基于平面模型的雷達多路徑效應分析

白俊龍

【摘 要】本文在平面模型下，結合一般海況及平面粗糙度，使用頻率分集技術，對雷達多路徑效應進行了分析、仿真。通過仿真結果可知，該技術可減小多路徑效應影響，提高雷達跟蹤精度。

【關鍵詞】平面模型；多路徑效應；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

雷達在跟蹤低仰角目標時，由于地面或海面反射波的影響，產生多路徑效應，這時接收信號時直接信號和海面反射信號的矢量和，相當于目標和它的像之間發生角閃爍，會導致跟蹤目標精度的降低，甚至天線出現距離抖動，跟蹤失效。

低仰角跟蹤技術至今還沒有一種公認的成熟技術，仍然是國內外廣泛感興趣的課題。實際上低仰角跟蹤的主要困難在于目標和影響是相關的，并且他們的相對相位只有緩慢的變化。直達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上是分開的，因此絕大部分誤差出現在仰角跟蹤通道中，在誤差比較嚴重時，雷達中的殘余串擾可能在方位角通道中引起一些誤差。

1 多路徑效應原理

單脈沖雷達跟蹤系統是利用天線的和、差方向圖函數來測量目標方向的。用E表示目標相對于天線瞄準軸的偏轉角，設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，則經饋源、信道和接收機送給伺服系統的誤差控制信號為A/B，該信號將控制伺服系統驅動天線差方向圖為零的方向運動而實現對目標的跟蹤。

在低仰角或負仰角條件下，天線接收的不僅有來自目標的直射波，而且有經地面、海面的鏡面反射波，還有經各種途徑到達天線的漫反射波。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 平面模型下雷達多路徑效應相位差分析

（1）式中未計入漫反射分量和天線饋線與接收機噪聲，雖不足以準確描述結果，但該式足以說明多徑反射條件下誤差控制信號的組成成分和構成關系。由于多路徑反射存在，即使令天線瞄準軸指向目標（ε=0），接收機輸出角誤差也不為零。想要使其為零，必須將天線偏轉一個角度使之與多路徑反射信號相抵消，偏轉的這個角就是多路徑效應形成的角誤差。

分析式（1），發現其第三項取決于天線波束及其指向、反射性質，且取決于直射波和反射波的相位差，故角誤差控制信號與φ緊密相關，也就是目標運動過程中隨著ht和R變化，φ將連續、迅速的變化，將形成天線仰角方向的劇烈抖動，引起天線跟蹤軸大幅度擺動，嚴重時導致目標丟失。

3 粗糙表面反射系數

雷達波在被地面反射后，幅度會造成損失，相位也會出現變化。在總的地面發射系數中，引起這些變化的因素有三個：平坦地面的反射系數、地球曲率產生的發散因子、表面粗糙度。

3.1 平滑表面反射系數

4 頻率分集技術

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

低仰角測量誤差與雷達的工作波長有關，可以采用多個工作點頻，對每個點頻，可以獲得一組目標的角度誤差，通過多個點頻計算得到的角度值進行平均化處理，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，實線表示垂直極化反射系數，且選取X波段，海水水溫為28℃，此時，ε′=65，ε″=30.7i。由上面兩圖可知：（1）掠射角很小時，水平極化的反射系數幅度等于1，角度上升時，幅度單調地下降；（2）垂直極化的幅度有一個很明顯的最小值。對應這種條件的角稱為brewster極化角；（3）對水平極化，其相位幾乎為π，但是，對于垂直極化，在brewster角范圍內，相位變為零；（4）當掠射角很小時，水平極化或垂直極化波的傳播幾乎沒有差別。

求得反射系數后，選取多個點頻對多路徑信號進行分集處理，計算出仰角誤差，其結果如圖4、圖5所示：

圖4為單個點頻雷達的仰角誤差，圖5藍色曲線為進行頻率分集后各點的仰角誤差，對比上面兩圖，可以看出，多點頻頻率分集處理后，雷達低仰角誤差有所減小，且頻點越多，其效果越好。

6 結語

多路徑效應會嚴重影響跟蹤系統對目標的跟蹤精度及穩定性。本文在介紹低空目標多路徑效應形成原理的基礎上，論述了多路徑效應對雷達造成的一些影響，進而使用頻率分集技術降低多路徑的影響，減小了雷達低角跟蹤時的仰角誤差，可減少因多路徑而引起的天線抖動，從而更好的保障雷達對低空目標的平穩跟蹤。

[責任編輯：楊玉潔]