guó)強(qiáng)

本文首先簡(jiǎn)要敘述了目前用于海面低空目標(biāo)探測(cè)的幾種典型多徑消除技術(shù)。此外，文章對(duì)這幾種典型的多徑消除技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和分析，并在此基礎(chǔ)上提出了一種在實(shí)際使用中抑制多徑效應(yīng)的應(yīng)用策略。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中飛機(jī)和導(dǎo)彈經(jīng)常利用低空、超低空實(shí)施突防。1967年中東戰(zhàn)爭(zhēng)， 1982年英阿馬島戰(zhàn)爭(zhēng)，1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、1999年美國(guó)對(duì)南聯(lián)盟的攻擊，無(wú)不是以低空突襲開始的。低空突襲的有效性在于目標(biāo)的飛行高度大多在500m以下的低空、超低空領(lǐng)域，具有飛行高度底、飛行速度快、雷達(dá)反射面積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，從而給對(duì)方的地面和海面目標(biāo)構(gòu)成極大的威脅。低空目標(biāo)可以利用地球曲率和地形造成的遮擋，利用防空設(shè)施的盲區(qū)作掩護(hù)，使飛行器能夠快速隱蔽的深入敵區(qū)進(jìn)行突襲。

本文綜述一些針對(duì)低空目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤的典型的多徑消除技術(shù)，并給出一個(gè)可能的技術(shù)應(yīng)用策略。

多徑效應(yīng)

雷達(dá)在探測(cè)和跟蹤海面低空目標(biāo)時(shí)，由于海面的多徑反射（前向散射分量較強(qiáng)時(shí)），使雷達(dá)主波束接收到除目標(biāo)直接反射外的多個(gè)路徑的反射分量。實(shí)際接收到的信號(hào)是多個(gè)路徑信號(hào)的矢量和，這會(huì)引起回波能量的劇烈起伏，從而產(chǎn)生對(duì)目標(biāo)的漏探和漏跟。當(dāng)目標(biāo)低于波束寬度時(shí)，多路徑效應(yīng)表現(xiàn)得尤為突出，甚至將產(chǎn)生目標(biāo)回波閃爍和出現(xiàn)周期性擺動(dòng)，產(chǎn)生仰角跟蹤的不穩(wěn)定性，對(duì)目標(biāo)探測(cè)和跟蹤產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

海面上雷達(dá)目標(biāo)散射信號(hào)的多徑傳播涉及兩個(gè)重要問題：多徑幾何和反射系數(shù)。

多徑幾何

常用的多徑幾何模型有平面多徑幾何模型（見圖1）和曲面多徑幾何模型（見圖2）。平面多徑幾何模型應(yīng)用起來(lái)比較簡(jiǎn)便，曲面多徑幾何模型更精確。實(shí)際使用中可以將曲面多徑幾何模型的參數(shù)變換到平面多徑幾何模型上的參數(shù)。最重要的參數(shù)變換是本地高度與相對(duì)高度之間的變換，具體對(duì)應(yīng)值可采用二維遞推搜索算法解相應(yīng)方程組的方法獲得。

反射系數(shù)

海面低空目標(biāo)的反射系數(shù)ν主要由鏡面（相干）反射系數(shù)和漫（非相干）反射系數(shù)的和構(gòu)成。

鏡面反射系數(shù)νs由Fresnel反射系數(shù)ρ0、擴(kuò)散因子D、鏡面散射因子ρs的乘積組成：

光滑表面的Fresnel反射系數(shù)由反射表面的電磁特性決定，與極化方式、入射角、以及入射界面的復(fù)介電常數(shù)有關(guān)。鏡面散射因子ρs與海況有關(guān)。 擴(kuò)散因子D是考慮地球曲率影響的結(jié)果。反射線照到凸起的表面會(huì)引起擴(kuò)散，使得能量密度衰減。

漫反射是由粗糙表面的大量的小散射元產(chǎn)生的。漫反射系數(shù)可被表示為：

其中，ρd是漫散射因子，它是入射余角ψg、浪高均方根值σh和波長(zhǎng)λ的函數(shù)?？梢源笾抡J(rèn)為漫散射因子的相位從［-π， π］之間的均勻分布，幅度是粗造度因子的函數(shù)。在考慮存在多徑傳播的情況下，多徑效應(yīng)通常用方向圖傳播因子F表示為：

