降低多路徑效應影響的研究

摘 要:多路徑效應是困擾無線電跟蹤系統穩定跟蹤低空目標的主要問題之一。在介紹低空目標多路徑效應形成原理的基礎上，論述了多路徑效應對無線電跟蹤系統造成的影響，進而從雷達跟蹤處理角度出發，對克服多路徑效應的技術措施如雙波束技術、分集技術、跟蹤模式設定、平滑濾波和多站信息融合等進行了研究。利用這些措施可以有效改善跟蹤穩定性，并實現提高低空目標測量精度的目的。

關鍵詞:多路徑效應;雙波束技術;分集技術;平滑濾波;信息融合

中圖分類號:TN911文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)01-015-03

Research on Reducing Influence of Multi-path Effect

YU Zhichun，LI Zhongwei，LU Changhai

(The 92 Element of 91550 Unit，Dalian，116023，China)

Abstract:Multi-path effect is one of the major problems of radio-tracking system to track low-altitude targets stably.The influence of multi-path effect on the tracking system on the basis of introducing the principle of low altitude target′s multi-path effect is analysed.Some methods of dual-beam technology，diversity technology，tracking mode setting，smooth filter and multi-information fusion to reduce the influence are discussed，which can improve the tracking stability and increase the measurement accuracy of low altitude targets.

Keywords:multi-path effect;dual-beam technology;diversity technology;smooth filter;information fusion

0 引 言

無線電跟蹤系統在跟蹤低仰角目標時，由于地面或海面反射波的影響，產生多徑效應，這時接收信號是直接信號和海面反射信號的矢量合，相當于目標和它的像之間發生角閃爍，會導致跟蹤目標精度的降低，甚至天線出現劇烈抖動，跟蹤失效。

低仰角跟蹤技術至今還沒有一種公認的成熟技術，仍然是國內外廣泛感興趣的課題[1-5]。實際上低仰角跟蹤的主要困難在于目標和影像是相關的，并且它們的相對相位只有緩慢的變化。直達波和反射波的路徑相差不大，在海面上，它們僅在俯仰角坐標上是分開的，因此絕大部分誤差出現在仰角跟蹤通道中。在誤差比較嚴重時，雷達中的殘余竄擾可能在方位角通道中引起一些誤差。

1 多路徑效應的原理

單脈沖雷達跟蹤系統是利用天線的和、差方向圖函數來測量目標方向的[2，3]。用ε表示目標相對于天線瞄準軸的偏轉角，設在自由空間天線和波束電壓增益為FΣ(ε)，差波束電壓增益為FΔ(ε)，則經饋源、信道和接收機送給伺服系統的誤差控制信號為Ue(ω)=FΔ(ε)/FΣ(ε)，該信號將控制伺服系統驅動天線向差方向圖為零的方向運動而實現對目標的跟蹤。

在低仰角或負仰角條件下，天線接收的不僅有來自目標的直射波，而且有經地面、海面的鏡面反射波，還有經各種途徑到達天線的漫反射波。一般情況下，地面和海面的反射波中起主要作用的仍是鏡面反射。在接收機中和通道信號對差通道信號歸一化，并經相關檢測后，將同相分量輸出作為伺服的誤差控制信號，表達式為:

Ue(ε)=Re[Δ(ε)/Σ(ε)]

={FΔ(ε)FΣ(ε)+ρ2FΔ(θr+θ-ε)FΣ(θr+θ-ε)+

ρcos φ[FΔ(θr+θ-ε)/FΣ(ε)+

FΔ(ε)/FΣ(θr+θ-ε)]}/[F2Σ(ε)+ρ2FΣ

(θr+θ-ε)+2ρFΣ(ε)FΣ(θr+θ-ε)cos φ](1)

式中:ε為目標相對于天線瞄準軸的偏轉角;θ為天線仰角;θr為地面反射余角;φ為接收點處直射波與地面反射波間的相位差;ρ為地面反射系數的模;FΣ為和波瓣電壓增益;FΔ為差波瓣電壓增益。

