多徑效應(yīng)對信號接收及方向測量的影響

(空軍航空大學(xué),吉林 長春 130022)

1 引 言

電磁波在空間傳播中由于受到多徑效應(yīng)的影響，測向天線通常接收到的是直射波與由建筑物、樹木等障礙物導(dǎo)致的反射、衍射和散射波的疊加，這些電磁波雖然頻率相同，調(diào)制方式一樣，但由于方向、多普勒頻移和空時特性的差異[1]，疊加后必然會造成接收信號的失真從而導(dǎo)致測向誤差，這種誤差雖然不能通過測向體制或算法的改進予以完全消除，但對不同測向體制有著不同的影響，因此研究多徑效應(yīng)針對具體測向體制造成的測向誤差十分重要。

文獻[2]采用信號疊加法對多徑導(dǎo)致的干涉儀體制測向誤差予以分析，建立了多徑傳播的二徑模型，但其假設(shè)反射點在收發(fā)天線連線上，這就造成多徑對方位角測量沒有影響，與實際不符。文獻[3]在二徑模型的基礎(chǔ)上，假設(shè)第二個反射點在收發(fā)天線連線外，建立了三徑模型，并采用場強矢量疊加法對測向誤差進行分析，但沒有針對具體的測向體制，對實際的測向應(yīng)用沒有指導(dǎo)意義。文獻[4]將單個多徑分量用更符合實際情況的多徑簇形式來描述，分析了接收天線為線陣時，多徑對相關(guān)法測向體制造成的測向誤差，但載機偵察平臺受到體積等的限制，一般采用圓陣[5]。本文結(jié)合地空鏈路的實際情況，加入機身反射分量，將多徑傳輸建模為四徑模型，并考慮多普勒效應(yīng)的影響，對發(fā)射信號、直射接收信號和多徑接收信號進行仿真比較；采用信道橢圓模型[6]將單一方向多徑分量建模為相同時延的多徑簇，并推導(dǎo)了二維線陣和圓陣的輸出響應(yīng)矢量；對多徑效應(yīng)造成的機載L陣干涉儀和圓陣相關(guān)法測向的二維(方位角和俯仰角)測向誤差進行了仿真分析。

2 L陣和圓陣測向誤差分析

對機載平臺測向而言，為了得到目標(biāo)的方位和俯仰信息，一般采用L陣或圓陣的天線陣排列形式，通過不同天線測量目標(biāo)輻射信號的相位信息，進而確定目標(biāo)方向。

2.1 機載L陣相位干涉儀測向體制誤差

由于一維干涉儀只能測量輻射源的方位角，且存在無法區(qū)分基線對稱方向的缺點，因此機載偵察測向設(shè)備往往采用二維干涉儀測向體制，即在載機平臺上配置3根天線A、O′、B，構(gòu)成一個兩基線相互垂直的二維相位干涉儀，如圖1所示。

圖1 機載L陣的幾何示意圖Fig.1 Airborne antenna L array geometrical sketch map

由圖1中的幾何關(guān)系可得到兩基線的相位差分別為

(1)

式中，dx、dy分別為兩基線的長度，λ為來波波長。由于基線和頻率測量誤差很小，可以忽略。令dx=dy=d，由式(1)可得到方位角α和俯仰角β的誤差為

(2)

2.2 基于圓陣的相關(guān)法測向體制誤差

由于噪聲的不相關(guān)特性，可以對測向系統(tǒng)接收信號進行相關(guān)處理[5]，設(shè)天線陣形式為N元均勻圓陣，其圓心位置為坐標(biāo)軸原點，如圖2所示。

圖2 機載圓周陣列的幾何示意圖Fig.2 Airborne antenna circular array geometrical sketch map

第i個天線的接收信號可表示為

xi(t)=s(t)exp{-j[kRsinβcos(α-γi)]}+ni(t)

(3)

式中，i=1,2，3，…，N，s(t)為發(fā)射信號，k=2π/λ，R為圓陣半徑，γi=2π(i-1)/N，α為來波方位角，β為俯仰角，ni(t)為噪聲信號。設(shè)不同天線接收信號之間、噪聲之間以及接收信號和噪聲之間是統(tǒng)計獨立的，則不同天線接收信號的互相關(guān)函數(shù)可表示為

exp{-jkasinβ[cos(α-γi)-cos(α-γi+1)]}

(4)

(5)

式中，i=1,2，3，4，5。為簡便起見，在分析方位角誤差時，假設(shè)俯仰角無誤差，反之亦然。由式(5)可得到方位角α和俯仰角β的誤差為

(6)

式中，i=1,2，3，4，5。

3 多徑效應(yīng)信號分析

在實際的測向過程中，信號受到多徑效應(yīng)的影響，接收到的信號不只是來自目標(biāo)輻射源，還包括由于環(huán)境因素造成的多徑反射導(dǎo)致的干擾信號，并且雷達部署的地形環(huán)境一般都比較復(fù)雜，高山、丘陵、森林、地面高大建筑等都可能對雷達發(fā)射的信號形成反射，進而對測向結(jié)果造成影響。

