基于雷達協同的多路徑抑制方法

王曉楠,俞成龍,徐洪林

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州225101)

0 引 言

對于艦載雷達而言,其主要作戰目標為低空/超低空飛行的反艦導彈。其飛行高度低、速度快。雷達對此類目標跟蹤時,主波束照射海面,由于海面的鏡像反射,雷達收到的目標回波信號是直射波信號和反射波信號的矢量和。其結果造成目標回波的相位中心不再指向目標,而是隨著目標高度和距離而變化,形成多路徑誤差。如果不采取措施,雷達就不能準確跟蹤目標,甚至會丟失目標[1]。

1 多路徑效應模型

在研究多路徑效應時,通常采用幾何光學的方法對雷達目標探測過程中的多路徑效應進行分析。多路徑模型分為平面反射模型和球面反射模型[2]。

圖1為平面反射模型。圖中天線高度為hr,目標高度為ht,直接路徑為Rd,反射路徑為R1和R2,直接路徑的仰角為θd,反射路徑仰角為θr,入射余角為ψ。

平面反射模型中直接路徑與反射路徑的波程差為:

圖1 多路徑平面反射模型圖

圖2為球面反射模型。球面反射模型中直接路徑與反射路徑的波程差為:

2 多路徑測角誤差

圖2 多路徑球面反射模型圖

跟蹤雷達通常采用單脈沖測角技術。多路徑條件下,對于直射信號而言,如果差信號Δd與和信號Σd同相,則多路徑反射信號中的差信號Δi與和信號Σi反相,合成矢量關系如圖3所示[2]。

圖3 多路徑條件下和差信號矢量合成圖

采用和信號進行歸一化后得到的差信號與和信號單脈沖比為:

式中:VΣ為和路接收電壓;VΔ為差路接收電壓;為復反射系數。

多路徑測角誤差為:

式中:θd為目標仰角;φ為信號的總相移。

3 常用的多路徑抑制方法[3-5]

多路徑抑制方法主要有窄波束技術、復角技術、偏軸技術、寬帶頻率捷變技術、重濾波技術等。

3.1 窄波束技術

降低天線波束寬度是降低多路徑效應最直接有效的方法,可以通過增加天線尺寸、提高工作頻率等措施實現窄波束。由于天線尺寸受到工作環境、安裝平臺和成本等因素的限制,在實際工程應用中受限。隨著毫米波技術的發展,越來越多的雷達采用毫米波窄波束技術來抑制多路徑效應產生的影響,毫米波還具備多路徑信號起伏變化快的特點,有利于去相關濾波。為解決窄波束帶來的目標捕獲問題,通常采用雙頻段協同工作。

3.2 復角技術

復角技術的原理是針對多路徑條件下和、差信號間的相移,根據差信號在和信號上的投影同相分量后,與和信號進行復數處理比較。具體實施方法為根據天線方向圖、反射環境和目標仰角信息,計算出差信號在和信號上的投影同相分量并存入計算機,在雷達進行低角跟蹤時,將錄取值和預裝值進行對比,計算出相對應的目標仰值。復角技術可抑制多路徑效應,但由于反射環境的變化,效果無法保證,同時利用復角技術存在測角模糊的問題。

3.3 偏軸技術

偏軸技術是目前最常用的降低多路徑效應影響的方法,一般操控流程是當天線仰角低于0.8倍波束寬度時,雷達的仰角進行開環處理,即仰角指向保持不變,不再根據測角誤差進行閉環跟蹤,保證波束不進入主瓣區。此時直射信號從天線主瓣進入雷達接收機,反射信號從天線副瓣進入雷達接收機,從而達到抑制多路徑效應的效果。當目標仰角進一步降低時,直射回波幅度將大幅降低,從而影響目標測量,一般來講當目標仰角低于0.3倍波束寬度時,偏軸技術將不再適用。

