多路徑效應對偵察測向的影響

史 鑒，鐘 文

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

雷達信號在傳播過程中，會遇到各種物體，經反射、散射、繞射到達接收天線。發射信號沿著多個路徑到達接收端，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延到達接收端，造成接收信號時延擴展和角度擴展[1]。現代海軍對艦載電子設備的功能、性能和互操作性提出了更高要求。當前，由于通信、雷達及電子戰系統融合程度不高，軍艦上電子設備數目隨著功能的增加而增多，甲板和艦橋上天線、電子設備等上層建筑數量越來越多，從而導致雷達偵察測向天線會被遮擋及接收到上層建筑反射的多徑信號等問題。

多徑效應是無線電測向技術誤差分析的難點之一。經過物體反射的電磁波信號與直射電磁波信號頻率相同、調制方式相同，使得傳播方向有很大的變化，經過測向天線接收后，會給測向結果帶來很大的誤差。這種誤差并非測向體制本身的誤差，常見的測向算法如MUSIC算法等也無法消除多徑對測向的影響[2]。

當目標飛行高度較低時，由艦船甲板引起的多徑信號進入雷達偵察設備天線與直達信號在時間和角度上不能分開，產生干涉疊加，造成接收脈沖信號的起伏和角度閃爍誤差，從而影響偵察設備的測向性能。因此，分析由艦船甲板引起的多徑信號對偵察設備測向精度影響是非常有必要的[3]。

本文以被動偵察設備為背景，通過詳細分析多徑效應的產生機理，建立低空偵察條件下艦船甲板反射多徑效應的雷達散射模型，仿真分析了甲板反射回波對偵察設備測向精度的影響；同時仿真分析上層建筑的遮擋對偵察設備測向影響，從而為偵察設備的性能評估和設計提供依據。

1 多徑效應影響分析

分析多路徑效應對雷達偵察設備測向的影響非常重要，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，需根據多路徑效應表面的粗糙程度，選擇鏡面反射或漫反射模型。當偵察設備接收低仰角范圍內的雷達信號時，艦船甲板會反射一部分信號，反射信號與直射信號一起矢量相加后進入偵察接收天線，從而引起測量信號在幅度和相位上的變化，造成測量誤差。根據反射情形的不同，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，而且反射點非常接近該端，此時可以把地球表面視作一個平反射面，即平面反射。如果反射途徑低端和反射點較遠，地球曲率影響已經非常明顯，建立多路徑模型時采用球面反射模型，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，還會產生漫反射。反射類型的判斷根據表面起伏的高度差是否滿足瑞利判據，式(1)即為瑞利判據：

(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；ψi為入射角。

當滿足瑞利判據時，認為反射信號來自反射點附近的第一菲涅爾區，此時主要產生鏡面反射信號[4]。鏡面反射信號與直達回波信號強相關，對接收信號造成干擾。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，偵察設備天線接收的回波除直達波外還有來自地表的反射波，此時的反射波似乎是從來自地表下方目標的鏡像目標輻射到偵察設備天線的，因此稱之為鏡面反射。

圖3 艦船鏡面反射模型示意圖

如圖3所示，Si為入射波，Sd為直達波，Sr為反射波，鏡面反射滿足入射角等于反射角，ψr=ψi，由電磁理論很容易得到偵察設備天線的接收信號為：

S=Sd+Sr=Atf(θt)+ArρDf(θr)

(2)

式中：At為直達信號的幅度；Ar為反射信號的幅度；f(θt)為直達信號方向圖；f(θr)為反射信號方向圖；D為擴散因子，是考慮地球曲率影響的結果。

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

(3)

式中：dr、dt分別為入射點到雷達和目標的垂直投影點的地球表面距離(見圖1)，d=dr+dt；a為地球半徑，a=8 500 km。

由于本文的研究背景中，偵察天線和目標的距離在幾百米到視距范圍內，此時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上建立的。

文獻[4]中給出了鏡面反射模型，天線總的接收信號為：

S=Sd+Sr=Atf(θt)+Arρ0f(θr)

(4)

式中：ρ0為反射系數，對于理想的光滑平坦表面，反射系數為菲涅爾反射系數ρ0，即ρ=ρ0。

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

2 仿真分析

采用如圖4所示的艦船上層建筑模型，偵察設備采用多波束比幅測向體制，反射模型采用鏡面反射模型進行仿真分析，仿真結果如圖5所示。由圖5可以看出：當來波方向為水面方向(俯仰角為0°)時，天線方向圖基本無影響；當來波方向俯仰角為10°時，方向圖開始畸變；隨著俯仰角的增多，畸變越來越嚴重。經分析，造成方向圖畸變是因為俯仰角越大，反射信號越強。方向圖畸變會造成偵察設備測向錯誤、方位多值、靈敏度下降等問題；方向圖畸變越嚴重，則對偵察設備的影響越大。

圖4 艦船仿真模型示意圖

圖5 天線方向圖仿真結果

3 實驗室實測試分析驗證

圖6為某偵察設備實驗室條件下偵收模擬外界雷達信號的視頻信號結果。由圖6可以看出：接收到的視頻波形存在毛刺或發生分裂等現象，最終造成脈寬、方位角等參數的測量錯誤，進而影響偵察設備的性能。經分析，造成圖6所示現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，即多個方位到達的信號幾乎同時到達天線口面，相互疊加，合成的信號波形發生畸變，圖6顯示了觀察到的不同畸變現象。

圖6 實物測量結果圖

為了降低艦艇上層建筑反射對偵察設備測向影響，某設備采用了如圖7所示的場景進行實物仿真。該場景主要模擬在艦艇偵察設備安裝位置周圍涂覆吸波材料。其對比模擬測試的天線方向圖如圖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對偵察設備測向的影響，通常可以采用多源偵察信息融合的方式。

圖7 實物測試現場圖

圖8 實物測試天線方向圖

4 結束語

本文分析了艦船上層建筑反射形成的多徑模型，并通過仿真分析了信號來波俯仰角對多波束比幅測向體制的天線方向圖的影響；最后通過某實際裝備的測試結果，說明了艦船上層建筑對偵察設備的真實影響，并給出了模擬采用涂覆材料情況下仿真測試結果，對艦載雷達偵察設備的安裝及測向結果分析有一定的參考意義。