西安電子工程研究所 王彬彬

1.引言

線性調(diào)頻連續(xù)波（LFMCW）雷達(dá)具有測距精度高、無距離盲區(qū)、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、便于應(yīng)用快速傅里葉變換（FFT） 等現(xiàn)代數(shù)字信號處理方法等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此在汽車無人駕駛、飛機(jī)測高、靶場測量等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。與對空搜索相比，地面雷達(dá)工作在低仰角時(shí)受到的雜波影響更為嚴(yán)重，動目標(biāo)顯示（MTI）和動目標(biāo)檢測（MTD）等方法可有效的消除固定雜波的影響[2]，但對于運(yùn)動目標(biāo)，由于目標(biāo)所在背景復(fù)雜，多徑反射的信號與目標(biāo)的后向散射信號疊加進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)，如圖1所示。如果不采取有效措施，多徑效應(yīng)將嚴(yán)重影響雷達(dá)的測量精度[4]，甚至在某些環(huán)境下使雷達(dá)不能正常工作。

圖1 地面反射所形成的多徑信號

2.系統(tǒng)模型

假設(shè)目標(biāo)距離地面的高度ht=0.5m，雷達(dá)距離地面高度hr=1.5m，目標(biāo)與雷達(dá)的水平距離L=150m，計(jì)算可知直射信號與地面多徑反射信號的波程差ΔR =0.0125m，對應(yīng)的時(shí)間差為Δt =ΔR /c=42ns，有用信號與反射信號的入射角度相差Δθ=0.57°，因此雷達(dá)要從時(shí)間和角度上把兩個(gè)信號進(jìn)行區(qū)分非常困難。假設(shè)后向散射信號S(t )，經(jīng)過地面多徑反射信號s(t-Δt )，則兩個(gè)信號的頻譜分別為S(ω)和S(ω)e-jwΔt，兩個(gè)信號具有相同的幅頻特性，但由于延遲的影響，多徑信號的相頻特性與后向散射信號不同，因此兩者疊加后的信號對利用回波幅度特性檢測的參數(shù)，如距離、速度，由于回波與多徑處于一個(gè)距離單元和多普勒單元內(nèi)，因此對測量精度的影響較小。而要利用回波的相位特性進(jìn)行測量的參量則會受到影響，并且多徑信號的相位以2π為周期變化。

3.測角方式

3.1 干涉法測角

干涉法測角具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，在電子偵察，航天器交會等領(lǐng)域具有重要的用途。干涉法測角中一般情況下天線間距d ＞ λ/2，因此相位模糊是一定存在的。對同一個(gè)天線單元，直射信號與多徑信號由于波程差不同，接收機(jī)收到的相位也不同，并且以2π●ΔR / λ 的關(guān)系變化[3]，例如對于一個(gè)工作在18GHz的雷達(dá)，波長為0.0167米，如果反射信號幅度較強(qiáng)，此時(shí)由于波程差引起的多徑信號與直射信號的相位差不可忽略。對于多基線的系統(tǒng)，通?？梢圆捎瞄L短基線法、參差基線法、虛擬基線法、立體基線法等。對于單基線系統(tǒng)，可以采用多頻發(fā)射多頻接收的方法求解相位模糊，通常有雙頻法，三頻法。這兩種方法也可以結(jié)合使用。此處對采用雙頻雙基線與雙頻單基線的兩種算法進(jìn)行比較，假設(shè)目標(biāo)飛行航跡為直線，俯仰角為0°方向。采用最小殘差法求解模糊度，多徑信號的幅度為直射信號的0.8倍。圖2為俯仰角通過仿真可以看出，采用雙頻單基線方法，多徑引起的測角誤差最大引起了兩個(gè)整周模糊度的誤差，解模糊錯(cuò)誤在整個(gè)距離段都存在，并且在近距出現(xiàn)的頻率更高；采用雙頻雙基線的方法，擴(kuò)大的求解空間，減少了出現(xiàn)整周模糊度錯(cuò)誤的概率，但由于多徑信號的存在，測角值仍有±1°之間測偏差，這對精度要求比較高的系統(tǒng)，仍然有較大的誤差。

圖2 兩種干涉法測角性能對比

3.2 比幅法測角

比幅法利用回波信號的幅度信息測量目標(biāo)的角度信息，以等信號法為例，采用兩個(gè)相同且部分重疊的波束照射目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)處于軸線時(shí)，兩個(gè)波束受到的信號的強(qiáng)度相同。當(dāng)目標(biāo)偏離軸線時(shí)，一個(gè)波束的回波強(qiáng)度就會高于另一個(gè)，可以利用查表等方法估計(jì)出目標(biāo)偏離程度，也可以采用和差法來測量目標(biāo)的偏離程度。等信號法靈敏度高，理論上對收發(fā)公共天線的雷達(dá)，精度可達(dá)波束半功率寬度的2%[2]。對連續(xù)波雷達(dá)，收發(fā)天線是分置且同時(shí)工作的，因此收發(fā)波束存在結(jié)構(gòu)位置上的偏差；連續(xù)波雷達(dá)一般體積受限，天線孔徑受到結(jié)構(gòu)的限制導(dǎo)致天線增益不能太高，因而波束寬度不能做到很小，因此測量精度也受到影響。通過提高系統(tǒng)的工作頻率提高測量精度，但雷達(dá)威力又會減小，因此采用比幅法也存在精度上的問題。

4.誤差分析與總結(jié)

通過上述分析可以得知，對地面雷達(dá)而言，目標(biāo)距離較近時(shí)多徑信號與有用信號在時(shí)間上和角度上難以區(qū)分。兩者的頻譜具有相同的幅度特性和不同的相位特性，因此在多徑信號較弱時(shí)，采用干涉法測角具有精度高，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，而多徑信號較強(qiáng)時(shí)，信號的相位特性受到嚴(yán)重干擾，采用幅度法測角具有較好的抗多經(jīng)性能，但測角精度與波束寬度等因素有關(guān)，在多徑信號較弱時(shí)測角精度與干涉法存在差距。