雷達測高精度影響因素及改善策略分析

徐其貴 南京電子技術研究所

1 雷達測高基本原理分析

雷達系統(tǒng)根據(jù)其用途、原理、工作波長等屬性的不同可以分成多種類型，典型的雷達系統(tǒng)包括天饋線、發(fā)射、接收、信號處理、雷控、數(shù)據(jù)處理與顯示等。雷達首先向空間發(fā)射電磁波，遇到目標后部分返回接收機，經(jīng)信號處理后計算出目標的空間位置。雷達測高的過程主要包含仰角測量和高度計算等兩個步驟。

圖1 仰角測量信號處理流程

如圖1 所示，接收到目標信號后，由多通道進行采樣并進行脈壓、對消、檢測等鄧處理，然后各通道產(chǎn)生的I/Q 值兩兩進行比幅測角，得到多個角度值，再經(jīng)過加權平均后輸出最終計算角度。

波位內(nèi)仰角分兩路進行修正后進行加權平均，通過目標仰角對目標的高度進行估計，然后與歷史信息綜合后對高度進行濾波處理，得到目標的計算高度。同時將該高度存儲起來，作為后續(xù)高度計算的參考。

2 雷達測高精度影響因素分析

2.1 裝備技術狀態(tài)

2.1.1 T/R 組件幅相一致性

T/R 組件是雷達的前端組件之一，該組件的幅相一致性對于目標高度的測量有重要影響，因而一般作為陣面分系統(tǒng)的必要指標之一。在組件技術狀態(tài)不佳的情況下，例如元件老化、電路故障、硬件損壞等等，其接收波束會出現(xiàn)變形失真問題；如果T/R 組件設計參數(shù)出現(xiàn)較大誤差，或空間覆蓋不充分，也會影響幅相一致性，從而影響目標高度的測量精度。

2.1.2 接收通道幅度一致性

接收通道是雷達通道接收機的重要組成部分，它在信號的接收、放大、混頻、采集等處理環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要作用，其輸出的信號將作為信息處理系統(tǒng)的輸入，成為高度測量的關鍵數(shù)據(jù)。在接收機的接收通道中，通道數(shù)和波束有著一一對應的關系。顯然，如果接收通道出現(xiàn)故障，高度的測量自然會出現(xiàn)較大誤差，甚至無法測量。接收通道幅度一致性是評價接收機質量的重要指標，如果各通道的幅度有較大差異，那么這種差異就會轉化為測量的誤差。這種差異一般來源于器件本身的性能以及生產(chǎn)裝配過程中的質量。如果雷達在使用前沒有進行校準，由于接收通道幅度不一致造成的誤差會更顯著。

2.1.3 天線車水平度

在大地坐標系中，雷達波束的指向通常由陣面傾角和波束掃描角兩部分來描述，而這兩個角度都與天線車的水平度有直接的關系。如果天線車水平度不滿足要求，就會造成俯仰角測量精度的誤差，該誤差會通過計算公式傳遞到目標高度的計算結果上，從而影響目標高度測量精度。天線車水平度的偏差通常與調(diào)平腿架設不當、天線車地基運動等因素有關。

2.2 外界環(huán)境影響

2.2.1 遮蔽角

遮蔽角對雷達測高的精度有一定的影響。以S 波段雷達測量過程為例，在低仰角的狀態(tài)下會產(chǎn)生一定的反射信號，盡管反射信號對測量信號的干擾比P 波段雷達要小得多，但仍然不可忽略。所以在此情況下一般不對仰角低于0.3 度的目標測量提出強制性的精度要求。雷達對仰角低于0.3°的目標沒有測高精度的要求。若陣地遮蔽角較大，假設為0.5°，對仰角0.8°的目標與遮蔽角為0°時仰角0.3°的目標測高精度相當。因此考慮遮蔽角的影響是必要的。

2.2.2 電磁干擾

雷達設備是一種精度電子系統(tǒng)，對電磁干擾十分敏感，盡管有著一些抗干擾設計，但仍然會對測量精度造成影響。電磁干擾的水平用信干噪比來表征，信干噪比高時可以取得較好的精度，反之則會造成測量精度下降。當電磁干擾強度大于雷達本身的噪聲基底時，目標信干噪比就會急劇下降，測高精度隨之下降。

