多徑效應(yīng)中雷達(dá)反射模型的研究

楊 凡

(廣東女子職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 511450)

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多徑效應(yīng)中雷達(dá)反射模型的研究

楊 凡

(廣東女子職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 511450)

多徑效應(yīng)是雷達(dá)模型設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的關(guān)鍵因素之一，不同雷達(dá)反射模型中所產(chǎn)生的多徑效應(yīng)是有差異的。多徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)實(shí)際探測(cè)效果產(chǎn)生不可預(yù)見的影響是學(xué)者們研究多徑效應(yīng)的目的?；诖搜芯勘尘埃榻B了多徑效應(yīng)產(chǎn)生的原因，并通過(guò)2類典型的雷達(dá)反射模型-球面反射模型和斜坡反射模型研究多徑效應(yīng)造成的性能影響，通過(guò)MATLAB實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)模型參數(shù)結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了多模式循環(huán)仿真，仿真結(jié)果證明，不同反射模型中多徑效應(yīng)的效果在不同應(yīng)用環(huán)境中需做相應(yīng)的處理。

多徑效應(yīng)；球面反射模型；斜坡反射模型

多徑效應(yīng)是由于雷達(dá)天線俯視鏡面反射表面時(shí)所產(chǎn)生的多路徑干涉現(xiàn)象，所謂鏡面反射體是指一類服從反射定律的光滑表面[1-2]。多徑效應(yīng)的產(chǎn)生是當(dāng)天線照射具備一定集合關(guān)系和電特性的鏡面反射表面時(shí)所產(chǎn)生的波傳播效應(yīng)。給定的符合多徑效應(yīng)反射的幾何圖形關(guān)系如圖1所示，在實(shí)際雷達(dá)的工作過(guò)程中，反射面應(yīng)該是地球表層，但在本研究中將反射表面近似為平面。

圖1中,h1為雷達(dá)天線高度；h2為目標(biāo)高度；Rd為直射路徑行程；(R1+R2)為反射路徑行程；θd為直達(dá)波仰角；θr為反射波俯角；Ψ為入射余角(反射余角)。若發(fā)生鏡面反射，從天線到目標(biāo)存在2個(gè)不同的路徑：直射路徑和反射路徑，即Rd和(R1+R2)，由于2條路徑的傳播距離有差異，因此存在相位差，這是誘發(fā)多徑效應(yīng)的主要原因，根據(jù)電磁波傳播的基本原理，設(shè)距離差為δ，則對(duì)應(yīng)的相位差等于2πδ/λ，其中，λ是雷達(dá)波長(zhǎng)[3-4]。

由于波束反射造成的多徑效應(yīng)[5-6]，在反射模型設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅需要考慮相位差還需要考慮附加的相位差：一類是由反射表面的反射系數(shù)引起的，另一類是由天線在直射方向和反射方向上傳播因子的相位差引起的。由于相位差，直達(dá)波和反射波在目標(biāo)處要么干涉相加，要么干涉相消，典型的反射-干涉波瓣圖如圖2所示。

1 雷達(dá)反射模型

雷達(dá)發(fā)射模型根據(jù)雷達(dá)所處地形方位的不同分為多類反射模型，例如由于地球是球面，當(dāng)雷達(dá)架設(shè)于平原、高原或海邊的時(shí)候，反射面是球面，因此需要以球面進(jìn)行建模；當(dāng)雷達(dá)架設(shè)于山頂時(shí)，反射面是斜坡(斜面)以及斜坡和球面的共同反射，因此模型中應(yīng)考慮斜坡反射的影響。

對(duì)于只考慮2條反射路徑的情況，反射距離的計(jì)算公式如下：

其中：

X1=ρfr1/fd;X2=ρfr2/fd;

本節(jié)以球面反射模型和斜坡反射模型介紹雷達(dá)反射模型的相關(guān)研究?jī)?nèi)容。

1.1 球面反射模型

球面反射模型幾何圖如圖3所示，圓代表等效地球在球心的剖面，O為球心；雷達(dá)相位中心位于a點(diǎn)；目標(biāo)位于b點(diǎn)；θ為目標(biāo)到雷達(dá)相位中心的仰角；am(表示直線am，端點(diǎn)分別為a和m)為雷達(dá)相位中心起始的水平線；ab為雷達(dá)到目標(biāo)的直達(dá)波路徑；acb為雷達(dá)到目標(biāo)反射波路徑；c為反射點(diǎn)；Ψ為反射余角(入射余角)；ad為雷達(dá)架高高度；be為目標(biāo)高度。

