海面多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)探測(cè)性能的影響分析

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(中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)94分隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

作為現(xiàn)代艦載武器系統(tǒng)的重要組成部分，搜索雷達(dá)主要用來完成對(duì)目標(biāo)的遠(yuǎn)程探測(cè)和捕獲，以保證武器系統(tǒng)能夠完成對(duì)來襲目標(biāo)進(jìn)行打擊的作戰(zhàn)任務(wù)。根據(jù)戰(zhàn)術(shù)操作流程，搜索雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，要向跟蹤雷達(dá)等跟蹤器提供目標(biāo)指示信息，從而達(dá)到目標(biāo)交接的目的[1]。如果在主要作戰(zhàn)區(qū)段搜索雷達(dá)不能及時(shí)提供目標(biāo)指示信息，不但延長(zhǎng)武器系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，而且有可能錯(cuò)失最佳打擊時(shí)機(jī)。警戒搜索雷達(dá)探測(cè)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的能力既取決于雷達(dá)本身的性能特性，也取決于雷達(dá)的環(huán)境特性[2]，艦載搜索雷達(dá)在探測(cè)和跟蹤低空來襲目標(biāo)時(shí)，除了低層大氣的不均勻性引起的電波折射效應(yīng)外，還要面對(duì)復(fù)雜海面背景，一方面是海雜波的影響，同時(shí)海面產(chǎn)生的鏡面反射或漫散射還會(huì)引起多路徑效應(yīng)[3]。海面多路徑效應(yīng)使得雷達(dá)接收的信號(hào)為直達(dá)波信號(hào)與鏡反射信號(hào)的相干合成波。隨著表面發(fā)射系數(shù)的變化和目標(biāo)高度的影響，接收信號(hào)呈現(xiàn)出被增強(qiáng)和被衰減交替出現(xiàn)的現(xiàn)象(當(dāng)直達(dá)波信號(hào)與鏡反射信號(hào)相位相同時(shí)增強(qiáng)，相位相反時(shí)衰減)，當(dāng)目標(biāo)恰好處于波瓣分裂削弱區(qū)時(shí)，接收信號(hào)被衰減，雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率下降，造成目標(biāo)點(diǎn)跡丟失或航跡中斷，雷達(dá)不能很好地探測(cè)低空目標(biāo)[4]。

本文針對(duì)某型搜索雷達(dá)在實(shí)際對(duì)低空目標(biāo)威力檢飛試驗(yàn)中出現(xiàn)的點(diǎn)跡丟失、航跡中斷現(xiàn)象展開分析，首先對(duì)影響雷達(dá)探測(cè)性能的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，排除雷達(dá)故障原因；通過建立低空目標(biāo)多路徑回波模型，推導(dǎo)了低空目標(biāo)的反射波與直達(dá)波矢量疊加后的歸一化場(chǎng)強(qiáng)對(duì)雷達(dá)探測(cè)威力的影響。在此基礎(chǔ)上對(duì)被試?yán)走_(dá)多路徑效應(yīng)下的威力方向圖進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了產(chǎn)生雷達(dá)點(diǎn)跡丟失、航跡中斷的具體原因。

1 試驗(yàn)問題的引出

某型號(hào)搜索雷達(dá)在實(shí)際低空目標(biāo)威力檢飛試驗(yàn)中，出現(xiàn)在威力指標(biāo)內(nèi)某距離段上探測(cè)性能下降，點(diǎn)跡丟失嚴(yán)重，所有航次在某距離段上均出現(xiàn)航跡中斷的現(xiàn)象，點(diǎn)跡統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，雷達(dá)檢測(cè)目標(biāo)航跡圖如圖1所示。

