影響地面雷達測高精度的因素

孔凡泉+胡丙華

摘 要： 針對某型三坐標地面雷達，對影響地面雷達測高精度的主要因素進行了分析。基于陣地地形、電磁環境、雜波環境、大氣環境和人為導致的系統異常等因素，分析了地面雷達測高誤差產生的原因，評估了多種因素對測高精度的影響程度，提出了在實際應用中規避影響因素以改善地面雷達測高精度的建議。

關鍵詞： 地面雷達； 測高精度； 測高誤差； 波導

中圖分類號： TN953+.2?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）07?0035?03

Influence factors of height measurement precision of ground?based radar

KONG Fan?quan， HU Bing?hua

（East China Research Institute of Electronic Engineering， Hefei 230031， China）

Abstract：According to one three?dimensional ground?based radar， the mainly factors influencing height measurement precision of ground?based radar are analyzed. Based on the factors such as position terrain， electromagnetic environment， clutter environment， atmospheric environment and man?made system exceptions， the causes result in height measurement error of ground?based radar are analyzed. The influence degree of different factors on height measurement precision is evaluated， and some advices on how to evade these influences to improve height measurement precision of ground?based radar in fact are proposed.

Keywords： ground?based radar； height measurement precision； height measurement error； waveguide

0 引 言

在現代戰爭中，利用雷達獲取目標的距離、方位、高度位置信息，為戰場指揮員提供更實時、準確、全天候的戰場活動目標態勢，是取得軍事主動權的主要手段。20世紀80年代以后，各國相繼推出了很多采用不同體制、不同技術的三坐標地面雷達。

然而，由于多方面因素的影響，一些三坐標地面雷達暴露出了高度測量“不準、不穩”的現象，雷達測量高度置信度較低，這嚴重影響了擔負戰備值班及作戰使用。

相對于距離和方位而言，高度測量精度對于雷達系統的穩定度要求更苛刻，對陣地周邊自然環境和電磁環境要求等更嚴格，對雷達使用維護人員的基本素質要求更高，對雷達廠所和使用部隊的綜合保障水平要求更高。

本文主要以某型三坐標地面雷達為例，結合實際情況分析了影響地面雷達測高精度的一些主要因素。

1 測高精度

雷達目標高度是通過目標距離和仰角計算得到的，即：

[Ht=Ha+Rtsinθe+R2t（2Re）]

式中：[Ht]是目標高度； [Ha]是雷達天線中心的高度，[θe]是指向目標的仰角；[Re]是考慮大氣折射效應后的等效地球半徑。

由上式可導出測高誤差均方值[σ2H]為：

[σ2H=R2tcos2θeσ2θe+（sinθe+RtRe）2σ2Rt+σ2Ha]

三坐標地面雷達在設計時，其高度誤差主要參照上述方法將各影響因子下的誤差分項求和所得，是統計意義上的均方根誤差。

在實際使用過程中，影響測高精度的因素要多得多，而且在特定環境下，上述影響因素的邊界條件會發生變化，使得雷達實際測高過程中往往會出現“不準、不穩”的現象。

2 影響測高精度的因素分析

某型三坐標地面雷達采用接收數字波束形成及多波束比幅測高的方法進行測高。通過實際使用和數據分析，將影響測高精度的因素分為客觀因素和主觀因素兩大類。

2.1 客觀因素

2.1.1 陣地地形環境

雷達陣地周圍的遮蔽角過大會導致比幅測高的低波束被遮擋，嚴重影響目標高度的測量。

為量化地形遮蔽對雷達測高精度的影響，以某型雷達為例，設其仰角波束寬度為3°，第1，2，3波束指向分別為0.7°，1.3°，1.9°。

當目標出現在第1，2，3三個波束時，采用三波束比幅測角，目標飛行路線以固定仰角1°向站飛行，圖1對比了第1，2，3波束正常觀測和1波束被遮擋情況下雷達高度測量誤差隨距離的變化關系。

圖1 三波束比幅測角低波束被遮擋時測高誤差

雷達陣地周圍多徑效應會造成波束畸變，對測高精度影響也很大。這里不再詳細介紹。

2.1.2 陣地雜波環境

強地雜波、海雜波和強氣象雜波環境中進行目標檢測時，受雷達系統雜波改善因子限制，會出現雜波剩余虛警點跡，當目標穿越雜波區且信噪比出現起伏時，可能會出現誤關聯、誤跟蹤的現象，如圖2所示。