當(dāng)雷達(dá)發(fā)射電磁波后，一路經(jīng)過(guò)空間輻射直接到達(dá)目標(biāo)b點(diǎn)，稱為直達(dá)波；另一路經(jīng)過(guò)地球球面上的c點(diǎn)反射，然后到達(dá)目標(biāo)b，稱為反射波。acb的長(zhǎng)度和ab的長(zhǎng)度之差稱為波程差，如果波程差小于雷達(dá)的距離分辨力，則直達(dá)波波前和反射波波前在b點(diǎn)合成，由二者的相位關(guān)系決定合成的結(jié)果是加強(qiáng)還是減弱。電磁波經(jīng)過(guò)b點(diǎn)反射，一部分發(fā)生后向反射，反射回來(lái)，其中一路由b點(diǎn)經(jīng)空間傳播直接到a點(diǎn)的雷達(dá)天線，是直達(dá)波；另一路由b點(diǎn)經(jīng)c點(diǎn)再到a點(diǎn)的雷達(dá)接收天線，是反射波，于是形成了反向的接收多路徑效應(yīng)，直達(dá)波和反射波在接收天線處進(jìn)行合成[7]。

1.2 斜坡反射模型

當(dāng)雷達(dá)架設(shè)于山頂時(shí)，近距離的高空目標(biāo)的反射點(diǎn)落在與雷達(dá)較近的位置，通常是落在斜坡上，再?zèng)]有其他反射點(diǎn)，此時(shí)只考慮一條反射路徑所產(chǎn)生的多徑效應(yīng)。這種模型稱為斜坡反射模型。斜坡反射模型幾何原理圖如圖4所示。圖4中O點(diǎn)為地球的球心，b點(diǎn)為山頂，a點(diǎn)為雷達(dá)的相位中心，d點(diǎn)為目標(biāo)，am為水平線，ad為直達(dá)波，c點(diǎn)為反射波的反射點(diǎn)，ac-cd為反射波，α為斜坡角的余角，n點(diǎn)為山坡坡底與地球的交點(diǎn)[8-9]。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

通過(guò)Matlab對(duì)多徑效應(yīng)中的各典型雷達(dá)反射模型進(jìn)行模型創(chuàng)建、環(huán)境搭建、性能仿真等[10-11]。

2.1 球面反射模型仿真

1)不同基礎(chǔ)參數(shù)的性能仿真。

球面模型仿真參數(shù)見表1。其余基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用雷達(dá)通用參數(shù)完成，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行仿真，主要完成垂直極化和水平極化的仿真，兩者的仿真結(jié)果如圖5所示。

表1 球面模型基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)表明垂直極化多徑效應(yīng)沒(méi)有水平極化明顯，特別是在高仰角上表現(xiàn)的更為清晰。這是因?yàn)榇怪睒O化時(shí)反射系數(shù)的幅度隨仰角變化比較大，仰角越大，幅度越?。淮怪睒O化反射系數(shù)的相位變化也不同于水平極化，水平極化時(shí)反射系數(shù)的相位基本不變，約等于π，垂直極化時(shí)該值隨仰角變化明顯。

2)不同工作頻率的性能仿真。

設(shè)置球面模型工作頻率分別為20,180 Hz進(jìn)行仿真，其余參數(shù)設(shè)置同表1。在其他條件不變的情況下，工作頻率不同，雷達(dá)的威力圖有明顯的差異。工作頻率越低，威力圖的花瓣越少，多徑效應(yīng)的幅度變化越強(qiáng)，低空覆蓋越差；反之，工作頻率越高，威力圖的花瓣越多，多徑效應(yīng)的幅度變化越弱，低空覆蓋越好。

垂直極化的威力圖花瓣的仰角指向較水平極化時(shí)略高，仿真結(jié)果如圖6所示。

通過(guò)對(duì)球面反射模型的研究證明采用水平極化波和垂直極化波工作時(shí)多徑效應(yīng)的效果不同，采用垂直極化波工作時(shí)，多徑效應(yīng)變化的幅度較小，花瓣指向的仰角較高；雷達(dá)工作頻率較高時(shí)，多徑效應(yīng)的花瓣較多，低空覆蓋較好。

2.2 斜坡反射模型仿真

斜坡反射模型的基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)見表2。與球面反射模型類似，水平極化的多徑效應(yīng)比垂直極化的多徑效應(yīng)明顯，雷達(dá)威力加強(qiáng)或減弱的幅度更大。

斜坡反射模型單波段斜坡反射多徑仿真結(jié)果如圖7所示，斜坡反射相對(duì)于平面反射效果明顯的區(qū)別是：從0°往上，粗糙度系數(shù)明顯較小；反射波仰角較大。粗糙度較小使多徑效應(yīng)效果變差，反射波仰角較大，使直達(dá)波和反射波不再“對(duì)稱”，場(chǎng)強(qiáng)相差較大，使多徑效應(yīng)效果變差。所以總的效果是多徑效應(yīng)效果變差[12-13]。

