多路徑反射對艦載偵察設備偵收信號的影響

王 澍,邵文建

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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多路徑反射對艦載偵察設備偵收信號的影響

王 澍,邵文建

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

結合偵察設備的研制試驗，分析了海上多路徑反射效應對偵察設備偵收信號的影響。結果表明不同類型的多路徑反射效應的影響是不同的，有時會導致信號幅度的變化，有時會使脈沖波形產生畸變，有時會導致信號增批。

偵察設備；多路徑效應；反射效應

0 引 言

從事艦載偵察設備(ESM)的設計師們往往會觀察到這樣一個現象，在同一海域接收同一部雷達信號時，其信號幅度會隨著時間有明顯的變化，更有甚者，目標雷達明明在視距范圍內，雷達發(fā)射的信號功率也較強，但有時卻很難收到它的信號，以至于讓人懷疑偵察設備工作是否正常。若用示波器檢查接收到的視頻信號波形，也可證實信號幅度的變化，有時脈沖波形還會出現明顯的失真。要解釋這一現象，人們自然會和多路徑效應[1]聯系起來，但是多路徑效應究竟是如何影響的，產生這種現象的條件是什么，還有必要進行細致分析。

本文分析了海上多路徑反射的幾種情況，試圖定量地解釋上述現象。分析表明，海上多路徑反射大體上可以分為2種情況：一種情況是不同路徑之間的路程相差較短，其程差在幾十厘米至十幾米量級，路徑之間的時延遠小于脈沖寬度，在這種情況下，主要的影響是信號干涉導致幅度的變化和脈沖波形的畸變;另一種情況是，不同路徑之間的路程相差很長，其程差在數百米至數千米量級，路徑之間的時延大于脈沖寬度，在這種情況下，主要的影響是導致信號增批。

1 信號干涉導致幅度變化和脈沖波形畸變分析

本文只分析視距內信號傳輸的多路徑效應，由于電磁波直線傳播和地球曲率的影響，對海面上的目標來說，通視距離為：

(1)

式中：d為電磁波傳播的直線距離(km)；hT和hR分別為雷達發(fā)射天線和偵察設備接收天線距離海平面的高度(m)；考慮到大氣的正常折射，系數3.57應改為4.1[2]。

假定雷達天線架設高度25 m、偵察天線架設高度25 m，由式(1)可以看出，一般的視距范圍在40 km左右。圖1給出了視距范圍內的信號多路徑傳播示意圖，園弧表示地球表面，A點為雷達發(fā)射天線位置，B點為偵察設備的接收天線位置。由圖1可以看出，信號從A點傳輸到B點，存在2條路徑：直達路徑AB和海面反射路徑AOB，O點為等效反射中心。

圖1 視距范圍內的信號多路徑傳播示意圖

從A點和B點分別作地球大圓的切線，切點分別為D和C，只要C、D之間的范圍超過菲涅耳區(qū)[1]，且雷達天線和偵察接收天線的仰角波束都覆蓋了該范圍的海面，則可按照正常的反射信號考慮。

通常，通視距離d?hT和hR，故電波投射到水面的仰角很小，在計算接收點場強時可忽略直射波和反射波電磁場方向的差異，接收到的信號場強可表示為直達波和反射波間的疊加，其幅度為：

(2)

式中:|R|為等效反射系數的幅度；φ為等效反射系數的相位；β=2π/λ為自由空間的相移常數，λ為自由空間波長;Δr為波程差，根據簡單的幾何關系得到：

(3)

前人的試驗研究表明[1,3]，對于水平極化波，在入射波仰角比較小的情況下，海面的反射系數幅度接近于1，相位為180°；對于垂直極化波， 其反射系數較小，且隨著仰角而變化，相位小于180°。相比之下，陸上的反射系數影響更小一些。

d?hT、hR時，波程差Δr很小，如果波程差只有幾十厘米量級，時間差則只有ns量級，此時主要考慮多路徑反射信號的干涉效應，而對波形畸變的影響不明顯。根據偵察方程，考慮到多路徑反射信號的干涉效應，偵察天線接收的信號功率為：

(4)

式中：Pt為被測雷達的發(fā)射功率；Gt為被測雷達的天線增益；Gr為偵察設備的天線增益；λ為信號波長；d為雷達天線與偵察天線之間的距離。

對式(4)兩邊取對數以后得到：

Pr=10lg(PtGtGr)-32.5-20lgf-20lgd- 10lg[1+|R|2+2|R|cos(βΔr+φ)]2

(5)

為了直觀地看出反射信號的干涉效應，圖2給出不同條件下偵察天線接收信號的功率隨距離變化的模擬結果。計算條件假設為:雷達天線和偵察天線的架設高度均為25 m，工作頻率10 GHz，距離d在10～35 km之間變化，式(5)中的10lg(PtGtGr)按照90 dBm計算。海面的等效反射系數分別為0.6(圖中實線)和0.2(圖中點畫線)，反射系數相位均按180°考慮；圖中虛線為不考慮反射時接收信號的幅度?？梢钥闯?，由于干涉效應，接收信號的幅度并非完全隨著距離的增加而越來越小，而是存在明顯的波動，波動的振幅和等效反射系數有關，若等效反射系數較大，波動的振幅可達十多分貝。