地基雷達在目標檢測時，始終需要對強雜波進行抑制，包括近區強地雜波和中、遠區氣象雜波等。從統計數據分析來看，絕大多數目標高度異變情況發生在雜波區。

信號處理系統在對雜波（尤其是強地雜波和云雨雜波）進行處理時，受系統改善因子限制，會剩余一定數量的雜波虛警點。這些虛警會充斥仰角面的各個波束，一般地雜波會集中于低波束，而氣象雜波則根據距離遠近可能出現在多個波束。

點跡凝聚時同樣不能將雜波虛警完全濾除，經過比幅計算后，將雜波的位置及仰角等信息也傳至航跡處理系統。

目標穿越雜波密集區時，由于本身RCS起伏和雜波+噪聲疊加帶來的信/雜噪比惡化導致雜波區檢測時更加容易丟點，此時航跡跟蹤時易出現關聯到雜波虛警點的情況，因為有些雜波點的位置和屬性特征也會滿足相關跟蹤準則。

在弱小目標檢測、強雜波區檢測或目標RCS出現大幅度起伏時，存在只有一個波束有輸出的情況，此時點跡處理測量的目標仰角為波束中心指向，必然出現高度異變，導致測高精度的惡化。

圖2 目標穿越雜波區示意圖

2.1.3 陣地電磁環境

陣地周邊的軍/民用電子設備、敵方施放的有源噪聲壓制式干擾會改變雷達檢測環境，由信噪比環境演變為信噪+干比環境，雷達探測能力和測量精度會出現嚴重惡化。

對雷達的影響主要體現在抬高雷達檢測的噪聲基底，使得雷達測量精度急劇下降。對基于DBF體制的三坐標雷達，還會干擾雷達接收通道校正，致使接收波束指向紊亂，從而影響高度測量精度。

2.1.4 陣地大氣環境

強風和大氣波導等極端氣候環境也會影響雷達測高精度。強風會導致雷達天線產生較大形變，影響雷達收發波束指向；大氣波導主要包括表面波導、蒸發波導和抬升波導等，一般較強的波導出現在海面上空，大氣波導突破常規標準大氣折射模型，使得常規補償模型失效，測高精度嚴重失效。這里僅介紹大氣波導效應對雷達測高精度的影響。

在海洋環境中，波導幾乎能夠發生在任何時間、任何海域中。雷達在探測海上目標時不能忽略大氣波導的影響。三坐標地面雷達的測高性能評估是在標準大氣模型下進行的，未充分考慮雷達電波受大氣波導的影響。

當處于表面波導條件時（波導高304 m，陷獲層波導強度為-264.2 /km），由于表面波導的存在射線彎曲很明顯，因此造成雷達測高異常，目標距離雷達越遠，高度誤差越大；表面波導越強，高度誤差越大。

當雷達仰角為0.1°，目標距離為100 km時，高度測量誤差達到700 m，說明此種天氣條件下對雷達測量目標高度將造成很大影響。

2.2 主觀因素

這里主要指由于人為檢查不及時或操作錯誤而引起的雷達系統工作狀態異常，進而導致雷達測高精度下降。如接收通道失效或性能惡化、天線俯仰及調平系統等引起的波束指向偏差等。這些異常現象，很可能沒有被雷達操縱員及時發現。

2.2.1 檢查維護不及時

雷達收發通道的一致性（均衡性）、天線平臺調平狀態等項目需要定期檢查。

雖然雷達有BITE監視工作狀態，但其覆蓋率不能完全達到100%，當器件性能出現一定程度的降低時，可能無法報出故障狀態，但此時已經影響到測高的性能，如圖3所示。此時需要維修人員定期檢查和修復。

圖3 通道一致性異常時雷達測高情況

雷達機動架設時經常會出現地基沉降的現象，導致平臺水平度偏差；雷達在雷達站長期固定站使用時，由于天線轉動時各撐腿受力并不均勻，電動或液壓撐腿可能會出現一定程度的位移。上述現象對測高精度均會產生較大影響，需要定期進行檢查和調整。

當控制天線俯仰出現偏移時，天線中心法線指向會出現固定誤差，這種誤差對于測高精度的影響具有全方位一致性，即高度誤差出現整體隨距離爬升/下降態勢。圖4為雷達展開未到位時（設目標從100 km處由北向南向站穿頂空飛行，穿越雷達頂空后徑直飛行至100 km處）目標測高誤差隨距離變化情況。