2 多路徑效應對跟蹤系統的影響

2.1 多路徑效應引起測角誤差

盡管未計入漫反射分量和天線饋線與接收機噪聲，式(1)不足以準確描述結果，但該式足以說明多徑反射條件下誤差控制信號的組成成份和構成關系。分析此式可以看出，由于多徑反射的存在，即使令天線瞄準軸指向目標(ε=0)，接收機輸出角誤差信號也不為零。欲使角誤差信號為零，必須將天線偏轉一個角度使之與多徑反射信號相抵消，這個偏轉的角就是多徑效應形成的角誤差。

2.2 多路徑效應引起天線抖動

在低仰角條件下，天線A、目標B及地面的關系如圖1所示。

圖1 目標、像和天線視線之間的幾何關系

圖1示出了目標、像和天線視線之間的幾何關系。圖中:T表示目標;I表示目標的像。幾何參數的意義解釋如下:θγ為目標的俯仰角;ha為天線高度;ht為目標高度;γ為天線視角的擦地角;R為天線和目標在地面的投影間距離;φ為接收點處直射波與地面反射波間的相位差:φ=(2π×2haht)/(λ×R)+φ0。其中，φ0是地面反射系數的相角。

通過對式(1)進行分析可以發現，分子的第3項ρcos φ[FΔ(θr+θ-ε)/FΣ(ε)+FΔ(ε)/FΣ(θr+θ-ε)]不僅取決于天線波束及其指向、反射性質，而且還取決于直射波和反射波的相位差。所以角誤差控制信號與φ是緊密相關的，即目標運動過程中隨著ht和R的變化，φ將連續，且迅速地變化，這一項將形成天線仰角方向的劇烈抖動，引起天線跟蹤軸大幅度擺動，嚴重時將導致目標丟失。

2.3 多徑效應引起信號衰落

多徑效應使得在天線接收點處的直射波與地面或海面反射波之間存在相位差，相位差越大，和差信號的衰落越大。當天線處于負仰角工作狀態時，直射信號和鏡像反射信號的強度基本上是同量級的，較強的鏡面反射信號可能完全抑制通道中的直射信號，信號衰落十分嚴重。

2.4 受多徑效應影響的仰角區域劃分

根據多徑反射引起信號起伏的程度和跟蹤測角誤差的大小，將受多徑效應影響仰角的范圍分為旁瓣反射區、主瓣反射區和不穩定跟蹤區。

(1) 旁瓣反射區，即地面反射只進入天線波束旁瓣的仰角區域，這是多徑反射對跟蹤有影響，但影響較小的區域。

(2) 主瓣反射區，該區域內多徑反射進入天線主瓣，因而信號較強，它既影響差方向信號，也影響和方向信號。多徑效應的影響不能只用Δ/Σ曲線中線性段來估計，而必須考慮反射對和波束、差波束的向量關系并綜合求解。

(3) 不穩定跟蹤區，在這個區域內目標和鏡像相對于觀察點的張角很小，兩者實際構成了密不可分的二元目標。目標直射信號和鏡像反射信號的強度是等量級的，因而信號起伏嚴重。如果地面反射系數較小，若ρ<0.5，二元目標的視在角將繞實際目標位置上下波動;若ρ> 0.5，對大多數相對相位而言，目標視角仍停留在二元目標“中心”附近，但若相對相位接近180°，則信號衰減嚴重，視在角可能出現跳變，仰角或上跳至(1+ρ)θ/(1-ρ)或下跳至-(1+ρ)θ/(1-ρ)。在任何情況下，都可能使跟蹤失敗而丟失目標。

3 解決多徑效應影響的技術措施

歸納起來，減小多徑效應影響的技術途徑主要有三類方式[3-11]:第一類是防止多徑信號進入天線，這種方法所采用的主要手段有天線窄波束、雙零點及空域濾波等;第二類是設法消除多徑信號的影響，主要有斜視和雙波束技術、空間平滑、分集接收、多站信息融合等;第三類是設法估計出目標參數。

在這三類方法中，第一類方法最為直接，然而它常受特點雷達的限制。要獲得天線窄波束，只能靠提高工作頻率或加大天線口徑，然而這兩條途徑都受雷達探測距離和天線尺寸的限制，因此這里僅對后兩種方法的幾種技術進行重點介紹。