圖2 不同條件下接收信號功率隨距離變化的模擬結果

當反射信號和直達波信號的程差Δr超過10 m量級時，其時間上會產生超過幾十ns的延遲，干涉的結果就會使脈沖信號波形產生明顯的畸變。為了便于分析，假定雷達波信號為普通的矩形脈沖：

e0(t)=A0(t)cos(?0t)=rect(τ,t)cos(?0t)

(6)

反射波信號為：

(7)

直達波信號和反射信號疊加以后得到：

(8)

假設等效反射系數為0.6，信號的脈沖寬度為1 μs，反射信號和直達波信號的路程差Δr=15 m，相位差180°，模擬結果表明疊加后得到的脈沖波形如圖3所示。由圖3可以看出脈沖波形有明顯的畸變，且脈沖寬度略有增加。

圖3 疊加后得到的脈沖波形圖

2 多路徑反射信號增批分析

如果不同路徑之間的路程相差很長，路徑之間的時延大于脈沖寬度，反射波信號與直達波信號之間不會重疊而形成干涉，主要的影響是造成信號增批。首先分析波束內反射體反射的影響，圖4為設想的多路徑反射場景，偵察天線安裝在艦船A上，反射體為一艘相鄰的艦船B，二者都在雷達的同一波束內，距離為L(雷達、偵察天線和反射體三者基本在一直線內)，當雷達波束照射到偵察天線的同時，也會照射到反射體B。

圖4 波束內反射體的反射場景示意圖

按照圖4的場景，假定二者距離L為1 km，偵察天線接收到的信號模擬結果如圖5所示。雷達的直射波首先被偵察天線接收到，從反射體B反射的雷達波經過一定的延遲，又會照射到偵察天線上，這樣偵察天線就接收到2個信號，前面一個幅度較大的是雷達的直射信號，后面一個是相鄰艦船的反射信號(不考慮多次反射)，這種現象可稱為伴隨脈沖增批。由于偵察天線通常采用全方位接收方式，因此接收機中出現的2個信號的頻率和脈沖寬度都相同，但方位和幅度不同?？紤]到反射信號的幅度與反射體的等效散射截面及距離等多種因素有關，因此對于反射信號的幅度只作定性的模擬。

圖5 波束內反射體反射增批的模擬效果圖

另一種常見的反射現象是波束外反射體的反射，圖6為典型的反射場景。

圖6 波束外障礙物的反射場景示意圖

反射體和偵察天線的載體艦船不在雷達的同一波束內，雷達波束的主瓣照射到偵察天線時，不會照射到反射體，不會出現圖5所示的伴隨脈沖增批。由于雷達天線波束是在海面上旋轉搜索，當雷達波束轉到反射體方向時，卻照射不到偵察天線，通過反射體反射的信號才會照射到偵察天線，這樣偵察天線接收到的信號波形如圖7所示。

圖7 波束外障礙物反射增批的模擬效果圖

圖7中，前一個包絡為直射信號，后一個包絡為反射信號，二者頻率和脈沖寬度都相同，但方位和幅度不同。它們之間的時間間隔取決于雷達波束旋轉所需要的時間。若用圖7中的虛線表示接收機靈敏度門限電平，則可看出，當直射信號較強時，接收機可以偵收雷達的主瓣和旁瓣，而反射信號通常較弱一些，其旁瓣的反射信號可能在靈敏度門限電平之下。顯然，適當降低偵察接收機靈敏度可以減小反射增批的影響。

以上模擬分析結果表明，只要不同路徑間的時延大于脈沖寬度，不論是波束內的反射信號和波束外的反射信號，都可能造成增批現象。試驗也表明，艦船航行時，相鄰船只或附近島嶼的反射都可能造成反射增批，接收機靈敏度越高，增批現象越重。增批現象還和海況有關，在較平靜的海面上一般增批較少，如果附近有多條船只，則增批明顯，特別是在港口停泊時，各種港口建筑、船舶和山丘的反射信號都可能會造成較嚴重增批。

3 結束語

本文雖然只是分析了幾種簡單的模型，但模擬的結果和海上試驗觀察的現象是吻合的。本文分析有助于解釋一些現象，同時可供采取減少增批措施的參考。

本文沒有涉及偵察天線的載體艦船本身反射的影響。通常情況下，偵察天線的安裝位置在設計時都已經做了充分考慮，以盡可能減少對載體艦船的影響。

[1] 肖景民，王元坤.電波傳播工程計算[M].西安：西安電子科技大學出版社，1989.

[2] 趙國慶.雷達對抗原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2005.

[3] 熊皓.無線電波傳播[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

Influence of Multi-path Reflection on Receiving Signals of Shipborne Reconnaissance Equipments

WANG Shu,SHAO Wen-jian

(The 723 institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Combining with the development and test of reconnaissance equipment,this paper analyzes the influence of multi-path reflection effect on receiving signals of reconnaissance equipments on the sea.The results indicate that the influence of different type of multi-path reflection effect is different,and the influence sometimes will result in the change of signal amplitude,distortion of make the pulse waveform or generation of false signals.

reconnaissance equipment;multi-path effect;reflection effect

2015-11-26

TN971.1

A

CN32-1413(2016)05-0028-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.006