圖4 天線俯仰異常時高度誤差情況

同樣，當雷達調平系統出現問題時，也會影響收發波束指向。與上一種情況不同的是，平臺不平時，雷達測高誤差全方位并不一致，且呈現出雷達在一邊探測時，高度誤差整體隨距離爬升/下降，而在另一邊探測時，高度誤差整體隨距離下降/爬升。如圖5所示。

圖5 天線調平異常時高度誤差情況

2.2.2 操作設置錯誤

其他，如人為修改站高、波束指向角，人工跟蹤時的錯誤關聯等會導致測高精度出現較大偏差。

3 結 語

影響三坐標地面雷達測高精度的因素極為復雜。通過分析可以得出，要保證雷達測高精度，首先應從陣地選擇入手，盡量規避一些因素；同時要避免人為操作失誤或檢查不及時等因素，確保雷達系統處于正常工作狀態。正確估計并規避各種因素，方可有效保證或改善地面雷達測高精度。

參考文獻

[1] 酈能敬.對空情報雷達的測量精度分析[J].雷達科學與技術，2005（1）：1?10.

[2] 王大勇，趙朝鋒，彭建怡，等.微波測距儀測距精度誤差因素的影響分析[J].電子測量技術，2010，33（4）：42?44.

[3] 崔亞奇，宋強，何友.系統偏差情況下的目標跟蹤技術[J].儀器儀表學報，2010，31（8）：1848?1854.

[4] 劉波，劉寶泉，陳春暉.機載預警雷達測高精度分析[J].雷達科學與技術，2012（4）：134?137.

[5] 靳升，孫永維，陳昊.基于SA?BFSN算法的多模地面雷達信號預分選方法[J].現代電子技術，2012，35（13）：1?3.

[6] 耿東華，馬丁，孫衛杰.地面雷達數據處理系統設計[J].現代電子技術，2011，34（13）：21?23.

地基雷達在目標檢測時，始終需要對強雜波進行抑制，包括近區強地雜波和中、遠區氣象雜波等。從統計數據分析來看，絕大多數目標高度異變情況發生在雜波區。

信號處理系統在對雜波（尤其是強地雜波和云雨雜波）進行處理時，受系統改善因子限制，會剩余一定數量的雜波虛警點。這些虛警會充斥仰角面的各個波束，一般地雜波會集中于低波束，而氣象雜波則根據距離遠近可能出現在多個波束。

點跡凝聚時同樣不能將雜波虛警完全濾除，經過比幅計算后，將雜波的位置及仰角等信息也傳至航跡處理系統。

目標穿越雜波密集區時，由于本身RCS起伏和雜波+噪聲疊加帶來的信/雜噪比惡化導致雜波區檢測時更加容易丟點，此時航跡跟蹤時易出現關聯到雜波虛警點的情況，因為有些雜波點的位置和屬性特征也會滿足相關跟蹤準則。

在弱小目標檢測、強雜波區檢測或目標RCS出現大幅度起伏時，存在只有一個波束有輸出的情況，此時點跡處理測量的目標仰角為波束中心指向，必然出現高度異變，導致測高精度的惡化。

圖2 目標穿越雜波區示意圖

2.1.3 陣地電磁環境

陣地周邊的軍/民用電子設備、敵方施放的有源噪聲壓制式干擾會改變雷達檢測環境，由信噪比環境演變為信噪+干比環境，雷達探測能力和測量精度會出現嚴重惡化。

對雷達的影響主要體現在抬高雷達檢測的噪聲基底，使得雷達測量精度急劇下降。對基于DBF體制的三坐標雷達，還會干擾雷達接收通道校正，致使接收波束指向紊亂，從而影響高度測量精度。

2.1.4 陣地大氣環境

強風和大氣波導等極端氣候環境也會影響雷達測高精度。強風會導致雷達天線產生較大形變，影響雷達收發波束指向；大氣波導主要包括表面波導、蒸發波導和抬升波導等，一般較強的波導出現在海面上空，大氣波導突破常規標準大氣折射模型，使得常規補償模型失效，測高精度嚴重失效。這里僅介紹大氣波導效應對雷達測高精度的影響。

在海洋環境中，波導幾乎能夠發生在任何時間、任何海域中。雷達在探測海上目標時不能忽略大氣波導的影響。三坐標地面雷達的測高性能評估是在標準大氣模型下進行的，未充分考慮雷達電波受大氣波導的影響。

