多徑消除技術綜述及應用

樊 浩 孫國強

多徑消除技術綜述及應用

樊 浩 孫國強

本文首先簡要敘述了目前用于海面低空目標探測的幾種典型多徑消除技術。此外，文章對這幾種典型的多徑消除技術進行了總結和分析，并在此基礎上提出了一種在實際使用中抑制多徑效應的應用策略。

現代戰爭中飛機和導彈經常利用低空、超低空實施突防。1967年中東戰爭， 1982年英阿馬島戰爭，1991年海灣戰爭、1999年美國對南聯盟的攻擊，無不是以低空突襲開始的。低空突襲的有效性在于目標的飛行高度大多在500m以下的低空、超低空領域，具有飛行高度底、飛行速度快、雷達反射面積小、機動性強等特點，從而給對方的地面和海面目標構成極大的威脅。低空目標可以利用地球曲率和地形造成的遮擋，利用防空設施的盲區作掩護，使飛行器能夠快速隱蔽的深入敵區進行突襲。

本文綜述一些針對低空目標檢測、跟蹤的典型的多徑消除技術，并給出一個可能的技術應用策略。

多徑效應

雷達在探測和跟蹤海面低空目標時，由于海面的多徑反射（前向散射分量較強時），使雷達主波束接收到除目標直接反射外的多個路徑的反射分量。實際接收到的信號是多個路徑信號的矢量和，這會引起回波能量的劇烈起伏，從而產生對目標的漏探和漏跟。當目標低于波束寬度時，多路徑效應表現得尤為突出，甚至將產生目標回波閃爍和出現周期性擺動，產生仰角跟蹤的不穩定性，對目標探測和跟蹤產生嚴重的影響。

海面上雷達目標散射信號的多徑傳播涉及兩個重要問題：多徑幾何和反射系數。

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用起來比較簡便，曲面多徑幾何模型更精確。實際使用中可以將曲面多徑幾何模型的參數變換到平面多徑幾何模型上的參數。最重要的參數變換是本地高度與相對高度之間的變換，具體對應值可采用二維遞推搜索算法解相應方程組的方法獲得。

反射系數

海面低空目標的反射系數ν主要由鏡面（相干）反射系數和漫（非相干）反射系數的和構成。

鏡面反射系數νs由Fresnel反射系數ρ0、擴散因子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、以及入射界面的復介電常數有關。鏡面散射因子ρs與海況有關。 擴散因子D是考慮地球曲率影響的結果。反射線照到凸起的表面會引起擴散，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生的。漫反射系數可被表示為：

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λ的函數?？梢源笾抡J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。在考慮存在多徑傳播的情況下，多徑效應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和目標鏡像時的夾角，δ0是直射路徑與反射路徑之間的路程差。

多徑消除技術

多徑效應主要影響對雷達低空目標俯仰角的測量，根據反射信號（目標鏡像）進入雷達波束的區域定義三種誤差區域。

副瓣反射區：副瓣照射反射面，反射信號通過天線副瓣進入雷達接收機。目標角度范圍為1.5θe＜θt＜6θe（其中θe為波束俯仰向-3dB帶寬，θt為雷達對目標點俯仰角）。

主瓣反射區：雷達的主波束的一側照射地面，反射信號從主波束進入，此時稱主瓣反射范圍。目標范圍為0.3θe＜θt＜1.5θe。

水平反射區：目標信號和反射信號在俯仰方向上非常接近，同時進入天線3dB帶寬以內的高增益區，目標角度范圍為θt＜0.3θe。

低副瓣電平

利用收發波束形成技術以實現收發兩端波束的低副瓣，接收時還可以利用和差波束技術配合副瓣匿影和副瓣對消以消除從副瓣進入的目標多徑干擾。

自適應波束置零

利用數字波束形成技術實時的對目標鏡像所對應方向自適應置零處理，可以減弱反射信號的影響，配合副瓣匿影技術可較好的消除從副瓣進入的多徑干擾影響。

偏軸法

當雷達探測低仰角目標時，為防止主波束照射地面（海面），不用波束中心去照射目標，而是采用偏零測量技術，以減少干擾信號進入雷達接收機。通常在波束俯仰角θb=0.8θe以下對目標進行偏軸跟蹤。偏軸法的問題是不能可信的應用于θt≈0.15θe以下。此外在傳統偏軸跟蹤的基礎上利用海情、目標距離、正交分量誤差變化等參數自適應偏軸跟蹤，可以達到用普通單脈沖雷達精確地跟蹤超低空飛行的目的。

