雷達(dá)多路徑干擾問(wèn)題的探討

中國(guó)民用航空華東地區(qū)空中交通管理局　彭逸飛

雷達(dá)多路徑干擾問(wèn)題的探討

中國(guó)民用航空華東地區(qū)空中交通管理局彭逸飛

本論文主要討論了二次雷達(dá)的多路徑問(wèn)題的形成原理和影響，分別從不同類型反射面進(jìn)行狀況分析，對(duì)多徑問(wèn)題給二次雷達(dá)造成的干擾進(jìn)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(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在不止一條的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)信號(hào)路徑。多路徑是影響和限制二次雷達(dá)達(dá)到其理論探測(cè)性能的主要因素。在這些信號(hào)路徑中，只有一條是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的直達(dá)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(hào)路徑。由于二次雷達(dá)均使用短脈沖串，直射信號(hào)與反射信號(hào)在時(shí)間上形成交錯(cuò)或完全分開(kāi)，其時(shí)間差會(huì)改變應(yīng)答脈沖的視在數(shù)目，從而導(dǎo)致解碼錯(cuò)誤或錯(cuò)誤地檢測(cè)為存在多架飛機(jī)。多路徑還會(huì)伴隨著信號(hào)的衰減。

1.2多路徑的分類

多路徑問(wèn)題中，直射路徑和反射路徑間的關(guān)系有多種情況，從直射方向與反射方向的方位間隔來(lái)區(qū)分，大概可分為3類：

1）水平地面或水面反射信號(hào)與直射信號(hào)位于同一垂直平面。2）由于反射面的原因使反射信號(hào)與直射信號(hào)有一個(gè)小水平夾角θ，但仍可在同一個(gè)波束駐留時(shí)間內(nèi)檢測(cè)。

3）反射信號(hào)與直射信號(hào)之間有較大的水平夾角θ，不可在同一個(gè)波束駐留時(shí)間內(nèi)檢測(cè)。

而在這3類情況中，又會(huì)因?yàn)榉瓷浣嵌犬a(chǎn)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(hào)到達(dá)時(shí)間間隔，從而出現(xiàn)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(gè)脈沖到達(dá)時(shí)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(gè)路徑的同一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)部分重疊或不重疊。

1.3同一垂直平面內(nèi)的多路徑信號(hào)

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(hào)和反射信號(hào)幾乎完全重疊，經(jīng)由兩種路徑返回天線的射頻能量根據(jù)它們的相位關(guān)系相加或相減，產(chǎn)生合成信號(hào)。當(dāng)兩者趨向于同相時(shí)，合成信號(hào)會(huì)加強(qiáng)；當(dāng)兩者趨向于反相，它們會(huì)相互抵消形成一個(gè)削弱的信號(hào)。結(jié)果是，在同相區(qū)域的信號(hào)增強(qiáng)，而在削弱區(qū)域的信號(hào)會(huì)衰減。飛行器穿越衰減區(qū)時(shí)，信號(hào)會(huì)變?nèi)跎踔林袛唷?/p>

在實(shí)際使用中，有些雷達(dá)使用的全向單獨(dú)天線輻射控制脈沖P2。當(dāng)此獨(dú)立天線與主天線安裝高度不同時(shí)，會(huì)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(wèn)機(jī)的詢問(wèn)脈沖在傳輸過(guò)程中被多徑改變脈沖間隔幅度比，P1，P2的脈沖幅度會(huì)有所變化。極端情況下甚至?xí)霈F(xiàn)低幅度P1完全被P2所抑制的應(yīng)答機(jī)完全抑制區(qū)和低幅度P2無(wú)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(xiàn)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(dá)從返回脈沖的起始25%到50%端就可測(cè)出其幅度和方向。因此，大路程差的回波脈沖在測(cè)量區(qū)域不會(huì)失真。

但相對(duì)的，當(dāng)直射路徑和反射路徑時(shí)間差等于1.45μs時(shí)（應(yīng)答連續(xù)脈沖的間隔），若不謹(jǐn)慎對(duì)應(yīng)答信號(hào)解碼，應(yīng)答編碼的波形可能改變，從而改變飛機(jī)的識(shí)別碼或高度碼。

