多徑反射對海面目標探測影響分析及其解決措施

2020-12-25 06:47:48馬曉靜劉方正劉育才韓振中

雷達與對抗 2020年2期

馬曉靜，劉方正，劉育才，韓振中

(1.國防科技大學電子對抗學院，合肥 230037；2.中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

岸基對海監視雷達是實現對沿岸附近海面、空中態勢進行全天時、全天候監控的重要手段。世界各國為加強海防預警能力和提高海防實力大力發展海岸警戒雷達。對海監視雷達一般工作于較高的頻段，在S、C、X波段或更高頻段；以較小的尺寸、質量獲得良好的方位分辨性能；架設于海岸線附近高山，以增加雷達通視距離，擴大探測范圍。由于電磁波的多徑反射特性，雷達架高后會引起雷達俯仰波束分裂，從而導致空域覆蓋不連續的問題。

本文就不同頻段電磁波海面反射特性以及海面反射對方向圖傳播因子的影響等問題進行分析，對不同工作頻率、不同架設高度條件下雷達實際探測范圍進行仿真，分析其存在的問題并提出解決思路。

1 海面反射傳播因子的影響

海面反射的影響可以通過方向圖傳播因子來表達。方向圖傳播因子F定義為“當發射波束指向給定點時，規定條件下在給定點的電場幅度與在自由空間時的電場幅度之比”，在雷達中一般用F的4次方描述雙向功率比。由表面反射引起的干涉方向圖傳播因子為

Fi=|f(θt)+f(-ψ)ρexp(-jα)|

(1)

其中，f(θ)為天線的電壓方向圖，相對于軸向增益；ρ為反射系數的幅值；θt為目標仰角，在平坦地面條件下：

(2)

其中，ψ為掠射角，在平坦地面條件下：

(3)

式(1)中α為反射波的相位，由下式給出：

(4)

一般情況下，為了不用一個特定天線方向圖描述傳播效應，假設直達波和反射波路徑上f(θ)基本相等，傳播因子可以簡化為

Fi=|1+ρexp(-jα)|

(5)

=|1+ρcos(α)-jsin(α)|2

=(1+ρcos(α))2+(ρsin(α))2

=1+(ρcos(α))2+2ρcos(α)+(ρsin(α))2

=1+2ρcos(α)+(ρcos(α))2+(ρsin(α))2

=1+ρ2+2ρcos(α)

(6)

將式(2)、(4)帶入式(6)可得

(7)

2 海面條件下菲涅耳反射系數與鏡面反射系數

3 不同頻率、不同海況、不同架高條件下傳播因子仿真

設雷達工作頻率為10 GHz，雷達架設高度100 m，目標高度2 m，距離范圍為1～40 km，反射面為海面，3級海況，偏離光滑表面的均方根高度取0.24 m，對反射系數、方向圖傳播因子進行仿真，結果如圖1、2、3所示。

圖1 目標仰角隨距離變化情況

假設在距離40 km處，小型目標(RCS為5 m2)回波信號信噪比為12 dB，大型目標(RCS為5 000 m2)回波信號信噪比為42 dB，對1～40 km范圍內信噪比分別在自由空間、海面反射條件下進行仿真，結果如圖4所示。

由圖4可知，由于海面反射的影響，在有些距離段信噪比得到了加強，最大增加值約為12 dB(對應波瓣峰值)，而在有些距離段信噪比大幅度降低(對應波瓣零值)。假設最小可檢測信噪比為12 dB，則有些距離段將不能有效檢測目標，導致探測不連續。對于大型海上艦船目標，由于其RCS很大，一般數千平方米，回波信噪比很強，探測不連續的現象一般不明顯，但對于小型目標則會經常發生目標丟失現象。

圖2 反射系數(菲涅耳反射系數和鏡面反射系數乘積)幅度、相位

圖3 方向圖傳播因子

圖 4 單頻點工作時小型、大型目標回波信噪比情況

4 解決方法及效果仿真

由式(7)可以看出，傳播因子Fi在1+ρ和1-ρ之間有一個周期性的變化，其峰值、谷值間隔周期為θn=λ/2hr，該間隔周期和雷達架設高度、波長密切有關。由于雷達架高受陣地條件限制，無法靈活調整，而雷達工作波長可以靈活調整，在雷達工作帶寬較寬的條件下可以通過變頻工作，利用不同頻率工作時傳播因子峰值、谷值位置不同的特點，使不同頻率的峰值、谷值互補，從而解決雷達架高后探測不連續的問題。分別對1級、3級海況條件下不同架高時采用多頻點工作實現凹口互補的效果進行仿真，結果如圖5、圖6所示。