對稱波束法

利用雷達天線和差波束方向圖的對稱性控制天線波束照射方向，使其與目標的夾角等于與目標鏡像的夾角，可減弱多路經反射的影響。對稱波束法應用的前提是目標與其鏡像同處于雷達照射波束內，然而當θt＜0.15θe時其測角誤差變得難以確定。

復角技術

雷達接收到的目標和鏡像的和差信號的比是一個復數，可測得該復數的實部和虛部，計算得到多徑影響時的低空目標俯仰角度。實際使用時，可以事先計算出復角曲線 。

已有的AN/FPS-16單脈沖跟蹤雷達以及9LVMK3火控跟蹤雷達的試驗結果表明復角的方法具有精度高的潛在優勢，能適用于某些特定場合。計算結果表明該技術適用于雷達高度與天線口徑比較小，發射頻率較低的雷達。

偏差補償技術

雷達跟蹤遠距離低空目標時，實單脈沖比所對應的角度和目標真實仰角在大部分時間里相差一個近似固定的值，這個值可以在閉環跟蹤過程中預先估計出來，并對得到的單脈沖比進行修正。偏差補償技術的優點是系統改變小，工作穩定，缺點是不適用于近距離目標和高度變化較快目標。

多目標估計

由于單脈沖測角的計算簡單，最近提出一些類似的但基于3維波束空間的多目標估計技術。目前該技術的發展趨勢是結合頻率分集技術和多徑幾何分析，以避免多徑衰落時測角性能的下降。使用該技術可以將相距大約半個半功率波束寬度的目標區分開。

總結

目前大多數低空目標跟蹤技術只能解決副瓣、主瓣反射區附近的誤差，這種誤差多為隨機的，只要能保證穩定跟蹤，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果。理論上，純粹的單頻微波單脈沖雷達測角體制不可能徹底解決地平線反射區附近的誤差，該誤差不是隨機的不能通過平滑濾波加以去除。

解決地平線反射區的誤差主要有四種：一是足夠頻帶寬度的頻率分集；二是高分辨技術；三是多陣元或多波束技術；四是利用閉環跟蹤的有效信息。從目前國際上的發展趨勢上看，前面三種使用的最多，例如許多近程火控系統都采用頻率分集技術，TRAKX雷達利用毫米波來產生窄的波束屬于第二種，LAT及其對FPS-16的改進可以屬于第三種。第四種是近年來發展的一種新技術，其特點是把測量和濾波跟蹤更緊密結合起來，不僅測量為濾波跟蹤提供數據，而且濾波跟蹤為測量提供參數估計，進而選擇跟蹤策略。

為了能消除在副瓣區、主瓣區和地平線區的多徑誤差穩定的跟蹤目標，雷達裝備需要具備多種多徑消除技術，在不同的反射區根據具體情況應用相應的技術。通過上面分析，下面給出一個可能的技術應用策略。

低空目標從遠處飛來，首先進入地平線反射區，此時采用足夠寬頻帶的頻率分集技術并配合使用固定偏差補償的方法或復角法（低站址、低頻雷達）。隨著目標飛行進入主瓣反射區，采用頻率分集技術并配合使用偏軸法或對稱波束法（適用于光滑或中等反射面）。當目標進入副瓣反射區時，利用低副瓣和差波束技術或自適應置零技術再配合副瓣匿影以消除從副瓣區進入的多徑干擾。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.001