3.1 雙波束技術

雷達天線在俯仰角方向采用偏焦雙波束，兩波束形狀相同，且滿足如下條件:

(1) 兩偏焦饋源之間間距較小，以至從目標或像的回波到達兩饋源有幾乎相同的相位差。

(2) 采用窄的俯仰波束且目標和像都處于主波束內，這對于低高度目標是容易滿足的。

(3) 俯仰軸視線指向目標和它的像的中點，視線軸指向角可通過目標的斜距和天線的高度計算得到。

由圖1可得如下幾何關系:

ht=ha+Rtan θγ=ha+Rtan (θγ-γ)

=ha+Rtanθγ-tan-1(ha/R)(2)

由式(2)可知，當目標的斜距R被測以后，未知量只有θγ。θγ可以通過測量兩波束輸出電壓V1和V2與它們之間的相角得到，最后可采用搜索法求解目標的高度。

3.2 分集技術

地面反射波對跟蹤系統的影響主要表現在俯仰支路。改善低仰角跟蹤性能常用的一種方法是分集技術[5]，主要有頻率分集接收、不同高度天線分集接收、信號極化分集合成接收方法。

低仰角測量誤差與雷達的工作波長有關，可以采用多個工作點頻。對每個點頻，可以獲得一組目標的角度估值，通過多個點頻測得的角度值乘以適當的加權系數聯合求得比簡單平均法更接近角度真值的估值。

由于多經效應的存在，跟蹤接收機接收到的信號電平有很大的起伏，采用雙通道接收機接收兩種相互正交的極化分量，然后進行合成，提高了信噪比，能有效地減少由于多經效應引起的信號衰落。

3.3 多路徑影響下低空目標跟蹤模式設定

采取方位與俯仰兩個角支路既可以同時閉環跟蹤，也可以單軸獨立跟蹤;仰角支路既可以閉環跟蹤，也可以引導跟蹤的方案，當本站多路徑影響嚴重時，方位自動跟蹤而仰角處于引導狀態，渡過盲區后再轉入閉環跟蹤。

3.4 平滑濾波

由誤差表示式可知，角抖動誤差含因子cos φ，雷達站址一定時，φ值隨目標距離r、高度ht變化，對運動目標而言，亦即隨時間變化，因而對送往伺服的誤差信號作適當的時間平滑，即可減小其影響。單從減小高頻抖動誤差考慮，希望平滑周期大于天線抖動周期。但實際上天線抖動周期是隨目標距離r、高度ht變化的，當r較小時，角抖動頻率較高;而當r很大，目標接近水平方向時，角抖動頻率較低。目標高度不同，仰角抖動情況的差別很大，因此要想使平滑周期在任何條件下都大，對于天線角抖動周期是難于實現的。盡管如此，實踐表明平滑濾波仍然可以明顯改善天線的抖動。

3.5 多站信息融合

測量誤差取決于天線波束指向與目標的幾何關系以及地面的反射特性，而與目標運動狀態無關，所以對數據本身作平滑濾波等處理是不能減小多路徑影響的。

在多雷達聯合使用情況下各信息源是不相關的，因此對這些信息進行加權最小二乘處理就可在統計意義上減小多路徑影響形成的偏差[3，10，11]。首先將采集到的經過平滑濾波的多源信息進行時間對準、坐標變換，然后進行數據融合，得到目標視在角估值，送給天線伺服系統，確保天線運行在目標視角估值位置上。因此，天線將對準目標運動，從而達到平穩準確跟蹤目標的目的。所以在多個雷達站組網情況下，對兩兩俯仰角測量值進行加權最小二乘處理，以形成1個融合值，作為其他測站俯仰角的引導信息，可減小多路徑效應帶來的影響。

4 結 語

多路徑效應會嚴重影響跟蹤系統對目標的跟蹤精度及穩定性。本文在介紹低空目標多路徑效應形成原理的基礎上，論述了多路徑效應對無線電跟蹤系統造成的影響，進而對降低多徑效應影響的技術措施進行了分析探討，利用這些技術手段能夠達到有效減少多徑效應引起的天線抖動、測角誤差的目的，從而確保無線電跟蹤系統對低空目標的平穩跟蹤。

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