3.4 寬帶頻率捷變技術

當存在多路徑效應時,目標回波信號隨相位發生周期性變化,測量角誤差也隨著頻率發生周期性變化,通過對不同頻率的測量角誤差進行處理后可去除直射信號和反射信號的相干性,從而使多路徑誤差得到一定程度的減小,提高雷達頻率動態變化范圍,有助于抑制多路徑效應產生的影響。

3.5 重濾波技術

在多路徑條件下,雷達測角誤差是周期性變化的,距離越近周期越短。重濾波技術是在一個周期內對誤差信號進行平均處理,能夠有效減小測角誤差。由于多路徑條件下測角誤差周期變化受目標距離和高度影響,需要根據雷達參數、目標參數和海情等因素對變化周期進行估算。

4 雷達協同的多路徑抑制方法

多路徑盲區周期與目標高度、距離、雷達架高和雷達頻率有關。寬帶頻率捷變雷達利用頻率特性抑制多路徑效應影響,利用不同雷達的位置差異,同樣可以降低多路徑效應對雷達目標跟蹤的影響[6]。

直接路徑與反射路徑的相位差為:

寬帶頻率捷變技術就是利用頻率捷變實現直接回波與反射回波去相關,從而達到抑制多路徑效應的效果。公式(5)可變換為:

Δf為實現直接回波與反射回波去相關的最小變頻帶寬。設定目標高度為5 m,雷達架高10 m,對于目標距離3 km,雷達變頻帶寬要求為9 GHz。在實際工程應用中,超寬帶雷達受到器件水平、寬帶零漂、成本等因素限制。

2部不同高度的雷達同時對低空目標進行跟蹤測量,利用不同天線高度的雷達在同一時刻對相同目標的多路徑相位差別,通過雷達協同,實現直接回波與反射回波去相關。公式(6)可變換為:

Δhr為實現直接回波與反射回波去相關的最小架高差。設定目標高度為5 m,2部雷達工作頻率均為10 GHz,對于目標距離3 km,2部雷達高度差要求為9 m。在實際應用中,這個量級的架高差是比較容易實現的。

當2部雷達工作在不同頻率時,通過雷達協同可實現直接回波與反射回波去相關:

式中:Δf1、Δf2分別為2部雷達變頻帶寬;為中心頻率;為雷達平均架高。

設定目標高度為5 m,雷達1變頻帶寬為1.5 GHz,中心頻率10 GHz,雷達1架高為10 m,雷達2架高為15 m,對于目標距離3 km,雷達2要求變頻帶寬均1.7 GHz。

由上述分析可知,通過同平臺不同架高、不同頻率的2部雷達協同,對同一低空目標進行跟蹤測量,可以更加容易實現直接回波與反射回波去相關,達到抑制多路徑效應的目的。

5 仿真分析

設定目標高度5 m,2級海情,A雷達工作頻率8～9 GHz捷變,架高為10 m,B雷達工作頻率9～10 GHz捷變,架高為15 m。A雷達仰角測角誤差仿真結果如圖2所示,B雷達仰角測角誤差仿真結果如圖5所示。

圖4 A雷達仰角測量誤差仿真結果

圖5 B雷達仰角測量誤差仿真結果

A雷達與B雷達協同后仰角測量誤差仿真結果如圖6所示。

圖6 雷達協同后仰角測量誤差仿真結果

通過仿真結果可以看出,雷達協同后目標仰角測量誤差變小,多路徑效應得到抑制。仿真中2部雷達工作在不同頻率,架設高度相差5 m,復合同平臺雷達實際工作情況。通過上述仿真結果可以看出,利用不同工作頻率、不同架設高度的2部雷達對同一低空目標進行跟蹤時,通過雷達協同可以有效抑制多路徑效應的影響。

6 結束語

多路徑效應一直是困擾雷達低角跟蹤的難題,本文基于頻率與雷達架高對多路徑回波相位的影響,提出了一種雷達協同多路徑抑制方法,通過仿真分析了該方法對多路徑效應抑制的有效性,尤其適用于同平臺雷達協同低角跟蹤。