圖1　平面多徑幾何示意圖

圖2　曲面多徑幾何示意圖

如圖1所示這里θ和θ'分別為波束指向目標(biāo)和目標(biāo)鏡像時(shí)的夾角，δ0是直射路徑與反射路徑之間的路程差。

多徑消除技術(shù)

多徑效應(yīng)主要影響對(duì)雷達(dá)低空目標(biāo)俯仰角的測(cè)量，根據(jù)反射信號(hào)（目標(biāo)鏡像）進(jìn)入雷達(dá)波束的區(qū)域定義三種誤差區(qū)域。

副瓣反射區(qū)：副瓣照射反射面，反射信號(hào)通過天線副瓣進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)。目標(biāo)角度范圍為1.5θe＜θt＜6θe（其中θe為波束俯仰向-3dB帶寬，θt為雷達(dá)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)俯仰角）。

主瓣反射區(qū)：雷達(dá)的主波束的一側(cè)照射地面，反射信號(hào)從主波束進(jìn)入，此時(shí)稱主瓣反射范圍。目標(biāo)范圍為0.3θe＜θt＜1.5θe。

水平反射區(qū)：目標(biāo)信號(hào)和反射信號(hào)在俯仰方向上非常接近，同時(shí)進(jìn)入天線3dB帶寬以內(nèi)的高增益區(qū)，目標(biāo)角度范圍為θt＜0.3θe。

低副瓣電平

利用收發(fā)波束形成技術(shù)以實(shí)現(xiàn)收發(fā)兩端波束的低副瓣，接收時(shí)還可以利用和差波束技術(shù)配合副瓣匿影和副瓣對(duì)消以消除從副瓣進(jìn)入的目標(biāo)多徑干擾。

自適應(yīng)波束置零

利用數(shù)字波束形成技術(shù)實(shí)時(shí)的對(duì)目標(biāo)鏡像所對(duì)應(yīng)方向自適應(yīng)置零處理，可以減弱反射信號(hào)的影響，配合副瓣匿影技術(shù)可較好的消除從副瓣進(jìn)入的多徑干擾影響。

偏軸法

當(dāng)雷達(dá)探測(cè)低仰角目標(biāo)時(shí)，為防止主波束照射地面（海面），不用波束中心去照射目標(biāo)，而是采用偏零測(cè)量技術(shù)，以減少干擾信號(hào)進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)。通常在波束俯仰角θb=0.8θe以下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行偏軸跟蹤。偏軸法的問題是不能可信的應(yīng)用于θt≈0.15θe以下。此外在傳統(tǒng)偏軸跟蹤的基礎(chǔ)上利用海情、目標(biāo)距離、正交分量誤差變化等參數(shù)自適應(yīng)偏軸跟蹤，可以達(dá)到用普通單脈沖雷達(dá)精確地跟蹤超低空飛行的目的。

對(duì)稱波束法

利用雷達(dá)天線和差波束方向圖的對(duì)稱性控制天線波束照射方向，使其與目標(biāo)的夾角等于與目標(biāo)鏡像的夾角，可減弱多路經(jīng)反射的影響。對(duì)稱波束法應(yīng)用的前提是目標(biāo)與其鏡像同處于雷達(dá)照射波束內(nèi)，然而當(dāng)θt＜0.15θe時(shí)其測(cè)角誤差變得難以確定。

復(fù)角技術(shù)

雷達(dá)接收到的目標(biāo)和鏡像的和差信號(hào)的比是一個(gè)復(fù)數(shù)，可測(cè)得該復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部，計(jì)算得到多徑影響時(shí)的低空目標(biāo)俯仰角度。實(shí)際使用時(shí)，可以事先計(jì)算出復(fù)角曲線 。