表2 球面模型基本參數(shù)表

從以上分析不難推斷，斜坡角度越大，多徑效應(yīng)的效果越不明顯，這樣可以根據(jù)需求提出不同的雷達(dá)陣地環(huán)境要求。

本節(jié)的仿真在邏輯上是不完備的，很多邊界條件沒(méi)有判斷，例如斜坡陣地不能無(wú)限長(zhǎng)，因而把所有的反射點(diǎn)都放在斜坡上是不合理的，實(shí)際上在有斜坡陣地反射的情況下，反射機(jī)理稍微復(fù)雜一些，必須準(zhǔn)確判斷各邊界條件，才能較真實(shí)地仿真實(shí)際情況，另外波程差也不應(yīng)該出現(xiàn)負(fù)的情況。

2.3 復(fù)合模型下多徑效應(yīng)的仿真

通常在實(shí)際雷達(dá)運(yùn)行環(huán)境中，交叉模型的使用往往更為切合實(shí)際，因此本節(jié)對(duì)復(fù)合模型下雷達(dá)多徑效應(yīng)進(jìn)行研究。

1)基本情況仿真。

復(fù)合模型基本情況仿真參數(shù)同球面模型仿真參數(shù)(表2)。 在多徑效應(yīng)發(fā)生時(shí)，采用復(fù)合模型進(jìn)行處理，復(fù)合模型單波段復(fù)合模型仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8中水平極化和垂直極化多徑效應(yīng)的對(duì)比情況與單純的球面模型和斜坡模型類似，水平極化的多徑效應(yīng)明顯強(qiáng)于垂直極化的多徑效應(yīng)。垂直極化時(shí)，不管是斜坡模型還是球面模型，反射系數(shù)的幅度都較水平極化小。垂直極化時(shí)反射系數(shù)的相位也在隨仰角變化，這也是與水平極化相比的又一個(gè)重要區(qū)別。正是因?yàn)榉瓷湎禂?shù)的不同，導(dǎo)致了2種極化方式多徑效應(yīng)的不同。

2)不同工作頻率性能對(duì)比。

在其他條件不變，僅僅雷達(dá)工作頻率不同時(shí)，雷達(dá)的威力圖有較大差別。雷達(dá)工作頻率降低，威力圖的花瓣減少，這一點(diǎn)與球面反射模型和斜坡模型相同[14-15]。

雷達(dá)架高10 m時(shí)不同工作頻率的多徑效應(yīng)效果圖如圖9所示，在復(fù)合模型下無(wú)論雷達(dá)采用水平極化波工作還是垂直極化波工作，雷達(dá)低空覆蓋與頻率的關(guān)系都沒(méi)有直觀的規(guī)律可循。這主要是因?yàn)榈脱鼋菚r(shí)雷達(dá)到目標(biāo)的反射路徑有2條，2條路徑的相位隨仰角的變化速度不同，又與雷達(dá)架高高度有關(guān)，因而合成后的相位變化更復(fù)雜。

3 結(jié)束語(yǔ)

介紹多徑效應(yīng)產(chǎn)生的幾何原理，找出了在雷達(dá)反射模型中存在多徑效應(yīng)的原因；對(duì)各類模型(球面反射模型、斜坡反射模型、復(fù)合反射模型)產(chǎn)生的多徑效應(yīng)進(jìn)行了參數(shù)、性能等對(duì)比分析;作為機(jī)械預(yù)警的主要探測(cè)模型，按照水平激化和垂直激化兩方面對(duì)不同的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能分析、驗(yàn)證。

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(責(zé)任編輯 吳鴻霞)

Research on Radar Reflection Model in Multipath Effect

YangFan

(Guangdong Women's Polytechnic College,Guangzhou Guangdong 511450)

Multipath effect is one of the key factors in the design process for radar model to be considered,but there is a difference in multipath effects produced by different radar reflection models.Unforseen influence by multipath effect on radar actual detection is the purpose of scholars' study on the multipath effect.This paper introduces the reasons why the multipath effects produced and the performance effects resulting from multipath effects of two typical radar reflection modes:the spherical reflector model and the slopes reflector model.The corresponding parameter of model structure is designed by MATLAB and the multi-mode cycle simulation has been done.The simulation results prove that difference reflection multipath effects need to be handled in difference application environment.

multipath effect;spherical reflector model;slopes reflection model

2016-07-05

楊凡,講師,碩士,研究方向：電子信息技術(shù)。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.05.007

TN98

A

2095-4565(2016)05-0028-05