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        艦載有源干擾的多路徑效應(yīng)影響研究

        2018-06-05 12:16:36范慶輝房嘉琦郭元元
        航天電子對抗 2018年2期
        關(guān)鍵詞:多路徑反射系數(shù)干擾信號

        范慶輝,吳 綱,房嘉琦,郭元元

        (北京遙感設(shè)備研究所,北京 100854)

        0 引言

        艦載有源干擾設(shè)備偵收到彈載雷達(dá)信號后,對彈載雷達(dá)輻射干擾信號,干擾信號在傳播過程中,除直線傳播外還有經(jīng)海面反射等多條路徑傳播,彈載雷達(dá)會接收到同一輻射源的電磁波經(jīng)不同路徑傳播后形成的多徑信號。而多路徑效應(yīng)會對艦載有源干擾的效果產(chǎn)生影響,本文研究了多路徑效應(yīng)下艦載有源干擾的CCIR數(shù)學(xué)模型,將海面的粗糙度與海情級聯(lián)系起來,研究不同海情級下的多路徑效應(yīng)。

        1 多路徑模型

        根據(jù)電磁波理論,由于地表、地形和地物等因素的影響,雷達(dá)接收到的干擾電磁波是由直射波和經(jīng)過地表地物反射的多個路徑傳輸來的電磁波形成的合成波,即多路徑傳輸。

        在多徑效應(yīng)的研究中,首先是基于一個最簡單的鏡反射模型[1],在此模型中,假設(shè)鏡象目標(biāo)正好位于實(shí)際目標(biāo)下方,且地面平坦并有良好導(dǎo)電性。對于鏡反射的情況可以通過研究與平坦地面反射的關(guān)系得到解決[2-5],當(dāng)反射面上的電參數(shù)已知時,由電磁理論容易得到鏡反射波相對于直接波的幅度和相位關(guān)系,如圖1所示。

        直達(dá)波信號與反射波信號由于路程差導(dǎo)致的相位差Δφ,接收到的信號由直達(dá)和反射2部分組成:

        s(t)=sd(t)+si(t)

        =sd(t)(1+ρexp (-jΔφ))

        (1)

        式中,sd為直達(dá)波信號,si為反射波信號,k=2π/λ為波數(shù),λ為信號波長,ρ為反射系數(shù)。

        直達(dá)波距離可以表達(dá)為:

        Rd=(R2+(ht-hr)2)1/2

        (2)

        反射波距離可以表達(dá)為:

        Ri=(R2+(ht+hr)2)1/2

        (3)

        反射波與直達(dá)波之間的距離差為:

        ΔR=Ri-Rd≈2hthr/R

        (4)

        則反射波與直達(dá)波之間的相位差為:

        Δφ=kΔR≈2khthr/R

        (5)

        2 海面反射系數(shù)

        海面反射系數(shù)是一個復(fù)數(shù),它等于距反射點(diǎn)無窮小處的反射電場矢量與入射電場矢量之比。如果表面非常光滑,那么引起反射波幅度和相位(相對于入射波)發(fā)生變化的唯一因素是表面材料的電特性[5-7]。如果表面粗糙,反射系數(shù)就會變小,根據(jù)反射表面粗糙度的不同,國際無線電顧問委員會(CCIR)將反射系數(shù)ρ定義為:

        ρ=ρ0γ

        (6)

        式中,ρ0為Fresnel反射系數(shù),γ為修正系數(shù)。

        2.1 Fresnel反射系數(shù)

        Fresnel反射系數(shù)假設(shè)反射面為完全光滑的,它由反射面的電磁屬性、入射角及電磁波的極化方式共同決定,表達(dá)方式如下:

        垂直極化波的情況下,反射系數(shù)為:

        ρ0=(εsinΨ0-(ε-cos2Ψ0)1/2)/

        (εsinΨ0+(ε-cos2Ψ0)1/2)

        (7)

        水平極化波的情況下,反射系數(shù)為:

        ρ0=(sinΨ0-(ε-cos2Ψ0)1/2)/

        (sinΨ0+(ε-cos2Ψ0)1/2)

        (8)

        式中,Ψ0為擦地角,ε為復(fù)介電常數(shù)。

        海面復(fù)介電常數(shù)由海面相對介電常數(shù)εr、海水電導(dǎo)率σ和波長λ構(gòu)成,可表示為:

        ε=εr-j60λσ

        (9)

        εr和σ在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)CCIR給出的多項(xiàng)式擬合函數(shù)計算。海水的相對介電常數(shù)的表達(dá)式如下:

        (10)

        式中,f為電磁波頻率,單位為MHz;a=1.4114535×10-2;b=-5.2122497×10-8;c=5.8547829×10-11;d=-7.6717423×10-16;e=2.9856318×10-21。