3.1 地空多徑效應(yīng)模型

機載測向設(shè)備對地面輻射源進行測向時，接收的輻射源電磁波除直射路徑和地面反射路徑外，還應(yīng)包括遠端障礙物(如：高山、丘陵等)和機體金屬表面的反射效果，所建立的多徑傳輸模型如圖3所示。

圖3 目標(biāo)輻射信號多徑示意圖Fig.3 Target radiant signal multipath transmission sketch map

設(shè)輻射源發(fā)射信號為[7]

st(t)=AtGtft(α,β)exp(j2πfct)v(t)

(7)

式中，At為發(fā)射信號幅度，Gt為發(fā)射天線增益，ft(α,β)為發(fā)射天線方向圖函數(shù)，fc為載波頻率，v(t)為調(diào)制信號，則圖3中直達波和3條反射波信號可分別表示為

sr0(t)=AtGtft(α,β)exp(j2πfc(t-tr0)+

2πf0t)v(t-tr0)fr(α,β)Gr

sr1(t)=AtGtR1ft(α1,β1)exp(j2πfc(t-tr1)+

sr2(t)=AtGtR2ft(α2,β2)exp(j2πfc(t-tr2)+

sr3(t)=AtGtR3ft(α3,β3)exp(j2πfc(t-tr3)+

(8)

式中，R1、R2、R3為3條反射波的反射系數(shù)；tr0、tr1、tr2、tr3為直達波和3條反射波的時延，可由圖3中的幾何關(guān)系計算得到；f0、f1、f2、f3為多徑來波的多普勒頻移，可表示為[1]

(9)

式中，c為光速，v為載機速度，εn為第n條入射波方向和載機運動方向夾角。

設(shè)干涉儀測向接收機完成一次采樣處理時間為tc，當(dāng)tc

3.2 信號傳播多徑簇模型

實際情況中，信號的多徑傳播以多徑簇的形式出現(xiàn)[6]，用信道橢圓模型來分析，如圖4所示。模型中所有橢圓都是共焦的，發(fā)射器Tx和接收器Rx位于橢圓的焦點上，對每一個橢圓上的反射波，它們具有相同的路徑傳播長度(時延相等)，但是，它們各自的入射角不同，因此由接收器Rx移動引起的相應(yīng)多普勒頻率也是不同的。

圖4 描述多徑傳播的橢圓模型Fig.4 Ellipse model of describing multipath transmission

對應(yīng)每一個橢圓上的一簇反射波，假設(shè)其中心方位角為αn，分布在角域?qū)挾葹棣牡姆秶鷥?nèi)，中心俯仰角為βn，分布在角域?qū)挾葹棣业姆秶鷥?nèi)，則第n個橢圓反射信號在第l個陣元上的輸出可表示為

(10)

式中，k為第n個多徑簇反射波的數(shù)量。

3.3 多徑簇下接收陣列相關(guān)性分析

設(shè)有N根接收天線，接收矩陣可表示為X(t)=[x1(t),x2(t),…,xN(t)]T，則天線陣接收端信號的自相關(guān)矩陣R(t)可表示為[9]

(11)

當(dāng)只有單一信號入射時，自相關(guān)矩陣R(t)的第(m,n)個元素rmn(m≠n)可表示為

(12)

其中：

C=AtGtft(α,β)exp(j2πfc(t-tr0)+2πf0t)v(t-tr0)Gr

在多徑簇入射的情況下，陣列輸出的自相關(guān)矩陣R1(t)的第(m,n)個元素r1mn(m≠n)可表示為

(13)

其中：

Y=AtGtRPexp(j2πfc(t-trP)+2πfPt)v(t-trP)Gr
R0=1

顯然，多徑簇的根數(shù)、角域范圍等因素將直接影響兩個自相關(guān)矩陣之間的差別，進而對相關(guān)法測向產(chǎn)生影響。

4 仿真分析

4.1 多徑對接收信號影響仿真

從圖5中可以看出，僅存在直射路徑時，信號在時域上除延遲和衰減外，各脈沖幅度仍然相等；頻域上由于受到多普勒效應(yīng)的影響，其頻帶展寬，譜峰出現(xiàn)平移，但形狀基本沒有發(fā)生變化。在多徑的情況下，各信號經(jīng)過延遲衰減后疊加在一起，各脈沖幅度變得參差不齊，信號頻譜除更大的展寬外，其形狀發(fā)生了變化。

由于L陣相位干涉儀和相關(guān)法測向本質(zhì)上都是通過測量相位來獲取目標(biāo)方向的，發(fā)射信號、僅有直射路徑的接收信號和多徑情況下的接收信號相頻變化如圖6所示。從圖6中可以看出，直射路徑的相位仍然具有周期性，只是由于時域的延遲和多普勒頻移造成相位周期和形狀發(fā)生了改變，而在多徑的情況下，相位譜沒有任何規(guī)律，并且其變化速率明顯增大，這必然對相位法測向產(chǎn)生影響。

