雷達多路徑干擾問題的探討

中國民用航空華東地區空中交通管理局　彭逸飛

雷達多路徑干擾問題的探討

中國民用航空華東地區空中交通管理局彭逸飛

本論文主要討論了二次雷達的多路徑問題的形成原理和影響，分別從不同類型反射面進行狀況分析，對多徑問題給二次雷達造成的干擾進行深入了解。

多路徑；路程差；水平夾角

1　多路徑的概念與分類

1.1 多路徑的概念

多路徑是指發射機和接收機之間存在不止一條的發射機和接收機信號路徑。多路徑是影響和限制二次雷達達到其理論探測性能的主要因素。在這些信號路徑中，只有一條是發射機和接收機之間的直達路徑，除此之外還存在其他路徑，比如由于水面、建筑物和山脈之類反射形成的信號路徑。由于二次雷達均使用短脈沖串，直射信號與反射信號在時間上形成交錯或完全分開，其時間差會改變應答脈沖的視在數目，從而導致解碼錯誤或錯誤地檢測為存在多架飛機。多路徑還會伴隨著信號的衰減。

1.2多路徑的分類

多路徑問題中，直射路徑和反射路徑間的關系有多種情況，從直射方向與反射方向的方位間隔來區分，大概可分為3類：

1）水平地面或水面反射信號與直射信號位于同一垂直平面。2）由于反射面的原因使反射信號與直射信號有一個小水平夾角θ，但仍可在同一個波束駐留時間內檢測。

3）反射信號與直射信號之間有較大的水平夾角θ，不可在同一個波束駐留時間內檢測。

而在這3類情況中，又會因為反射角度產生的反射路徑與直射路徑之間路徑差的大小造成不同的信號到達時間間隔，從而出現兩種不同情況：

1）直射路徑和反射路徑的路徑差太小，以至于兩條路徑的同一個脈沖到達時幾乎完全重疊。

2）直射路徑和反射路徑的路徑差不夠小，兩個路徑的同一個脈沖到達時部分重疊或不重疊。

1.3同一垂直平面內的多路徑信號

1）直射路徑和反射路徑的路徑差為小路程差

小路程差使直射信號和反射信號幾乎完全重疊，經由兩種路徑返回天線的射頻能量根據它們的相位關系相加或相減，產生合成信號。當兩者趨向于同相時，合成信號會加強；當兩者趨向于反相，它們會相互抵消形成一個削弱的信號。結果是，在同相區域的信號增強，而在削弱區域的信號會衰減。飛行器穿越衰減區時，信號會變弱甚至中斷。

在實際使用中，有些雷達使用的全向單獨天線輻射控制脈沖P2。當此獨立天線與主天線安裝高度不同時，會使P1P3與P2脈沖波瓣最小值位置不同，打破P1P2間的平衡，影響副瓣抑制特性，即詢問機的詢問脈沖在傳輸過程中被多徑改變脈沖間隔幅度比，P1，P2的脈沖幅度會有所變化。極端情況下甚至會出現低幅度P1完全被P2所抑制的應答機完全抑制區和低幅度P2無法抑制某些副瓣的情況，分別稱之為“主波束抑制”和“副瓣穿通”現象。

2）直射路徑和反射路徑的路徑差為大路程差

由于大路程差的直射脈沖與反射脈沖的重疊非常少，雷達從返回脈沖的起始25%到50%端就可測出其幅度和方向。因此，大路程差的回波脈沖在測量區域不會失真。

但相對的，當直射路徑和反射路徑時間差等于1.45μs時（應答連續脈沖的間隔），若不謹慎對應答信號解碼，應答編碼的波形可能改變，從而改變飛機的識別碼或高度碼。

1.4小水平夾角間的多路徑信號

1）直射路徑和反射路徑的路徑差為小路程差

如果直射信號和反射信號的路程差小到二者信號幾乎完全重疊，多路徑的結果使實際波束產生嚴重失真，而且詢問和應答路徑均會帶來明顯的失真。

2）直射路徑和反射路徑的路徑差為大路程差

與信號位于相同垂直平面的結果類似，當直射路徑和反射路徑時間差等于1.45μs時，會導致應答波束的波束改變，增加信號解碼的難度。同樣，定向誤差也依然存在。

1.5大水平夾角間的多路徑信號

無論水平路徑的大小如何，大水平夾角多路徑的主要影響是由于雷達信號受到建筑等物體的鏡面反射而產生飛行器的鏡像，即我們常說的雷達假目標。這種情況常見于城市與山脈。雷達與假目標的距離為反射路徑的距離，假目標分為詢問信號反射和應答信號反射兩種情況。

如果詢問機的詢問信號受到反射面反射又被真目標的應答機接收到，而反射信號恰巧在主瓣范圍內不受抑制，那么反射信號可能引起應答機的應答。應答信號經過直路徑到達雷達后，產生假目標。他與真目標方位角相同，但距離更遠。這被歸類于同步干擾的一種情況。