        海水電導(dǎo)率的表達(dá)式為:

        (11)

        式中,r=3.8586749,s=9.1253873×10-4,t=1.5309921×10-8,u=-2.1179295×10-5,v=6.5727504×10-10,w=-1.9647664×10-15。

        仿真表明,隨著頻率的增加,σ逐漸增加,其對頻率的變化范圍比εr小,εr對頻率更敏感。

        2.2 修正因子

        CCIR給出修正因子表達(dá)式為[8]:

        γ=1/(3.2g-2+((3.2g)2-7g+9)1/2)1/2

        (12)

        g=0.5(4πhfsinθ/c)2

        (13)

        式中,c為光速,f為電磁波頻率,θ為入射余角(擦海角),h為海面均方根高度(與海情級有關(guān))。

        海情級(sea state),常用的有WMO(國際氣象組織)和Douglas采用的波高劃分方式;風(fēng)速也有一個類似的數(shù)字等級,蒲福級數(shù)(Beaufort wind scale)。本文中采用著名的Douglas級數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn),如表1所示。

        表1 Douglas海情級劃分方式

        均方根波高(wave height RMS)σh是指海表面波高的均方根值,這個參數(shù)在計算中經(jīng)常用到.有效波高與均方根波高的關(guān)系為:H1/3=4σh

        則g可以表達(dá)為:g=0.5(πH1/3fsinθ/c)2

        3 仿真結(jié)果

        設(shè)艦載有源高度10m,天線增益0dB,發(fā)射峰值功率100kW。某導(dǎo)彈飛行高度15m,末制導(dǎo)雷達(dá)工作頻率為15GHz,天線增益取30dB。

        正常大氣情況,海情三級,浪高1.2 m,由于Douglas海情對應(yīng)的浪高是有一定范圍,在此將海情級對應(yīng)的浪高中值作為海情級的浪高。在理想條件下,末制導(dǎo)雷達(dá)接收到的干擾信號隨著距離的增大逐漸減小,其規(guī)律為與距離的平方成反比,如圖2中虛線所示。如果考慮多路徑效應(yīng)的影響,末制導(dǎo)雷達(dá)接收到的干擾信號則會隨距離的變化出現(xiàn)一定規(guī)律的起伏,最大起伏可以達(dá)到39.3dB。

        正常大氣情況,海情分別為一、二、四、五級,浪高分別為0.15m、0.6m、1.95m、3.05m;各級海情下由于多路徑效應(yīng)的影響,如圖3所示,末制導(dǎo)雷達(dá)接收到的干擾信號會隨距離的變化出現(xiàn)一定規(guī)律的起伏,各級海情對應(yīng)的最大起伏可以達(dá)到45.4dB 、42.6dB、36.3dB、 33.1dB。隨著海情級的增大,粗糙度增大,海面的漫反射效應(yīng)增強(qiáng)、鏡面反射減弱,即多路徑效應(yīng)變小。

        正常大氣情況,海情為三級,浪高為1.2m,艦載有源干擾高度由5m至10m步進(jìn)1m;由圖4可以看出隨著高度的增加,干擾信號的能量起伏增大。

        4 結(jié)束語

        本文建立多路徑效應(yīng)下艦載有源干擾的CCIR數(shù)學(xué)模型,最后仿真分析了典型條件下多路徑效應(yīng)對艦載有源干擾的影響,指出高海情海面粗糙度增加時多路徑效應(yīng)變小,低海情海面粗糙度減小時多路徑效應(yīng)增強(qiáng),舷外有源誘餌干擾的高度增加,干擾信號的能量起伏減小?!?/p>

        參考文獻(xiàn):

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        [2] Guo Lixin, KIM Che-young, Wu Zhensen. Extended boundary condition method of electromagnetic scattering from one-dimensional rough dielectric fractal sea surface[J].Acta Electronica Sinica,2004,32(1):139-142.

        [3] Bucco D,Chisholm JD.Comparison of scattering modelsforpredicting radarmultipath effects over the sea[R].CA,USA:American institute of Aeronautics and astronautics,Inc,1997:161-170.

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        [5] Smith JR, Mirotznik MS.Rough surface scattering models[J].IEEE International Geoscience & Remote Sensing Symposium,2004(5):3107-3110.

        [6] Lai Qingfu, Dai Huanyao, Zhao Jing, et al.A novel approach of countering centroid jamming by using INS information in terminal guidance [C]∥IEEE International Conference on Signal Processing,2010:2121-2124.

        [7] Benavoli A, Chisci L, Farina A. Tracking of a ballistic missile with a prior information [J].IEEE Trans. on Aerospace and Electronic Systems,2007,43(3):1000-1006.

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