超低空反導(dǎo)中的多徑效應(yīng)仿真*

車馳峰　祝明波　付哲泉

(海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系　煙臺(tái)　264001)

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超低空反導(dǎo)中的多徑效應(yīng)仿真*

車馳峰祝明波付哲泉

(海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系煙臺(tái)264001)

摘要為了得到超低空背景下目標(biāo)特性參數(shù)對(duì)脈沖雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)檢測(cè)的影響,根據(jù)導(dǎo)引頭和目標(biāo)的空間幾何關(guān)系,推到了波程差、多普勒頻移、相位差的表達(dá)式,并結(jié)合比例導(dǎo)引法建立多徑效應(yīng)仿真模型。針對(duì)目標(biāo)飛行參數(shù)進(jìn)行了具體的仿真并結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)參數(shù)的影響效果進(jìn)行了分析,為導(dǎo)引頭末制導(dǎo)段的彈道規(guī)劃與有效地規(guī)避多徑效應(yīng)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞超低空; 脈沖雷達(dá); 多徑效應(yīng); 比例導(dǎo)引法

Simulation of Multipath Effect in Super Low-altitude Anti-missile

CHE ChifengZHU MingboFU Zhequan

(Department of Electronic and Information Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001)

AbstractIn order to get the target parameters’ effects on the target detection of the pulse radar seeker under the conditions of low-altitude, the expression of the distance difference and the Doppler frequence difference and the phasic difference is derived according to the geometry relationship between the radar seeker and the target, and simulation of the multipath effect model is built up combining the proportion guide methed. Aiming at the target flight parameter, the simulation result is received and the effect to the parameter is analyzed, which provide reference for the missile trajectory programming and evading multipath effect availably.

Key Wordssuper low-altitude, pulse radar, multipath effect, the proportion guide method

Class NumberTN957.51

1引言

多徑效應(yīng)是指當(dāng)雷達(dá)低仰角工作時(shí),除了從目標(biāo)直接反射的回波之外,還有來自反射表面的基于鏡面反射和漫散射機(jī)理的目標(biāo)回波。當(dāng)同時(shí)到達(dá)雷達(dá)接收機(jī)時(shí),會(huì)產(chǎn)生相干或非相干疊加,這種現(xiàn)象通常被稱為多徑效應(yīng)[1]。文獻(xiàn)[2~3]分別針對(duì)毫米波雷達(dá)和單脈沖體制雷達(dá),指出鏡面反射會(huì)使回波信號(hào)衰落,漫散射會(huì)導(dǎo)致回波中的相位部分出現(xiàn)偏差。提出利用最大似然法估測(cè)俯仰角,對(duì)毫米波雷達(dá)和單脈沖體制雷達(dá)的多徑效應(yīng)都可以進(jìn)行有效地抑制。文獻(xiàn)[4~7]對(duì)前人工作進(jìn)行了總結(jié),對(duì)不同多徑效應(yīng)模型下的回波信號(hào)模型進(jìn)行了比較,給出了在不同電磁散射環(huán)境下,不同多徑效應(yīng)模型的適用程度。文獻(xiàn)[8]給出了一種基于多反射點(diǎn)擴(kuò)展目標(biāo)的多徑回波時(shí)域復(fù)包絡(luò)數(shù)字仿真模型,此模型適用于對(duì)于平整和起伏的地面或海面。

本文在超低空背景下,結(jié)合比例導(dǎo)引法建立鏡面反射多徑效應(yīng)模型,分析多徑效應(yīng)對(duì)脈沖主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭探測(cè)與跟蹤性能的影響,得出多徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)測(cè)量參數(shù)影響的可用性結(jié)論,對(duì)抑制目標(biāo)鏡像實(shí)現(xiàn)超低空反導(dǎo)具有重要意義。為提高導(dǎo)引頭探測(cè)與跟蹤精度和武器的打擊效能提供重要參考依據(jù)。

2彈道模型和多徑效應(yīng)模型的建立

2.1彈道模型的建立

比例導(dǎo)引法,亦稱為比例導(dǎo)航法,是指導(dǎo)彈在飛行過程中矢量V的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度成比例的一種導(dǎo)引方法[9]。其關(guān)系式為

(1)

式中,K為比例系數(shù),又稱為導(dǎo)航比。假定比例系數(shù)K為一個(gè)常數(shù),對(duì)式(1)進(jìn)行積分,就得到比例導(dǎo)引關(guān)系式的另一種形式:

ε1=(σ-σ0)-K(q-q0)=0

(2)

式中σ為導(dǎo)彈彈道角,q為目標(biāo)視線角。

以比例導(dǎo)引法為基礎(chǔ)的彈目運(yùn)動(dòng)關(guān)系示意圖和二維彈道模型仿真圖如圖1、圖2所示。

圖1　彈目運(yùn)動(dòng)關(guān)系示意圖

圖2　比例導(dǎo)引法仿真圖

2.2多徑效應(yīng)模型的建立

根據(jù)多徑效應(yīng)形成的基本原理,可分為鏡面反射和漫散射,當(dāng)反射表面高度差滿足:

Δh

可認(rèn)為反射表面是平坦的。如果上式不成立,則認(rèn)為反射表面為粗糙。式中,Δh為反射表面高度差,λ為雷達(dá)工作波長,φ為地海面反射波的入射余角。本文所研究的是基于鏡面反射模型的多徑效應(yīng)。

當(dāng)彈目距離較小時(shí),忽略地球曲率對(duì)雷達(dá)波束傳播的影響,鏡面反射模型如圖3所示。

由于不考慮和差通道的接收機(jī)噪聲時(shí),三條多徑回波和一條多徑回波的單脈沖比是一樣的,所以,為了簡(jiǎn)化分析過程,本文的分析建立在一條多徑的基礎(chǔ)上[10],即只考慮直射路徑ACA和反射路徑ACBA。

圖3　平面反射模型示意圖

設(shè)直接回波和反射回波的波程差為ΔR,則:

(3)

其中,

(4)

同時(shí),考慮到目標(biāo)與雷達(dá)導(dǎo)引頭之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移[11]。設(shè)導(dǎo)彈速度為vm,目標(biāo)速度為vt。

路徑ACA的多普勒頻移:

(5)

路徑ACBA的多普勒頻移:

(6)

在本模型中,采用固定頻單脈沖信號(hào)形式,直接回波可表示為

(7)

多徑反射回波可以表示為

(8)

其中,T代表脈沖重復(fù)周期,fc為中心頻率。

綜上,回波信號(hào)可表示為

S(t)=SR(t)+SRd(t)

(9)

直接回波與反射回波頻率差Δfd為

Δfd=fd1-fd2

(10)

同時(shí)由所求的彈目距離表達(dá)式可求得直接回波與反射回波相位差Δφ為

Δφ=φs-φt

(11)

其中:

(12)

(13)

3仿真結(jié)果及分析

仿真時(shí)導(dǎo)彈以比例導(dǎo)引法迎頭打擊目標(biāo)。設(shè)導(dǎo)彈速度為1.5馬赫,彈目水平距離為10000m,導(dǎo)彈初始高度為2000m。

3.1仿真結(jié)果

1) 目標(biāo)飛行速度為0.7馬赫;目標(biāo)初始高度為5m;

2) 目標(biāo)飛行速度為0.7馬赫;目標(biāo)初始高度為100m;

3) 目標(biāo)飛行速度為1.2馬赫;目標(biāo)初始高度為5m;

3.2仿真結(jié)果分析

3.2.1直接回波與多徑回波頻率差的分析

頻差隨著目標(biāo)飛行高度的增高,上升起始時(shí)間提前,上升趨勢(shì)總體變得平緩,且隨著飛行高度和飛行速度的增加而增加的。當(dāng)頻差達(dá)到某一臨界值,導(dǎo)引頭的速度門可將鏡像回波擋在接收機(jī)之外,以消除多路徑效應(yīng)對(duì)末制導(dǎo)階段產(chǎn)生的影響。

3.2.2直接回波與多徑回波時(shí)延的分析

時(shí)延不隨飛行速度的改變而改變,但隨著飛行高度的增加而增加。而時(shí)延的增加在距離上有著距離后拖的作用,若多徑回波強(qiáng)度在特定情況下可與直接回波相比擬,很有可能使距離門跟蹤目標(biāo)鏡像而導(dǎo)致導(dǎo)彈脫靶。

3.2.3直接回波與多徑回波俯仰夾角的分析

俯仰夾角不隨飛行速度的變化而變化,而是隨著目標(biāo)的飛行高度增加而增加。在一定范圍內(nèi),可使得角度跟蹤產(chǎn)生偏移最后引發(fā)脫靶。

4結(jié)語

本文在超低空反導(dǎo)的實(shí)際背景下,結(jié)合末制導(dǎo)雷達(dá)比例導(dǎo)引法,較為詳細(xì)地推導(dǎo)了距離差、多普勒頻差、相位差公式,建立鏡面反射多徑效應(yīng)模型,針對(duì)超低空突防導(dǎo)彈的飛行高度和飛行速度對(duì)多路徑效應(yīng)的影響進(jìn)行仿真分析和研究,該研究可為固定頻單脈沖雷達(dá)導(dǎo)引頭有效地規(guī)避多徑效應(yīng)的影響提供參考依據(jù)。

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中圖分類號(hào)TN957.51

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.03.016

作者簡(jiǎn)介:車馳峰,男,碩士研究生,研究方向:精確制導(dǎo)技術(shù)及其智能化。祝明波,男,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:微波遙感技術(shù)與應(yīng)用。付哲泉,男,碩士研究生,研究方向:精確制導(dǎo)武器目標(biāo)探測(cè)技術(shù)。

收稿日期:2015年9月4日,修回日期:2015年10月25日