王 澍,邵文建

(中國(guó)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(duì)艦載偵察設(shè)備偵收信號(hào)的影響

王 澍,邵文建

(中國(guó)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(yàn)，分析了海上多路徑反射效應(yīng)對(duì)偵察設(shè)備偵收信號(hào)的影響。結(jié)果表明不同類(lèi)型的多路徑反射效應(yīng)的影響是不同的，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)幅度的變化，有時(shí)會(huì)使脈沖波形產(chǎn)生畸變，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)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(jì)師們往往會(huì)觀察到這樣一個(gè)現(xiàn)象，在同一海域接收同一部雷達(dá)信號(hào)時(shí)，其信號(hào)幅度會(huì)隨著時(shí)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(hào)功率也較強(qiáng)，但有時(shí)卻很難收到它的信號(hào)，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(hào)波形，也可證實(shí)信號(hào)幅度的變化，有時(shí)脈沖波形還會(huì)出現(xiàn)明顯的失真。要解釋這一現(xiàn)象，人們自然會(huì)和多路徑效應(yīng)[1]聯(lián)系起來(lái)，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(jí)，路徑之間的時(shí)延遠(yuǎn)小于脈沖寬度，在這種情況下，主要的影響是信號(hào)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(zhǎng)，其程差在數(shù)百米至數(shù)千米量級(jí)，路徑之間的時(shí)延大于脈沖寬度，在這種情況下，主要的影響是導(dǎo)致信號(hào)增批。

1 信號(hào)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(hào)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(duì)海面上的目標(biāo)來(lái)說(shuō)，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(hào)多路徑傳播示意圖，園弧表示地球表面，A點(diǎn)為雷達(dá)發(fā)射天線位置，B點(diǎn)為偵察設(shè)備的接收天線位置。由圖1可以看出，信號(hào)從A點(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)，存在2條路徑：直達(dá)路徑AB和海面反射路徑AOB，O點(diǎn)為等效反射中心。

圖1 視距范圍內(nèi)的信號(hào)多路徑傳播示意圖

從A點(diǎn)和B點(diǎn)分別作地球大圓的切線，切點(diǎn)分別為D和C，只要C、D之間的范圍超過(guò)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(hào)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(jì)算接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)時(shí)可忽略直射波和反射波電磁場(chǎng)方向的差異，接收到的信號(hào)場(chǎng)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(zhǎng);Δr為波程差，根據(jù)簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系得到：

(3)

前人的試驗(yàn)研究表明[1,3]，對(duì)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(duì)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(shí)，波程差Δr很小，如果波程差只有幾十厘米量級(jí)，時(shí)間差則只有ns量級(jí)，此時(shí)主要考慮多路徑反射信號(hào)的干涉效應(yīng)，而對(duì)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(hào)的干涉效應(yīng)，偵察天線接收的信號(hào)功率為：

(4)

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

對(duì)式(4)兩邊取對(duì)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(hào)的干涉效應(yīng)，圖2給出不同條件下偵察天線接收信號(hào)的功率隨距離變化的模擬結(jié)果。計(jì)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(jì)算。海面的等效反射系數(shù)分別為0.6(圖中實(shí)線)和0.2(圖中點(diǎn)畫(huà)線)，反射系數(shù)相位均按180°考慮；圖中虛線為不考慮反射時(shí)接收信號(hào)的幅度?？梢钥闯?，由于干涉效應(yīng)，接收信號(hào)的幅度并非完全隨著距離的增加而越來(lái)越小，而是存在明顯的波動(dòng)，波動(dòng)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(dòng)的振幅可達(dá)十多分貝。

圖2 不同條件下接收信號(hào)功率隨距離變化的模擬結(jié)果

當(dāng)反射信號(hào)和直達(dá)波信號(hào)的程差Δr超過(guò)10 m量級(jí)時(shí)，其時(shí)間上會(huì)產(chǎn)生超過(guò)幾十ns的延遲，干涉的結(jié)果就會(huì)使脈沖信號(hào)波形產(chǎn)生明顯的畸變。為了便于分析，假定雷達(dá)波信號(hào)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(hào)為：

(7)

直達(dá)波信號(hào)和反射信號(hào)疊加以后得到：

(8)

假設(shè)等效反射系數(shù)為0.6，信號(hào)的脈沖寬度為1 μs，反射信號(hào)和直達(dá)波信號(hào)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(hào)增批分析

如果不同路徑之間的路程相差很長(zhǎng)，路徑之間的時(shí)延大于脈沖寬度，反射波信號(hào)與直達(dá)波信號(hào)之間不會(huì)重疊而形成干涉，主要的影響是造成信號(hào)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(chǎng)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(zhǎng)(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(shí)，也會(huì)照射到反射體B。

圖4 波束內(nèi)反射體的反射場(chǎng)景示意圖

按照?qǐng)D4的場(chǎng)景，假定二者距離L為1 km，偵察天線接收到的信號(hào)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(guò)一定的延遲，又會(huì)照射到偵察天線上，這樣偵察天線就接收到2個(gè)信號(hào)，前面一個(gè)幅度較大的是雷達(dá)的直射信號(hào)，后面一個(gè)是相鄰艦船的反射信號(hào)(不考慮多次反射)，這種現(xiàn)象可稱(chēng)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(gè)信號(hào)的頻率和脈沖寬度都相同，但方位和幅度不同?？紤]到反射信號(hào)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(duì)于反射信號(hào)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(jiàn)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(chǎng)景。

圖6 波束外障礙物的反射場(chǎng)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(shí)，不會(huì)照射到反射體，不會(huì)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(shí)，卻照射不到偵察天線，通過(guò)反射體反射的信號(hào)才會(huì)照射到偵察天線，這樣偵察天線接收到的信號(hào)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(gè)包絡(luò)為直射信號(hào)，后一個(gè)包絡(luò)為反射信號(hào)，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(shí)間間隔取決于雷達(dá)波束旋轉(zhuǎn)所需要的時(shí)間。若用圖7中的虛線表示接收機(jī)靈敏度門(mén)限電平，則可看出，當(dāng)直射信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，接收機(jī)可以偵收雷達(dá)的主瓣和旁瓣，而反射信號(hào)通常較弱一些，其旁瓣的反射信號(hào)可能在靈敏度門(mén)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(shí)延大于脈沖寬度，不論是波束內(nèi)的反射信號(hào)和波束外的反射信號(hào)，都可能造成增批現(xiàn)象。試驗(yàn)也表明，艦船航行時(shí)，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(shí)，各種港口建筑、船舶和山丘的反射信號(hào)都可能會(huì)造成較嚴(yán)重增批。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文雖然只是分析了幾種簡(jiǎn)單的模型，但模擬的結(jié)果和海上試驗(yàn)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(shí)可供采取減少增批措施的參考。

本文沒(méi)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(jì)時(shí)都已經(jīng)做了充分考慮，以盡可能減少對(duì)載體艦船的影響。

[1] 肖景民，王元坤.電波傳播工程計(jì)算[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1989.

[2] 趙國(guó)慶.雷達(dá)對(duì)抗原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[3] 熊皓.無(wú)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