從雷達(dá)點(diǎn)跡統(tǒng)計(jì)結(jié)果表中可以看出，雷達(dá)在較遠(yuǎn)距離(雷達(dá)威力指標(biāo)外)仍能正常發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)，點(diǎn)跡連續(xù)，航跡穩(wěn)定。但當(dāng)目標(biāo)處于ΔR2、ΔR3距離段內(nèi)時(shí)，點(diǎn)跡丟失嚴(yán)重，雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率下降明顯，所有航次均出現(xiàn)航跡中斷現(xiàn)象(連續(xù)3點(diǎn)點(diǎn)跡丟失，航跡中斷)，目標(biāo)航跡圖如圖1(a)所示；當(dāng)目標(biāo)經(jīng)過ΔR4以后又能重新發(fā)現(xiàn)并穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，直到目標(biāo)進(jìn)入ΔR5距離段內(nèi)時(shí)，又出現(xiàn)點(diǎn)跡嚴(yán)重丟失，雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率明顯下降現(xiàn)象，且部分航次再次出現(xiàn)航跡中斷現(xiàn)象，目標(biāo)航跡圖如圖1(b)所示。

表1 搜索雷達(dá)威力試驗(yàn)點(diǎn)跡統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

圖1 實(shí)際試驗(yàn)中搜索雷達(dá)檢測(cè)目標(biāo)航跡圖

2 雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)測(cè)試

該型號(hào)搜索雷達(dá)為海背景下對(duì)空搜索雷達(dá)，雷達(dá)工作環(huán)境存在很強(qiáng)的海雜波，天線仰角波束覆蓋范圍相對(duì)較寬，在對(duì)低空目標(biāo)探測(cè)過程中，可能會(huì)同時(shí)收到海雜波和多路徑效應(yīng)的影響。針對(duì)目標(biāo)在特定距離段丟失的情況，為了排除雷達(dá)自身故障原因，分別對(duì)雷達(dá)發(fā)射功率、虛警概率、MTD改善因子等影響雷達(dá)探測(cè)性能的指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。通過對(duì)雷達(dá)工作頻段及當(dāng)時(shí)試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行分析初步得出造成雷達(dá)在ΔR2、ΔR3和ΔR5距離段內(nèi)雷達(dá)探測(cè)性能下降的原因是由于海面多路徑干涉的影響，使得雷達(dá)接收信號(hào)被衰減，從而引起目標(biāo)點(diǎn)跡丟失嚴(yán)重，航跡中斷。

3 建立低空目標(biāo)多路徑回波模型

根據(jù)電磁波理論，雷達(dá)發(fā)射的電磁波在傳播過程中，由于海面、地面和附近艦船及島嶼等物體的反射，使得雷達(dá)與目標(biāo)之間電磁波的傳播途徑不止一條，除了從雷達(dá)到目標(biāo)之間的直接傳播外，還包含多條反射路徑，最終導(dǎo)致雷達(dá)所接收到的回波信號(hào)為直射路徑和反射路徑回波信號(hào)的疊加矢量和，這種現(xiàn)象被稱為“多路徑效應(yīng)”[5]。

由于實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜，多路徑傳播具有很大的隨機(jī)性，建模的難度較大[6]。為了說明多路徑效應(yīng)，圖2給出了典型多路徑效應(yīng)的回波模型，其中，A為雷達(dá)天線，距離海面高度為ha，B為目標(biāo)，高度為ht。由于海面鏡面反射的影響，從雷達(dá)A到目標(biāo)B之間除了從A到B的直射波以外，還有A經(jīng)地面的C點(diǎn)反射到達(dá)B點(diǎn)的反射波，R為直射波傳播距離，R′為反射波傳播距離。

直射波和反射波的傳播路徑不同就會(huì)導(dǎo)致相位的差異，相位差的大小和距離差成正比。用φd表示反射波與直射波由于距離差所引起的相位差，則:

(1)

式中,λ是雷達(dá)的工作波長(zhǎng)。通常天線的高度ha總是遠(yuǎn)小于到目標(biāo)的距離R，則:

(2)

(3)

