多路徑反射對艦載偵察設(shè)備偵收信號的影響

王 澍,邵文建

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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多路徑反射對艦載偵察設(shè)備偵收信號的影響

王 澍,邵文建

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

結(jié)合偵察設(shè)備的研制試驗，分析了海上多路徑反射效應(yīng)對偵察設(shè)備偵收信號的影響。結(jié)果表明不同類型的多路徑反射效應(yīng)的影響是不同的，有時會導(dǎo)致信號幅度的變化，有時會使脈沖波形產(chǎn)生畸變，有時會導(dǎo)致信號增批。

偵察設(shè)備；多路徑效應(yīng)；反射效應(yīng)

0 引 言

從事艦載偵察設(shè)備(ESM)的設(shè)計師們往往會觀察到這樣一個現(xiàn)象，在同一海域接收同一部雷達(dá)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(biāo)雷達(dá)明明在視距范圍內(nèi)，雷達(dá)發(fā)射的信號功率也較強(qiáng)，但有時卻很難收到它的信號，以至于讓人懷疑偵察設(shè)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(xiàn)明顯的失真。要解釋這一現(xiàn)象，人們自然會和多路徑效應(yīng)[1]聯(lián)系起來，但是多路徑效應(yīng)究竟是如何影響的，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的條件是什么，還有必要進(jìn)行細(xì)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(xiàn)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(yuǎn)小于脈沖寬度，在這種情況下，主要的影響是信號干涉導(dǎo)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(shù)百米至數(shù)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(dǎo)致信號增批。

1 信號干涉導(dǎo)致幅度變化和脈沖波形畸變分析

本文只分析視距內(nèi)信號傳輸?shù)亩嗦窂叫?yīng)，由于電磁波直線傳播和地球曲率的影響，對海面上的目標(biāo)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(dá)發(fā)射天線和偵察設(shè)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(shù)3.57應(yīng)改為4.1[2]。

假定雷達(dá)天線架設(shè)高度25 m、偵察天線架設(shè)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(nèi)的信號多路徑傳播示意圖，園弧表示地球表面，A點為雷達(dá)發(fā)射天線位置，B點為偵察設(shè)備的接收天線位置。由圖1可以看出，信號從A點傳輸?shù)紹點，存在2條路徑：直達(dá)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(nèi)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(dá)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(qiáng)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(qiáng)可表示為直達(dá)波和反射波間的疊加，其幅度為：

(2)

式中:|R|為等效反射系數(shù)的幅度；φ為等效反射系數(shù)的相位；β=2π/λ為自由空間的相移常數(shù)，λ為自由空間波長;Δr為波程差，根據(jù)簡單的幾何關(guān)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(shù)幅度接近于1，相位為180°；對于垂直極化波， 其反射系數(shù)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(shù)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(yīng)，而對波形畸變的影響不明顯。根據(jù)偵察方程，考慮到多路徑反射信號的干涉效應(yīng)，偵察天線接收的信號功率為：

(4)

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

對式(4)兩邊取對數(shù)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(yīng)，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(jié)果。計算條件假設(shè)為:雷達(dá)天線和偵察天線的架設(shè)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(shù)分別為0.6(圖中實線)和0.2(圖中點畫線)，反射系數(shù)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。可以看出，由于干涉效應(yīng)，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(shù)有關(guān)，若等效反射系數(shù)較大，波動的振幅可達(dá)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(jié)果

當(dāng)反射信號和直達(dá)波信號的程差Δr超過10 m量級時，其時間上會產(chǎn)生超過幾十ns的延遲，干涉的結(jié)果就會使脈沖信號波形產(chǎn)生明顯的畸變。為了便于分析，假定雷達(dá)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(dá)波信號和反射信號疊加以后得到：

(8)

假設(shè)等效反射系數(shù)為0.6，信號的脈沖寬度為1 μs，反射信號和直達(dá)波信號的路程差Δr=15 m，相位差180°，模擬結(jié)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(dá)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(nèi)反射體反射的影響，圖4為設(shè)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(dá)的同一波束內(nèi)，距離為L(雷達(dá)、偵察天線和反射體三者基本在一直線內(nèi))，當(dāng)雷達(dá)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(nèi)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(jié)果如圖5所示。雷達(dá)的直射波首先被偵察天線接收到，從反射體B反射的雷達(dá)波經(jīng)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(dá)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(xiàn)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(jī)中出現(xiàn)的2個信號的頻率和脈沖寬度都相同，但方位和幅度不同。考慮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(guān)，因此對于反射信號的幅度只作定性的模擬。

圖5 波束內(nèi)反射體反射增批的模擬效果圖

另一種常見的反射現(xiàn)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(dá)的同一波束內(nèi)，雷達(dá)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(xiàn)圖5所示的伴隨脈沖增批。由于雷達(dá)天線波束是在海面上旋轉(zhuǎn)搜索，當(dāng)雷達(dá)波束轉(zhuǎn)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(luò)為直射信號，后一個包絡(luò)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(dá)波束旋轉(zhuǎn)所需要的時間。若用圖7中的虛線表示接收機(jī)靈敏度門限電平，則可看出，當(dāng)直射信號較強(qiáng)時，接收機(jī)可以偵收雷達(dá)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(dāng)降低偵察接收機(jī)靈敏度可以減小反射增批的影響。

以上模擬分析結(jié)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(nèi)的反射信號和波束外的反射信號，都可能造成增批現(xiàn)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(jī)靈敏度越高，增批現(xiàn)象越重。增批現(xiàn)象還和海況有關(guān)，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(yán)重增批。

3 結(jié)束語

本文雖然只是分析了幾種簡單的模型，但模擬的結(jié)果和海上試驗觀察的現(xiàn)象是吻合的。本文分析有助于解釋一些現(xiàn)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(shè)計時都已經(jīng)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(xué)出版社，1989.

[2] 趙國慶.雷達(dá)對抗原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)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