已有的AN/FPS-16單脈沖跟蹤雷達(dá)以及9LVMK3火控跟蹤雷達(dá)的試驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)角的方法具有精度高的潛在優(yōu)勢(shì)，能適用于某些特定場(chǎng)合。計(jì)算結(jié)果表明該技術(shù)適用于雷達(dá)高度與天線口徑比較小，發(fā)射頻率較低的雷達(dá)。

偏差補(bǔ)償技術(shù)

雷達(dá)跟蹤遠(yuǎn)距離低空目標(biāo)時(shí)，實(shí)單脈沖比所對(duì)應(yīng)的角度和目標(biāo)真實(shí)仰角在大部分時(shí)間里相差一個(gè)近似固定的值，這個(gè)值可以在閉環(huán)跟蹤過程中預(yù)先估計(jì)出來(lái)，并對(duì)得到的單脈沖比進(jìn)行修正。偏差補(bǔ)償技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)改變小，工作穩(wěn)定，缺點(diǎn)是不適用于近距離目標(biāo)和高度變化較快目標(biāo)。

多目標(biāo)估計(jì)

由于單脈沖測(cè)角的計(jì)算簡(jiǎn)單，最近提出一些類似的但基于3維波束空間的多目標(biāo)估計(jì)技術(shù)。目前該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是結(jié)合頻率分集技術(shù)和多徑幾何分析，以避免多徑衰落時(shí)測(cè)角性能的下降。使用該技術(shù)可以將相距大約半個(gè)半功率波束寬度的目標(biāo)區(qū)分開。

總結(jié)

目前大多數(shù)低空目標(biāo)跟蹤技術(shù)只能解決副瓣、主瓣反射區(qū)附近的誤差，這種誤差多為隨機(jī)的，只要能保證穩(wěn)定跟蹤，在濾波階段通過平滑濾波等能得到有效控制，再采用上面所述的方法可得到較好結(jié)果。理論上，純粹的單頻微波單脈沖雷達(dá)測(cè)角體制不可能徹底解決地平線反射區(qū)附近的誤差，該誤差不是隨機(jī)的不能通過平滑濾波加以去除。

解決地平線反射區(qū)的誤差主要有四種：一是足夠頻帶寬度的頻率分集；二是高分辨技術(shù)；三是多陣元或多波束技術(shù)；四是利用閉環(huán)跟蹤的有效信息。從目前國(guó)際上的發(fā)展趨勢(shì)上看，前面三種使用的最多，例如許多近程火控系統(tǒng)都采用頻率分集技術(shù)，TRAKX雷達(dá)利用毫米波來(lái)產(chǎn)生窄的波束屬于第二種，LAT及其對(duì)FPS-16的改進(jìn)可以屬于第三種。第四種是近年來(lái)發(fā)展的一種新技術(shù)，其特點(diǎn)是把測(cè)量和濾波跟蹤更緊密結(jié)合起來(lái)，不僅測(cè)量為濾波跟蹤提供數(shù)據(jù)，而且濾波跟蹤為測(cè)量提供參數(shù)估計(jì)，進(jìn)而選擇跟蹤策略。

為了能消除在副瓣區(qū)、主瓣區(qū)和地平線區(qū)的多徑誤差穩(wěn)定的跟蹤目標(biāo)，雷達(dá)裝備需要具備多種多徑消除技術(shù)，在不同的反射區(qū)根據(jù)具體情況應(yīng)用相應(yīng)的技術(shù)。通過上面分析，下面給出一個(gè)可能的技術(shù)應(yīng)用策略。

低空目標(biāo)從遠(yuǎn)處飛來(lái)，首先進(jìn)入地平線反射區(qū)，此時(shí)采用足夠?qū)掝l帶的頻率分集技術(shù)并配合使用固定偏差補(bǔ)償?shù)姆椒ɑ驈?fù)角法（低站址、低頻雷達(dá)）。隨著目標(biāo)飛行進(jìn)入主瓣反射區(qū)，采用頻率分集技術(shù)并配合使用偏軸法或?qū)ΨQ波束法（適用于光滑或中等反射面）。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入副瓣反射區(qū)時(shí)，利用低副瓣和差波束技術(shù)或自適應(yīng)置零技術(shù)再配合副瓣匿影以消除從副瓣區(qū)進(jìn)入的多徑干擾。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.001