基于平面模型的雷達(dá)多路徑效應(yīng)分析

白俊龍

【摘 要】本文在平面模型下，結(jié)合一般海況及平面粗糙度，使用頻率分集技術(shù)，對(duì)雷達(dá)多路徑效應(yīng)進(jìn)行了分析、仿真。通過仿真結(jié)果可知，該技術(shù)可減小多路徑效應(yīng)影響，提高雷達(dá)跟蹤精度。

【關(guān)鍵詞】平面模型；多路徑效應(yīng)；頻率分集

【Abstract】In this paper， plane model is combined with the general conditions and sea plane roughness， frequency diversity is used to analyze the radar multipath effect. The simulation results show that frequency diversity can reduce the influence of multi-path effects and improve tracking accuracy.

【Key words】Plane model； Multipath effect； Frequency diversity

雷達(dá)在跟蹤低仰角目標(biāo)時(shí)，由于地面或海面反射波的影響，產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，這時(shí)接收信號(hào)時(shí)直接信號(hào)和海面反射信號(hào)的矢量和，相當(dāng)于目標(biāo)和它的像之間發(fā)生角閃爍，會(huì)導(dǎo)致跟蹤目標(biāo)精度的降低，甚至天線出現(xiàn)距離抖動(dòng)，跟蹤失效。

低仰角跟蹤技術(shù)至今還沒有一種公認(rèn)的成熟技術(shù)，仍然是國(guó)內(nèi)外廣泛感興趣的課題。實(shí)際上低仰角跟蹤的主要困難在于目標(biāo)和影響是相關(guān)的，并且他們的相對(duì)相位只有緩慢的變化。直達(dá)波和反射波的路徑相差不大，在海面上，他們僅在俯仰角坐標(biāo)上是分開的，因此絕大部分誤差出現(xiàn)在仰角跟蹤通道中，在誤差比較嚴(yán)重時(shí)，雷達(dá)中的殘余串?dāng)_可能在方位角通道中引起一些誤差。

1 多路徑效應(yīng)原理

單脈沖雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)是利用天線的和、差方向圖函數(shù)來測(cè)量目標(biāo)方向的。用E表示目標(biāo)相對(duì)于天線瞄準(zhǔn)軸的偏轉(zhuǎn)角，設(shè)在自由空間天線和波束電壓增益為A，差波束電壓增益為B，則經(jīng)饋源、信道和接收機(jī)送給伺服系統(tǒng)的誤差控制信號(hào)為A/B，該信號(hào)將控制伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)天線差方向圖為零的方向運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。

在低仰角或負(fù)仰角條件下，天線接收的不僅有來自目標(biāo)的直射波，而且有經(jīng)地面、海面的鏡面反射波，還有經(jīng)各種途徑到達(dá)天線的漫反射波。一般情況下，地面和海面的反射波中起主要作用的仍是鏡面反射。

2 平面模型下雷達(dá)多路徑效應(yīng)相位差分析

（1）式中未計(jì)入漫反射分量和天線饋線與接收機(jī)噪聲，雖不足以準(zhǔn)確描述結(jié)果，但該式足以說明多徑反射條件下誤差控制信號(hào)的組成成分和構(gòu)成關(guān)系。由于多路徑反射存在，即使令天線瞄準(zhǔn)軸指向目標(biāo)（ε=0），接收機(jī)輸出角誤差也不為零。想要使其為零，必須將天線偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度使之與多路徑反射信號(hào)相抵消，偏轉(zhuǎn)的這個(gè)角就是多路徑效應(yīng)形成的角誤差。

分析式（1），發(fā)現(xiàn)其第三項(xiàng)取決于天線波束及其指向、反射性質(zhì)，且取決于直射波和反射波的相位差，故角誤差控制信號(hào)與φ緊密相關(guān)，也就是目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程中隨著ht和R變化，φ將連續(xù)、迅速的變化，將形成天線仰角方向的劇烈抖動(dòng)，引起天線跟蹤軸大幅度擺動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致目標(biāo)丟失。

3 粗糙表面反射系數(shù)

雷達(dá)波在被地面反射后，幅度會(huì)造成損失，相位也會(huì)出現(xiàn)變化。在總的地面發(fā)射系數(shù)中，引起這些變化的因素有三個(gè)：平坦地面的反射系數(shù)、地球曲率產(chǎn)生的發(fā)散因子、表面粗糙度。

3.1 平滑表面反射系數(shù)

4 頻率分集技術(shù)

地面反射波對(duì)跟蹤系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在俯仰支路，改善低仰角跟蹤性能常用的一種方法是分集技術(shù)，主要有頻率分集接收、不同高度天線分集接收、信號(hào)極化分集合成接收方法。這里，本文采用頻率分集接收。

低仰角測(cè)量誤差與雷達(dá)的工作波長(zhǎng)有關(guān)，可以采用多個(gè)工作點(diǎn)頻，對(duì)每個(gè)點(diǎn)頻，可以獲得一組目標(biāo)的角度誤差，通過多個(gè)點(diǎn)頻計(jì)算得到的角度值進(jìn)行平均化處理，并求其方差，以期能更接近角度真值。

上圖中，虛線為水平極化反射系數(shù)，實(shí)線表示垂直極化反射系數(shù)，且選取X波段，海水水溫為28℃，此時(shí)，ε′=65，ε″=30.7i。由上面兩圖可知：（1）掠射角很小時(shí)，水平極化的反射系數(shù)幅度等于1，角度上升時(shí)，幅度單調(diào)地下降；（2）垂直極化的幅度有一個(gè)很明顯的最小值。對(duì)應(yīng)這種條件的角稱為brewster極化角；（3）對(duì)水平極化，其相位幾乎為π，但是，對(duì)于垂直極化，在brewster角范圍內(nèi)，相位變?yōu)榱?；?）當(dāng)掠射角很小時(shí)，水平極化或垂直極化波的傳播幾乎沒有差別。

求得反射系數(shù)后，選取多個(gè)點(diǎn)頻對(duì)多路徑信號(hào)進(jìn)行分集處理，計(jì)算出仰角誤差，其結(jié)果如圖4、圖5所示：

圖4為單個(gè)點(diǎn)頻雷達(dá)的仰角誤差，圖5藍(lán)色曲線為進(jìn)行頻率分集后各點(diǎn)的仰角誤差，對(duì)比上面兩圖，可以看出，多點(diǎn)頻頻率分集處理后，雷達(dá)低仰角誤差有所減小，且頻點(diǎn)越多，其效果越好。

6 結(jié)語

多路徑效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響跟蹤系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的跟蹤精度及穩(wěn)定性。本文在介紹低空目標(biāo)多路徑效應(yīng)形成原理的基礎(chǔ)上，論述了多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)造成的一些影響，進(jìn)而使用頻率分集技術(shù)降低多路徑的影響，減小了雷達(dá)低角跟蹤時(shí)的仰角誤差，可減少因多路徑而引起的天線抖動(dòng)，從而更好的保障雷達(dá)對(duì)低空目標(biāo)的平穩(wěn)跟蹤。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]