史 鑒，鐘 文

(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

雷達(dá)信號(hào)在傳播過(guò)程中，會(huì)遇到各種物體，經(jīng)反射、散射、繞射到達(dá)接收天線(xiàn)。發(fā)射信號(hào)沿著多個(gè)路徑到達(dá)接收端，不同的傳播路徑分量具有不同的幅度和相位，且以不同的入射角度和傳播時(shí)延到達(dá)接收端，造成接收信號(hào)時(shí)延擴(kuò)展和角度擴(kuò)展[1]?，F(xiàn)代海軍對(duì)艦載電子設(shè)備的功能、性能和互操作性提出了更高要求。當(dāng)前，由于通信、雷達(dá)及電子戰(zhàn)系統(tǒng)融合程度不高，軍艦上電子設(shè)備數(shù)目隨著功能的增加而增多，甲板和艦橋上天線(xiàn)、電子設(shè)備等上層建筑數(shù)量越來(lái)越多，從而導(dǎo)致雷達(dá)偵察測(cè)向天線(xiàn)會(huì)被遮擋及接收到上層建筑反射的多徑信號(hào)等問(wèn)題。

多徑效應(yīng)是無(wú)線(xiàn)電測(cè)向技術(shù)誤差分析的難點(diǎn)之一。經(jīng)過(guò)物體反射的電磁波信號(hào)與直射電磁波信號(hào)頻率相同、調(diào)制方式相同，使得傳播方向有很大的變化，經(jīng)過(guò)測(cè)向天線(xiàn)接收后，會(huì)給測(cè)向結(jié)果帶來(lái)很大的誤差。這種誤差并非測(cè)向體制本身的誤差，常見(jiàn)的測(cè)向算法如MUSIC算法等也無(wú)法消除多徑對(duì)測(cè)向的影響[2]。

當(dāng)目標(biāo)飛行高度較低時(shí)，由艦船甲板引起的多徑信號(hào)進(jìn)入雷達(dá)偵察設(shè)備天線(xiàn)與直達(dá)信號(hào)在時(shí)間和角度上不能分開(kāi)，產(chǎn)生干涉疊加，造成接收脈沖信號(hào)的起伏和角度閃爍誤差，從而影響偵察設(shè)備的測(cè)向性能。因此，分析由艦船甲板引起的多徑信號(hào)對(duì)偵察設(shè)備測(cè)向精度影響是非常有必要的[3]。

本文以被動(dòng)偵察設(shè)備為背景，通過(guò)詳細(xì)分析多徑效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，建立低空偵察條件下艦船甲板反射多徑效應(yīng)的雷達(dá)散射模型，仿真分析了甲板反射回波對(duì)偵察設(shè)備測(cè)向精度的影響；同時(shí)仿真分析上層建筑的遮擋對(duì)偵察設(shè)備測(cè)向影響，從而為偵察設(shè)備的性能評(píng)估和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 多徑效應(yīng)影響分析

分析多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)偵察設(shè)備測(cè)向的影響非常重要，選擇合適的多路徑模型是分析多路徑影響和抑制多路徑的基礎(chǔ)，需根據(jù)多路徑效應(yīng)表面的粗糙程度，選擇鏡面反射或漫反射模型。當(dāng)偵察設(shè)備接收低仰角范圍內(nèi)的雷達(dá)信號(hào)時(shí)，艦船甲板會(huì)反射一部分信號(hào)，反射信號(hào)與直射信號(hào)一起矢量相加后進(jìn)入偵察接收天線(xiàn)，從而引起測(cè)量信號(hào)在幅度和相位上的變化，造成測(cè)量誤差。根據(jù)反射情形的不同，可以將反射分為平面反射和球面反射。如果傳播途徑的一端較低，而且反射點(diǎn)非常接近該端，此時(shí)可以把地球表面視作一個(gè)平反射面，即平面反射。如果反射途徑低端和反射點(diǎn)較遠(yuǎn)，地球曲率影響已經(jīng)非常明顯，建立多路徑模型時(shí)采用球面反射模型，具體示意圖如圖1和圖2所示。

圖2 平面多路徑模型

按照反射表面起伏不平的程度，表面可分為平滑表面和粗糙表面。在光滑平坦的表面，表面反射主要為鏡面反射，在粗糙不平的表面上，還會(huì)產(chǎn)生漫反射。反射類(lèi)型的判斷根據(jù)表面起伏的高度差是否滿(mǎn)足瑞利判據(jù)，式(1)即為瑞利判據(jù)：

(1)

式中：Δh為反射表面起伏高度的均方根；λ為入射波的波長(zhǎng)；ψi為入射角。

當(dāng)滿(mǎn)足瑞利判據(jù)時(shí)，認(rèn)為反射信號(hào)來(lái)自反射點(diǎn)附近的第一菲涅爾區(qū)，此時(shí)主要產(chǎn)生鏡面反射信號(hào)[4]。鏡面反射信號(hào)與直達(dá)回波信號(hào)強(qiáng)相關(guān)，對(duì)接收信號(hào)造成干擾。圖3為艦船上層建筑鏡面反射模型示意圖，反射面為光滑的表面，偵察設(shè)備天線(xiàn)接收的回波除直達(dá)波外還有來(lái)自地表的反射波，此時(shí)的反射波似乎是從來(lái)自地表下方目標(biāo)的鏡像目標(biāo)輻射到偵察設(shè)備天線(xiàn)的，因此稱(chēng)之為鏡面反射。

