王曉楠,俞成龍,徐洪林

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州225101)

0 引 言

對(duì)于艦載雷達(dá)而言,其主要作戰(zhàn)目標(biāo)為低空/超低空飛行的反艦導(dǎo)彈。其飛行高度低、速度快。雷達(dá)對(duì)此類目標(biāo)跟蹤時(shí),主波束照射海面,由于海面的鏡像反射,雷達(dá)收到的目標(biāo)回波信號(hào)是直射波信號(hào)和反射波信號(hào)的矢量和。其結(jié)果造成目標(biāo)回波的相位中心不再指向目標(biāo),而是隨著目標(biāo)高度和距離而變化,形成多路徑誤差。如果不采取措施,雷達(dá)就不能準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo),甚至?xí)G失目標(biāo)[1]。

1 多路徑效應(yīng)模型

在研究多路徑效應(yīng)時(shí),通常采用幾何光學(xué)的方法對(duì)雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)過(guò)程中的多路徑效應(yīng)進(jìn)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(biāo)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(cè)角誤差

圖2 多路徑球面反射模型圖

跟蹤雷達(dá)通常采用單脈沖測(cè)角技術(shù)。多路徑條件下,對(duì)于直射信號(hào)而言,如果差信號(hào)Δd與和信號(hào)Σd同相,則多路徑反射信號(hào)中的差信號(hào)Δi與和信號(hào)Σi反相,合成矢量關(guān)系如圖3所示[2]。

圖3 多路徑條件下和差信號(hào)矢量合成圖

采用和信號(hào)進(jìn)行歸一化后得到的差信號(hào)與和信號(hào)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(fù)反射系數(shù)。

多路徑測(cè)角誤差為:

式中:θd為目標(biāo)仰角;φ為信號(hào)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(shù)、復(fù)角技術(shù)、偏軸技術(shù)、寬帶頻率捷變技術(shù)、重濾波技術(shù)等。

3.1 窄波束技術(shù)

降低天線波束寬度是降低多路徑效應(yīng)最直接有效的方法,可以通過(guò)增加天線尺寸、提高工作頻率等措施實(shí)現(xiàn)窄波束。由于天線尺寸受到工作環(huán)境、安裝平臺(tái)和成本等因素的限制,在實(shí)際工程應(yīng)用中受限。隨著毫米波技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的雷達(dá)采用毫米波窄波束技術(shù)來(lái)抑制多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的影響,毫米波還具備多路徑信號(hào)起伏變化快的特點(diǎn),有利于去相關(guān)濾波。為解決窄波束帶來(lái)的目標(biāo)捕獲問(wèn)題,通常采用雙頻段協(xié)同工作。

3.2 復(fù)角技術(shù)

復(fù)角技術(shù)的原理是針對(duì)多路徑條件下和、差信號(hào)間的相移,根據(jù)差信號(hào)在和信號(hào)上的投影同相分量后,與和信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)處理比較。具體實(shí)施方法為根據(jù)天線方向圖、反射環(huán)境和目標(biāo)仰角信息,計(jì)算出差信號(hào)在和信號(hào)上的投影同相分量并存入計(jì)算機(jī),在雷達(dá)進(jìn)行低角跟蹤時(shí),將錄取值和預(yù)裝值進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)仰值。復(fù)角技術(shù)可抑制多路徑效應(yīng),但由于反射環(huán)境的變化,效果無(wú)法保證,同時(shí)利用復(fù)角技術(shù)存在測(cè)角模糊的問(wèn)題。

3.3 偏軸技術(shù)

偏軸技術(shù)是目前最常用的降低多路徑效應(yīng)影響的方法,一般操控流程是當(dāng)天線仰角低于0.8倍波束寬度時(shí),雷達(dá)的仰角進(jìn)行開(kāi)環(huán)處理,即仰角指向保持不變,不再根據(jù)測(cè)角誤差進(jìn)行閉環(huán)跟蹤,保證波束不進(jìn)入主瓣區(qū)。此時(shí)直射信號(hào)從天線主瓣進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī),反射信號(hào)從天線副瓣進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī),從而達(dá)到抑制多路徑效應(yīng)的效果。當(dāng)目標(biāo)仰角進(jìn)一步降低時(shí),直射回波幅度將大幅降低,從而影響目標(biāo)測(cè)量,一般來(lái)講當(dāng)目標(biāo)仰角低于0.3倍波束寬度時(shí),偏軸技術(shù)將不再適用。

3.4 寬帶頻率捷變技術(shù)

當(dāng)存在多路徑效應(yīng)時(shí),目標(biāo)回波信號(hào)隨相位發(fā)生周期性變化,測(cè)量角誤差也隨著頻率發(fā)生周期性變化,通過(guò)對(duì)不同頻率的測(cè)量角誤差進(jìn)行處理后可去除直射信號(hào)和反射信號(hào)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(dá)頻率動(dòng)態(tài)變化范圍,有助于抑制多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的影響。