當處于表面波導條件時（波導高304 m，陷獲層波導強度為-264.2 /km），由于表面波導的存在射線彎曲很明顯，因此造成雷達測高異常，目標距離雷達越遠，高度誤差越大；表面波導越強，高度誤差越大。

當雷達仰角為0.1°，目標距離為100 km時，高度測量誤差達到700 m，說明此種天氣條件下對雷達測量目標高度將造成很大影響。

2.2 主觀因素

這里主要指由于人為檢查不及時或操作錯誤而引起的雷達系統工作狀態異常，進而導致雷達測高精度下降。如接收通道失效或性能惡化、天線俯仰及調平系統等引起的波束指向偏差等。這些異常現象，很可能沒有被雷達操縱員及時發現。

2.2.1 檢查維護不及時

雷達收發通道的一致性（均衡性）、天線平臺調平狀態等項目需要定期檢查。

雖然雷達有BITE監視工作狀態，但其覆蓋率不能完全達到100%，當器件性能出現一定程度的降低時，可能無法報出故障狀態，但此時已經影響到測高的性能，如圖3所示。此時需要維修人員定期檢查和修復。

圖3 通道一致性異常時雷達測高情況

雷達機動架設時經常會出現地基沉降的現象，導致平臺水平度偏差；雷達在雷達站長期固定站使用時，由于天線轉動時各撐腿受力并不均勻，電動或液壓撐腿可能會出現一定程度的位移。上述現象對測高精度均會產生較大影響，需要定期進行檢查和調整。

當控制天線俯仰出現偏移時，天線中心法線指向會出現固定誤差，這種誤差對于測高精度的影響具有全方位一致性，即高度誤差出現整體隨距離爬升/下降態勢。圖4為雷達展開未到位時（設目標從100 km處由北向南向站穿頂空飛行，穿越雷達頂空后徑直飛行至100 km處）目標測高誤差隨距離變化情況。

圖4 天線俯仰異常時高度誤差情況

同樣，當雷達調平系統出現問題時，也會影響收發波束指向。與上一種情況不同的是，平臺不平時，雷達測高誤差全方位并不一致，且呈現出雷達在一邊探測時，高度誤差整體隨距離爬升/下降，而在另一邊探測時，高度誤差整體隨距離下降/爬升。如圖5所示。

圖5 天線調平異常時高度誤差情況

2.2.2 操作設置錯誤

其他，如人為修改站高、波束指向角，人工跟蹤時的錯誤關聯等會導致測高精度出現較大偏差。

3 結 語

影響三坐標地面雷達測高精度的因素極為復雜。通過分析可以得出，要保證雷達測高精度，首先應從陣地選擇入手，盡量規避一些因素；同時要避免人為操作失誤或檢查不及時等因素，確保雷達系統處于正常工作狀態。正確估計并規避各種因素，方可有效保證或改善地面雷達測高精度。

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[6] 耿東華，馬丁，孫衛杰.地面雷達數據處理系統設計[J].現代電子技術，2011，34（13）：21?23.

地基雷達在目標檢測時，始終需要對強雜波進行抑制，包括近區強地雜波和中、遠區氣象雜波等。從統計數據分析來看，絕大多數目標高度異變情況發生在雜波區。

信號處理系統在對雜波（尤其是強地雜波和云雨雜波）進行處理時，受系統改善因子限制，會剩余一定數量的雜波虛警點。這些虛警會充斥仰角面的各個波束，一般地雜波會集中于低波束，而氣象雜波則根據距離遠近可能出現在多個波束。

點跡凝聚時同樣不能將雜波虛警完全濾除，經過比幅計算后，將雜波的位置及仰角等信息也傳至航跡處理系統。

目標穿越雜波密集區時，由于本身RCS起伏和雜波+噪聲疊加帶來的信/雜噪比惡化導致雜波區檢測時更加容易丟點，此時航跡跟蹤時易出現關聯到雜波虛警點的情況，因為有些雜波點的位置和屬性特征也會滿足相關跟蹤準則。

在弱小目標檢測、強雜波區檢測或目標RCS出現大幅度起伏時，存在只有一個波束有輸出的情況，此時點跡處理測量的目標仰角為波束中心指向，必然出現高度異變，導致測高精度的惡化。