(a)發(fā)射信號波形

(b)直射接收信號波形

(c)多徑接收信號波形

(d)發(fā)射信號頻譜

(e)直射接收信號頻譜

(f)多徑接收信號頻譜

(a)發(fā)射信號

(b)僅有直射路徑的接收信號

(c)多徑情況下的接收信號圖6 發(fā)射、接收信號相位譜變化對比圖Fig.6 The phase spectrum contrast of transmission signal and receiving signal

4.2 多徑對干涉儀測向誤差仿真

上述仿真條件不變，在圖3所示坐標(biāo)系中，載機平臺天線O的坐標(biāo)為(0,0,8 000)，天線A的坐標(biāo)為(10,0,8 000)，天線B的坐標(biāo)為(0,10,8 000)，l=250 km，c0=50 km，d=150 km。當(dāng)λ=1 m、α=90°、β=80°時，根據(jù)式(2)可得到俯仰角和方位角的誤差曲線如圖7和圖8所示。

圖7 多徑條件下干涉儀方位角測向誤差Fig.7 Azimuth measurement error of phase interferometer in multipath condition

從圖7和圖8中可以看出，測向誤差的方差較大，但其均值較小，這是因為多徑傳播具有很大的隨機性，這就造成測向誤差圍繞真實來波方向上下波動，在某一采樣點上，可能會出現(xiàn)較大的測向誤差，因此，可以取盡量多的采樣點測量值進行平均處理，這樣可以有效減少多徑誤差的影響。另外，多徑造成的俯仰角測量誤差要大于方位角測量誤差，這是因為反射點在收發(fā)天線連線上的多徑反射波對方位角測量是沒有影響的，但幾乎所有的多徑波都對俯仰角測量有影響。

圖8 多徑條件下干涉儀俯仰角測向誤差Fig.8 Pitch angle measurement error of phase interferometer in multipath condition

4.3 多徑對相關(guān)法測向誤差仿真

設(shè)接收天線為五元均勻圓陣，圓周半徑a=0.5 m，λ=1 m，來波中心方位角α0=30°，俯仰角β0=80°，每個多徑簇射線數(shù)量為20根，射線來波方向和能量在各射線上均勻分布，進行500次蒙特卡洛(MC)試驗，其角域擴展與測向誤差變化曲線如圖9所示。上述仿真條件不變，方位角域擴展范圍δ=±5°，俯仰角域擴展范圍σ=±5°，其多徑簇射線數(shù)量與測向誤差變化曲線如圖10所示。

圖9 多徑簇角域擴展對相關(guān)法測向誤差的影響Fig.9 Influence of angle spread of the multipath cluster on the direction finding measurement error with correlation method

圖10 多徑簇射線數(shù)量對相關(guān)法測向誤差的影響Fig.10 Influence of radial number of the multipath cluster on the direction finding measurement error with correlation method

從圖9中可以看出，隨著多徑簇角度擴展的增加，測向誤差是快速增大的，這是因為角域擴展越大，來波多徑簇可能和真實來波方位發(fā)生較大的偏移，會對來波多徑簇中心估計產(chǎn)生大的影響。從圖10中可以看出，隨著單個多徑簇射線數(shù)量的增加，測向誤差是減小的，這是因為仿真中假設(shè)多徑簇的射線數(shù)是均勻分布的，隨著射線數(shù)量的增加，可以在一定的誤差范圍內(nèi)，反映出多徑簇的中心來波角度。另外，多徑簇對俯仰角測量的影響要大于方位角，這和圖7和圖8中的分析是一樣的。

5 結(jié) 論

多徑傳播造成接收信號特性相對于發(fā)射信號發(fā)生變化，進而影響到參數(shù)測量，引起測向誤差。本文通過建立地空電磁波多徑傳輸模型對L陣相位干涉儀和圓陣相關(guān)法測向誤差進行了定性和定量的分析，對相位干涉儀而言，主要是不同到達時間的多徑信號相互疊加造成相位差測量誤差而引起測向誤差，其誤差大小主要與輻射源和反射物的位置有關(guān)；對相關(guān)法測向來說，主要是受到多徑簇產(chǎn)生的空間角度擴展造成相關(guān)系數(shù)計算出現(xiàn)誤差而引起測向誤差，其誤差主要和空間障礙物數(shù)量和分布有關(guān)，且對兩種測向體制，多徑對俯仰角測量的影響都要大于方位角。由于多徑來波是經(jīng)過不同的傳播距離、不同的傳播方向隨機的在接收端進行空間合成，因此，可通過以下3種方法來降低多徑傳播對測向結(jié)果的影響：

(1)縮短接收機采樣處理時間。當(dāng)干涉儀測向接收機完成一次采樣處理時間小于直射波和反射波到達測向天線的時間差，則測得的方向僅為直射波方向；

(2)通過設(shè)計特殊的測向天線，降低反射波接收幅度。比如，在測向天線下方安置屏蔽地面反射波的抑徑板或者抑徑圈可以有效地降低二徑傳播造成的測向誤差；

(3)對信道環(huán)境進行評估，剔除掉惡劣信道環(huán)境下的測量結(jié)果，對剩余測量值進行平均。

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