圖3 艦船鏡面反射模型示意圖

如圖3所示，Si為入射波，Sd為直達(dá)波，Sr為反射波，鏡面反射滿(mǎn)足入射角等于反射角，ψr=ψi，由電磁理論很容易得到偵察設(shè)備天線(xiàn)的接收信號(hào)為：

S=Sd+Sr=Atf(θt)+ArρDf(θr)

(2)

式中：At為直達(dá)信號(hào)的幅度；Ar為反射信號(hào)的幅度；f(θt)為直達(dá)信號(hào)方向圖；f(θr)為反射信號(hào)方向圖；D為擴(kuò)散因子，是考慮地球曲率影響的結(jié)果。

反射波照到凸起的地球表面會(huì)引起擴(kuò)散，使得電磁波能量密度衰減。擴(kuò)散因子的值由下式給出：

(3)

式中：dr、dt分別為入射點(diǎn)到雷達(dá)和目標(biāo)的垂直投影點(diǎn)的地球表面距離(見(jiàn)圖1)，d=dr+dt；a為地球半徑，a=8 500 km。

由于本文的研究背景中，偵察天線(xiàn)和目標(biāo)的距離在幾百米到視距范圍內(nèi)，此時(shí)地球曲率的影響很小，D≈1，可用平面反射模型近似，因此本文的模型均是在平面反射模型基礎(chǔ)上建立的。

文獻(xiàn)[4]中給出了鏡面反射模型，天線(xiàn)總的接收信號(hào)為：

S=Sd+Sr=Atf(θt)+Arρ0f(θr)

(4)

式中：ρ0為反射系數(shù)，對(duì)于理想的光滑平坦表面，反射系數(shù)為菲涅爾反射系數(shù)ρ0，即ρ=ρ0。

可以通過(guò)菲涅爾方程用雷達(dá)工作頻率、入射余角ψi和極化形式得到ρ0，文獻(xiàn)[5]給出了ρ0不同極化形式下的表達(dá)式。

2 仿真分析

采用如圖4所示的艦船上層建筑模型，偵察設(shè)備采用多波束比幅測(cè)向體制，反射模型采用鏡面反射模型進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出：當(dāng)來(lái)波方向?yàn)樗娣较?俯仰角為0°)時(shí)，天線(xiàn)方向圖基本無(wú)影響；當(dāng)來(lái)波方向俯仰角為10°時(shí)，方向圖開(kāi)始畸變；隨著俯仰角的增多，畸變?cè)絹?lái)越嚴(yán)重。經(jīng)分析，造成方向圖畸變是因?yàn)楦┭鼋窃酱?，反射信?hào)越強(qiáng)。方向圖畸變會(huì)造成偵察設(shè)備測(cè)向錯(cuò)誤、方位多值、靈敏度下降等問(wèn)題；方向圖畸變?cè)絿?yán)重，則對(duì)偵察設(shè)備的影響越大。

圖4 艦船仿真模型示意圖

圖5 天線(xiàn)方向圖仿真結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)試分析驗(yàn)證

圖6為某偵察設(shè)備實(shí)驗(yàn)室條件下偵收模擬外界雷達(dá)信號(hào)的視頻信號(hào)結(jié)果。由圖6可以看出：接收到的視頻波形存在毛刺或發(fā)生分裂等現(xiàn)象，最終造成脈寬、方位角等參數(shù)的測(cè)量錯(cuò)誤，進(jìn)而影響偵察設(shè)備的性能。經(jīng)分析，造成圖6所示現(xiàn)象的原因有搭建的模擬艦船上層建筑反射、地面反射等原因，即多個(gè)方位到達(dá)的信號(hào)幾乎同時(shí)到達(dá)天線(xiàn)口面，相互疊加，合成的信號(hào)波形發(fā)生畸變，圖6顯示了觀(guān)察到的不同畸變現(xiàn)象。

圖6 實(shí)物測(cè)量結(jié)果圖

為了降低艦艇上層建筑反射對(duì)偵察設(shè)備測(cè)向影響，某設(shè)備采用了如圖7所示的場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)物仿真。該場(chǎng)景主要模擬在艦艇偵察設(shè)備安裝位置周?chē)扛参ú牧?。其?duì)比模擬測(cè)試的天線(xiàn)方向圖如圖8所示，由圖8可以看出，涂覆吸波材料后方向圖可以明顯改善。為了降低多路徑效應(yīng)對(duì)偵察設(shè)備測(cè)向的影響，通?？梢圆捎枚嘣磦刹煨畔⑷诤系姆绞?。

圖7 實(shí)物測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

圖8 實(shí)物測(cè)試天線(xiàn)方向圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了艦船上層建筑反射形成的多徑模型，并通過(guò)仿真分析了信號(hào)來(lái)波俯仰角對(duì)多波束比幅測(cè)向體制的天線(xiàn)方向圖的影響；最后通過(guò)某實(shí)際裝備的測(cè)試結(jié)果，說(shuō)明了艦船上層建筑對(duì)偵察設(shè)備的真實(shí)影響，并給出了模擬采用涂覆材料情況下仿真測(cè)試結(jié)果，對(duì)艦載雷達(dá)偵察設(shè)備的安裝及測(cè)向結(jié)果分析有一定的參考意義。