圖2 目標穿越雜波區示意圖

2.1.3 陣地電磁環境

陣地周邊的軍/民用電子設備、敵方施放的有源噪聲壓制式干擾會改變雷達檢測環境，由信噪比環境演變為信噪+干比環境，雷達探測能力和測量精度會出現嚴重惡化。

對雷達的影響主要體現在抬高雷達檢測的噪聲基底，使得雷達測量精度急劇下降。對基于DBF體制的三坐標雷達，還會干擾雷達接收通道校正，致使接收波束指向紊亂，從而影響高度測量精度。

2.1.4 陣地大氣環境

強風和大氣波導等極端氣候環境也會影響雷達測高精度。強風會導致雷達天線產生較大形變，影響雷達收發波束指向；大氣波導主要包括表面波導、蒸發波導和抬升波導等，一般較強的波導出現在海面上空，大氣波導突破常規標準大氣折射模型，使得常規補償模型失效，測高精度嚴重失效。這里僅介紹大氣波導效應對雷達測高精度的影響。

在海洋環境中，波導幾乎能夠發生在任何時間、任何海域中。雷達在探測海上目標時不能忽略大氣波導的影響。三坐標地面雷達的測高性能評估是在標準大氣模型下進行的，未充分考慮雷達電波受大氣波導的影響。

當處于表面波導條件時（波導高304 m，陷獲層波導強度為-264.2 /km），由于表面波導的存在射線彎曲很明顯，因此造成雷達測高異常，目標距離雷達越遠，高度誤差越大；表面波導越強，高度誤差越大。

當雷達仰角為0.1°，目標距離為100 km時，高度測量誤差達到700 m，說明此種天氣條件下對雷達測量目標高度將造成很大影響。

2.2 主觀因素

這里主要指由于人為檢查不及時或操作錯誤而引起的雷達系統工作狀態異常，進而導致雷達測高精度下降。如接收通道失效或性能惡化、天線俯仰及調平系統等引起的波束指向偏差等。這些異常現象，很可能沒有被雷達操縱員及時發現。

2.2.1 檢查維護不及時

雷達收發通道的一致性（均衡性）、天線平臺調平狀態等項目需要定期檢查。

雖然雷達有BITE監視工作狀態，但其覆蓋率不能完全達到100%，當器件性能出現一定程度的降低時，可能無法報出故障狀態，但此時已經影響到測高的性能，如圖3所示。此時需要維修人員定期檢查和修復。

圖3 通道一致性異常時雷達測高情況

雷達機動架設時經常會出現地基沉降的現象，導致平臺水平度偏差；雷達在雷達站長期固定站使用時，由于天線轉動時各撐腿受力并不均勻，電動或液壓撐腿可能會出現一定程度的位移。上述現象對測高精度均會產生較大影響，需要定期進行檢查和調整。

當控制天線俯仰出現偏移時，天線中心法線指向會出現固定誤差，這種誤差對于測高精度的影響具有全方位一致性，即高度誤差出現整體隨距離爬升/下降態勢。圖4為雷達展開未到位時（設目標從100 km處由北向南向站穿頂空飛行，穿越雷達頂空后徑直飛行至100 km處）目標測高誤差隨距離變化情況。

圖4 天線俯仰異常時高度誤差情況

同樣，當雷達調平系統出現問題時，也會影響收發波束指向。與上一種情況不同的是，平臺不平時，雷達測高誤差全方位并不一致，且呈現出雷達在一邊探測時，高度誤差整體隨距離爬升/下降，而在另一邊探測時，高度誤差整體隨距離下降/爬升。如圖5所示。

圖5 天線調平異常時高度誤差情況

2.2.2 操作設置錯誤

其他，如人為修改站高、波束指向角，人工跟蹤時的錯誤關聯等會導致測高精度出現較大偏差。

3 結 語

影響三坐標地面雷達測高精度的因素極為復雜。通過分析可以得出，要保證雷達測高精度，首先應從陣地選擇入手，盡量規避一些因素；同時要避免人為操作失誤或檢查不及時等因素，確保雷達系統處于正常工作狀態。正確估計并規避各種因素，方可有效保證或改善地面雷達測高精度。

參考文獻

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[2] 王大勇，趙朝鋒，彭建怡，等.微波測距儀測距精度誤差因素的影響分析[J].電子測量技術，2010，33（4）：42?44.

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[5] 靳升，孫永維，陳昊.基于SA?BFSN算法的多模地面雷達信號預分選方法[J].現代電子技術，2012，35（13）：1?3.

[6] 耿東華，馬丁，孫衛杰.地面雷達數據處理系統設計[J].現代電子技術，2011，34（13）：21?23.