1.4小水平夾角間的多路徑信號(hào)

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(hào)和反射信號(hào)的路程差小到二者信號(hào)幾乎完全重疊，多路徑的結(jié)果使實(shí)際波束產(chǎn)生嚴(yán)重失真，而且詢問(wèn)和應(yīng)答路徑均會(huì)帶來(lái)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(hào)位于相同垂直平面的結(jié)果類似，當(dāng)直射路徑和反射路徑時(shí)間差等于1.45μs時(shí)，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)答波束的波束改變，增加信號(hào)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(hào)

無(wú)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(dá)信號(hào)受到建筑等物體的鏡面反射而產(chǎn)生飛行器的鏡像，即我們常說(shuō)的雷達(dá)假目標(biāo)。這種情況常見(jiàn)于城市與山脈。雷達(dá)與假目標(biāo)的距離為反射路徑的距離，假目標(biāo)分為詢問(wèn)信號(hào)反射和應(yīng)答信號(hào)反射兩種情況。

如果詢問(wèn)機(jī)的詢問(wèn)信號(hào)受到反射面反射又被真目標(biāo)的應(yīng)答機(jī)接收到，而反射信號(hào)恰巧在主瓣范圍內(nèi)不受抑制，那么反射信號(hào)可能引起應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答。應(yīng)答信號(hào)經(jīng)過(guò)直路徑到達(dá)雷達(dá)后，產(chǎn)生假目標(biāo)。他與真目標(biāo)方位角相同，但距離更遠(yuǎn)。這被歸類于同步干擾的一種情況。

如果應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答信號(hào)受到反射面反射又被雷達(dá)接收，那么會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方位角和距離均不同的假目標(biāo)，真目標(biāo)與假目標(biāo)以反射面為中線對(duì)稱。

相較之下，應(yīng)答信號(hào)反射比詢問(wèn)信號(hào)反射常見(jiàn)得多，因此多數(shù)假目標(biāo)與真目標(biāo)并不在同一個(gè)方位角上。

2　多路徑現(xiàn)象的抑制

2.1綜述

多路徑問(wèn)題是影響和限制二次雷達(dá)達(dá)到其理論探測(cè)性能的主要因素之一。對(duì)應(yīng)不同的反射現(xiàn)象，我們需要采取不同的措施來(lái)削弱甚至消除其對(duì)雷達(dá)所造成的影響，措施包括考察雷達(dá)的選址、選擇合適的天線高度和STC控制曲線。

2.2雷達(dá)的選址與天線高度角度的選擇

可以說(shuō)，除開(kāi)市政部門規(guī)劃的因素，雷達(dá)的地基選址是以減少雷達(dá)信號(hào)反射影響和信號(hào)干擾為首要目標(biāo)的。根據(jù)《航空無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)和空中交通管制雷達(dá)站設(shè)置場(chǎng)地規(guī)范》規(guī)定：空管二次雷達(dá)的場(chǎng)地應(yīng)開(kāi)闊、地勢(shì)較高、四周無(wú)嚴(yán)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(dá)天線為中心，半徑450m的范圍內(nèi)，不應(yīng)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(nèi)，不應(yīng)有能產(chǎn)生有源干擾的電氣設(shè)施（如氣象雷達(dá)、高頻爐等）；在平原地區(qū)，為發(fā)揮設(shè)備最好效能，雷達(dá)站場(chǎng)地周圍最好無(wú)高大植物和高建筑物。也可選在堅(jiān)固建筑物頂上。在山區(qū)，應(yīng)選地勢(shì)較高、周圍無(wú)嚴(yán)重遮擋的山頂，作為設(shè)備場(chǎng)地。

天線高度和角度的選擇則更為復(fù)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(dá)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(dá)都是大垂直口徑天線（LVA）。