3.5 重濾波技術(shù)

在多路徑條件下,雷達(dá)測(cè)角誤差是周期性變化的,距離越近周期越短。重濾波技術(shù)是在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行平均處理,能夠有效減小測(cè)角誤差。由于多路徑條件下測(cè)角誤差周期變化受目標(biāo)距離和高度影響,需要根據(jù)雷達(dá)參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)和海情等因素對(duì)變化周期進(jìn)行估算。

4 雷達(dá)協(xié)同的多路徑抑制方法

多路徑盲區(qū)周期與目標(biāo)高度、距離、雷達(dá)架高和雷達(dá)頻率有關(guān)。寬帶頻率捷變雷達(dá)利用頻率特性抑制多路徑效應(yīng)影響,利用不同雷達(dá)的位置差異,同樣可以降低多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)目標(biāo)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(shù)就是利用頻率捷變實(shí)現(xiàn)直接回波與反射回波去相關(guān),從而達(dá)到抑制多路徑效應(yīng)的效果。公式(5)可變換為:

Δf為實(shí)現(xiàn)直接回波與反射回波去相關(guān)的最小變頻帶寬。設(shè)定目標(biāo)高度為5 m,雷達(dá)架高10 m,對(duì)于目標(biāo)距離3 km,雷達(dá)變頻帶寬要求為9 GHz。在實(shí)際工程應(yīng)用中,超寬帶雷達(dá)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(dá)同時(shí)對(duì)低空目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)量,利用不同天線高度的雷達(dá)在同一時(shí)刻對(duì)相同目標(biāo)的多路徑相位差別,通過(guò)雷達(dá)協(xié)同,實(shí)現(xiàn)直接回波與反射回波去相關(guān)。公式(6)可變換為:

Δhr為實(shí)現(xiàn)直接回波與反射回波去相關(guān)的最小架高差。設(shè)定目標(biāo)高度為5 m,2部雷達(dá)工作頻率均為10 GHz,對(duì)于目標(biāo)距離3 km,2部雷達(dá)高度差要求為9 m。在實(shí)際應(yīng)用中,這個(gè)量級(jí)的架高差是比較容易實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)2部雷達(dá)工作在不同頻率時(shí),通過(guò)雷達(dá)協(xié)同可實(shí)現(xiàn)直接回波與反射回波去相關(guān):

式中:Δf1、Δf2分別為2部雷達(dá)變頻帶寬;為中心頻率;為雷達(dá)平均架高。

設(shè)定目標(biāo)高度為5 m,雷達(dá)1變頻帶寬為1.5 GHz,中心頻率10 GHz,雷達(dá)1架高為10 m,雷達(dá)2架高為15 m,對(duì)于目標(biāo)距離3 km,雷達(dá)2要求變頻帶寬均1.7 GHz。

由上述分析可知,通過(guò)同平臺(tái)不同架高、不同頻率的2部雷達(dá)協(xié)同,對(duì)同一低空目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)量,可以更加容易實(shí)現(xiàn)直接回波與反射回波去相關(guān),達(dá)到抑制多路徑效應(yīng)的目的。

5 仿真分析

設(shè)定目標(biāo)高度5 m,2級(jí)海情,A雷達(dá)工作頻率8～9 GHz捷變,架高為10 m,B雷達(dá)工作頻率9～10 GHz捷變,架高為15 m。A雷達(dá)仰角測(cè)角誤差仿真結(jié)果如圖2所示,B雷達(dá)仰角測(cè)角誤差仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 A雷達(dá)仰角測(cè)量誤差仿真結(jié)果

圖5 B雷達(dá)仰角測(cè)量誤差仿真結(jié)果

A雷達(dá)與B雷達(dá)協(xié)同后仰角測(cè)量誤差仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 雷達(dá)協(xié)同后仰角測(cè)量誤差仿真結(jié)果

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出,雷達(dá)協(xié)同后目標(biāo)仰角測(cè)量誤差變小,多路徑效應(yīng)得到抑制。仿真中2部雷達(dá)工作在不同頻率,架設(shè)高度相差5 m,復(fù)合同平臺(tái)雷達(dá)實(shí)際工作情況。通過(guò)上述仿真結(jié)果可以看出,利用不同工作頻率、不同架設(shè)高度的2部雷達(dá)對(duì)同一低空目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí),通過(guò)雷達(dá)協(xié)同可以有效抑制多路徑效應(yīng)的影響。

6 結(jié)束語(yǔ)

多路徑效應(yīng)一直是困擾雷達(dá)低角跟蹤的難題,本文基于頻率與雷達(dá)架高對(duì)多路徑回波相位的影響,提出了一種雷達(dá)協(xié)同多路徑抑制方法,通過(guò)仿真分析了該方法對(duì)多路徑效應(yīng)抑制的有效性,尤其適用于同平臺(tái)雷達(dá)協(xié)同低角跟蹤。