如果應答機的應答信號受到反射面反射又被雷達接收，那么會產生一個方位角和距離均不同的假目標，真目標與假目標以反射面為中線對稱。

相較之下，應答信號反射比詢問信號反射常見得多，因此多數假目標與真目標并不在同一個方位角上。

2　多路徑現象的抑制

2.1綜述

多路徑問題是影響和限制二次雷達達到其理論探測性能的主要因素之一。對應不同的反射現象，我們需要采取不同的措施來削弱甚至消除其對雷達所造成的影響，措施包括考察雷達的選址、選擇合適的天線高度和STC控制曲線。

2.2雷達的選址與天線高度角度的選擇

可以說，除開市政部門規劃的因素，雷達的地基選址是以減少雷達信號反射影響和信號干擾為首要目標的。根據《航空無線電導航臺和空中交通管制雷達站設置場地規范》規定：空管二次雷達的場地應開闊、地勢較高、四周無嚴重的地形地物遮擋，并可獲得足夠的高、中、低空覆蓋。以空管二次雷達天線為中心，半徑450m的范圍內，不應有金屬建筑物、密集的居民樓、高壓輸電線等；半徑800m的范圍內，不應有能產生有源干擾的電氣設施（如氣象雷達、高頻爐等）；在平原地區，為發揮設備最好效能，雷達站場地周圍最好無高大植物和高建筑物。也可選在堅固建筑物頂上。在山區，應選地勢較高、周圍無嚴重遮擋的山頂，作為設備場地。

天線高度和角度的選擇則更為復雜。除了天線高度必須超越本地障礙物視線外，還需參考由雷達波束地面反射公式所推出的地面反射威力圖。在波束疊加削弱之中取舍，選取最適中的高度和角度，浦東雷神與Thales雷達都是大垂直口徑天線（LVA）。

2.3STC控制曲線

STC即靈敏度時間控制，是作用于接收機的一種技術，是指采用對不同距離上不同強度的信號進行控制的方法來擴大接收機的動態范圍。接收機靈敏度是指整個雷達能夠正常工作時的最小輸入信號功率，是接收機的主要技術指標之一。接收機動態范圍是指接收機不過載時輸入信號允許的最大變化范圍。由于接收機的增益較高，內部的有源器件存在非線性，當輸入信號較強時這些有源器件就要趨近于飽和并使接收機過載。飽和過載會產生方位測量誤差等不良影響，STC以擴大改善接收機動態范圍的方式來避免接收機過載。STC控制圖也是我們對抗多路徑反射現象的重要手段，絕大部分雷達系統均使用STC曲線控制。

由多路徑反射的原理可知，多路徑現象與雷達站周圍環境的影響密不可分，雷達站周圍的環境自然不會完全一致。這造成了雷達覆蓋范圍中各個角度的情況各不相同，加之反射物的偶然性，采用單一的線性STC曲線統一控制自然不合適。這種情況我們需要用到STC曲線的變種：可編程STC曲線。

可編程STC曲線可以細分雷達覆蓋范圍的各部分，將360°觀測區域劃分為若干個方位扇區，再按距離劃分間隔，形成多個方位-距離單元（BOX）。每個扇區保持理論的衰減規律，再根據要求在不同距離上具有彈性地采用不同的STC曲線進行控制。針對不同情況采用相應的門限，既最大限度地抑制了多路徑反射，又可以盡量保留雷達信號衰減區的信號而不丟失目標。浦東Raytheon一二次合裝雷達就采用STC曲線控制來抑制多路徑反射影響，它的STC控制作用于圖2.3.2中所示的中放部分。它的可編程STC可以將雷達覆蓋范圍分32個扇區，每個扇區分為16格，即512個BOX。

2.4TVBC曲線

法國Thales雷達采用TVBC曲線來代替STC。TVBC（Time Varied Base Clipping）為RSM970S內置系統，作用于應答處理機MRP。同STC原理類似，它能濾除那些近距離范圍內強度太低的回波信號，保留那些幅度超過門限電平的脈沖，從而有效地排除雜波干擾和鏡像目標。按照電磁波在空間的傳播損耗（1/R*R），TVBC曲線按每倍程6dB衰減，共有12條TVBC曲線可供按照本場環境條件精確調節，支持雷達操作者在現場編程生成曲線。它可以將雷達覆蓋區分為32個扇區進行分別的曲線調整。

3　總結

二次雷達的多路徑反射和干擾一直是雷達運行過程中的最大外部影響。浦東雷達室擁有的雷神一二次合裝雷達運行年份已經超過10年，Thales二次雷達也已久經風雨。如今新雷達站已經定基，靠近浦東海邊。水面是多路徑問題比較嚴重的一種地況。這將是對我們能力的一個重大挑戰。

相較二次雷達來說，一次雷達的多路徑問題因為其發射波與回波同頻率的原因而顯得更難解決。雖然如今使用一次雷達的次數已經不多，但還是需要對其認真鉆研。

［1］雷神CodorMk2二次雷達系統手冊［Z］.北京.民航總局空中交通管理局雷達導航處，2000.04.

［2］張尉.二次雷達原理［M］.北京.國防工業出版社，2009.05.

［3］MSSR CHINA RSM 970 S technical documentation.Thales.