2.3STC控制曲線

STC即靈敏度時(shí)間控制，是作用于接收機(jī)的一種技術(shù)，是指采用對(duì)不同距離上不同強(qiáng)度的信號(hào)進(jìn)行控制的方法來(lái)擴(kuò)大接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。接收機(jī)靈敏度是指整個(gè)雷達(dá)能夠正常工作時(shí)的最小輸入信號(hào)功率，是接收機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)之一。接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍是指接收機(jī)不過(guò)載時(shí)輸入信號(hào)允許的最大變化范圍。由于接收機(jī)的增益較高，內(nèi)部的有源器件存在非線性，當(dāng)輸入信號(hào)較強(qiáng)時(shí)這些有源器件就要趨近于飽和并使接收機(jī)過(guò)載。飽和過(guò)載會(huì)產(chǎn)生方位測(cè)量誤差等不良影響，STC以擴(kuò)大改善接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的方式來(lái)避免接收機(jī)過(guò)載。STC控制圖也是我們對(duì)抗多路徑反射現(xiàn)象的重要手段，絕大部分雷達(dá)系統(tǒng)均使用STC曲線控制。

由多路徑反射的原理可知，多路徑現(xiàn)象與雷達(dá)站周圍環(huán)境的影響密不可分，雷達(dá)站周圍的環(huán)境自然不會(huì)完全一致。這造成了雷達(dá)覆蓋范圍中各個(gè)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(tǒng)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(xì)分雷達(dá)覆蓋范圍的各部分，將360°觀測(cè)區(qū)域劃分為若干個(gè)方位扇區(qū)，再按距離劃分間隔，形成多個(gè)方位-距離單元（BOX）。每個(gè)扇區(qū)保持理論的衰減規(guī)律，再根據(jù)要求在不同距離上具有彈性地采用不同的STC曲線進(jìn)行控制。針對(duì)不同情況采用相應(yīng)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(dá)信號(hào)衰減區(qū)的信號(hào)而不丟失目標(biāo)。浦東Raytheon一二次合裝雷達(dá)就采用STC曲線控制來(lái)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(dá)覆蓋范圍分32個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)分為16格，即512個(gè)BOX。

2.4TVBC曲線

法國(guó)Thales雷達(dá)采用TVBC曲線來(lái)代替STC。TVBC（Time Varied Base Clipping）為RSM970S內(nèi)置系統(tǒng)，作用于應(yīng)答處理機(jī)MRP。同STC原理類似，它能濾除那些近距離范圍內(nèi)強(qiáng)度太低的回波信號(hào)，保留那些幅度超過(guò)門限電平的脈沖，從而有效地排除雜波干擾和鏡像目標(biāo)。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(chǎng)環(huán)境條件精確調(diào)節(jié)，支持雷達(dá)操作者在現(xiàn)場(chǎng)編程生成曲線。它可以將雷達(dá)覆蓋區(qū)分為32個(gè)扇區(qū)進(jìn)行分別的曲線調(diào)整。

3　總結(jié)

二次雷達(dá)的多路徑反射和干擾一直是雷達(dá)運(yùn)行過(guò)程中的最大外部影響。浦東雷達(dá)室擁有的雷神一二次合裝雷達(dá)運(yùn)行年份已經(jīng)超過(guò)10年，Thales二次雷達(dá)也已久經(jīng)風(fēng)雨。如今新雷達(dá)站已經(jīng)定基，靠近浦東海邊。水面是多路徑問(wèn)題比較嚴(yán)重的一種地況。這將是對(duì)我們能力的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

相較二次雷達(dá)來(lái)說(shuō)，一次雷達(dá)的多路徑問(wèn)題因?yàn)槠浒l(fā)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(dá)的次數(shù)已經(jīng)不多，但還是需要對(duì)其認(rèn)真鉆研。

［1］雷神CodorMk2二次雷達(dá)系統(tǒng)手冊(cè)［Z］.北京.民航總局空中交通管理局雷達(dá)導(dǎo)航處，2000.04.

［2］張尉.二次雷達(dá)原理［M］.北京.國(guó)防工業(yè)出版社，2009.05.

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