2.2.3 地物雜波

雷達信號對地物雜波較敏感，尤其是對附近空間的地物雜波。一般來說，對于100km 范圍內(nèi)的強地海雜波區(qū)內(nèi)，地海雜波剩余對雷達測高精度有較大的影響，使測量結果產(chǎn)生跳變，從而不能取得穩(wěn)定而精確的測量結果。

2.3 目標空間位置

雷達系統(tǒng)對于不同方位、不同距離的目標，其測高精度是不一樣的。一般來說，目標仰角過低會影響測高精度，當目標仰角較高時可以取得較好的測高精度，然而即使目標仰角較高，如果距離較遠，也難以取得理想的精度。在雷達威力覆蓋范圍內(nèi)，可以將測量精度分為七個區(qū)域，其中Ⅰ類區(qū)為高精度區(qū)，目標仰角較大，且距離在覆蓋范圍的附近區(qū)域；Ⅱ類和Ⅲ類區(qū)屬于中精度區(qū)域，其目標仰角也較大，但距離比Ⅰ類區(qū)稍遠；Ⅳ類和Ⅴ類區(qū)也是中精度區(qū)，目標距離適中，但仰角偏小；Ⅵ類和Ⅶ類區(qū)域屬于低精度區(qū)，一般屬于近距離強地海雜波區(qū)，或者雷達覆蓋的邊緣區(qū)域，其測量值置信度較低，通常僅用于參考。

3 雷達測高精度改善策略

3.1 提高雷達設計水平

雷達本身的性能是影響測高精度的最重要因素，在同樣的條件下，高性能的雷達精度自然比低性能雷達要好，因此提高雷達設計水平至關重要。在雷達設計階段，應綜合分析探測距離、探測高度、精度范圍等多方面的影響，并重視對誤差的修正。首先，雷達系統(tǒng)本身要對異常的測量結果有一個較準確的判斷，對于精度誤差過大的應判為測量失敗，不要輸出測量結果；其次，要細化高度修正方案，為不同角度、不同距離和高度的測量區(qū)域提供相應的修正參數(shù)供用戶選擇；再次，設計雷達時應考慮自校正模塊，雷達定期進行自檢并對各通道進行自動校正，如精度超出預設值，應及時提醒用戶；最后，要充分運用大數(shù)據(jù)和人工智能等先進算法，使得傳統(tǒng)的點跡過濾及航跡濾波等算法更加智能化。

3.2 優(yōu)化架設陣地選址

前面已經(jīng)分析了環(huán)境因素對雷達測量精度的影響，這就要求在雷達選址和架設過程中要充分考慮陣地及其周邊的條件，例如地理位置、周邊環(huán)境、架設高度等等。在陣地選址過程中，首先要考慮陣地遮蔽角的影響，要將遮蔽角的影響降到最低，而且要對周邊電磁環(huán)境進行實地調(diào)查和測試，不能將雷達架設在電磁環(huán)境過于復雜的區(qū)域；其次，在陣地建設和維護時，要把附近的高大樹木等遮蔽物清除干凈，同時不能在測量空間內(nèi)安裝通信基站或變電站等可能造成干擾的設施；對于多雷達測量系統(tǒng)的部署，應使雷達系統(tǒng)之間保持足夠的距離，避免造成嚴重的近區(qū)遮蔽；最后，雷達在安裝調(diào)試過程中，必須由專業(yè)技術人員進行調(diào)試和校準，設置好必要的參數(shù)，保證使用時的精度。

3.3 提升操作人員技能

雷達系統(tǒng)作為一種高科技產(chǎn)品，要求操作人員對其原理有深入的了解，并具備一定的故障分析能力和電路維修能力。在平時要多加訓練并總結經(jīng)驗，提升綜合素養(yǎng)。雷達要進行必要的日常維護，定期開展檢修，及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。在使用過程中一定要按照規(guī)范操作，禁止違規(guī)操作。

4 結語

雷達作為一種高科技產(chǎn)品，目前已經(jīng)廣泛應用于各種領域，雷達的測量精度是衡量雷達性能的最關鍵指標，因此對雷達精度影響因素及改善策略的相關研究，仍將成為未來雷達設計和應用領域的焦點。無論是雷達的設計者還是使用者，都應該努力從各方面提高雷達的測量精度，提升設計和應用水平。