圖2 低空目標(biāo)多路徑反射模型

4 多路徑回波合成場(chǎng)強(qiáng)對(duì)雷達(dá)作用距離的影響分析

目標(biāo)B處的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，是直射波和反射波的電磁場(chǎng)強(qiáng)度的矢量和。設(shè)目標(biāo)處入射波與反射波的場(chǎng)強(qiáng)分別為E1、E2，則:

(4)

(5)

式中，Pt為輻射功率，G1、G2分別表示直射波和反射波對(duì)應(yīng)的天線增益，ΔR為直射波和反射波的波程差，R為目標(biāo)與雷達(dá)站之間的距離，ρ、θ分別表示反射系數(shù)的模和相角。

一般情況下，當(dāng)天線垂直波束最大值指向水平面時(shí)，G1=G2，則目標(biāo)所在的處的合成場(chǎng)強(qiáng)為:

(6)

反射系數(shù)的模值ρ和相角θ由反射面的性質(zhì)、擦地角ε1、工作頻率以及電波極化等因素決定，已經(jīng)得到了一些典型曲線供查用。當(dāng)采樣水平極化波且擦地角ε1較小時(shí)，ρ≈1，θ≈180°且ρ、θ值隨著ε1的增大變化較緩慢[7]。此時(shí)，

(7)

(8)

在擦地角很小時(shí)，直射波和反射波互相抵消，從而使接近水平目標(biāo)(低空和超低空)的檢測(cè)十分困難[8]。

由式(8)可得到有鏡反射影響時(shí)雷達(dá)接受功率為:

(9)

(10)

由式(10)看出，由于鏡面反射影響，使雷達(dá)作用距離隨目標(biāo)的仰角呈周期性變化，鏡面反射的結(jié)果使天線方向圖產(chǎn)生花瓣?duì)?，見圖3所示?，F(xiàn)狀討論上式：

圖3 鏡面反射的干涉效應(yīng)

圖3的方向圖，是在E2=E1，即ρ=1，以及φr=π的條件下得到的。實(shí)際的地面或海面的反射，反射系數(shù)的振幅ρ總是小于1的小數(shù)，相角φr也小于180°。因此，有了反射雖會(huì)引起方向圖的分裂，但情況不會(huì)像上述條件下所得的結(jié)果那么明顯，極大值增加的小一些，極小值不會(huì)降到零[4-5]。

5 仿真驗(yàn)證

根據(jù)多路徑效應(yīng)造成波束分裂的理論原理，結(jié)合被試?yán)走_(dá)參數(shù)及當(dāng)時(shí)海面試驗(yàn)環(huán)境，對(duì)被試?yán)走_(dá)多路徑效應(yīng)下威力方向圖進(jìn)行仿真，以此驗(yàn)證試驗(yàn)中部分距離段內(nèi)點(diǎn)跡丟失嚴(yán)重造成斷航的原因是由于海面多路徑效應(yīng)的影響。仿真過程如下：

雷達(dá)方向圖傳播因子:

(11)

式中，h為天線高度，為12 m；θ為垂直平面內(nèi)直射線方向角；f為被試?yán)走_(dá)工作頻率；f(θ)為天線方向圖系數(shù)(以天線垂直面場(chǎng)強(qiáng)最大值歸一)；ρ是反射系數(shù)振幅：ρ=r*ρ0。

式(11)是在假設(shè)目標(biāo)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線高度的情況下導(dǎo)出的，可近似認(rèn)為直射線方向角等于反射線方向角。

雷達(dá)作用距離可寫為：

Rmax=F*R0

式中，R0為自由空間的最大作用距離，由于R0的計(jì)算已考慮了天線方向圖的影響，故在方向圖傳播因子的計(jì)算中f(θ)取為1。通過軟件仿真，得到被試搜索雷達(dá)的低空威力圖，如圖4所示。

圖4 被試搜索雷達(dá)低空威力仿真圖

從圖4可以看出，由于海面多路徑效應(yīng)的影響，該型搜索雷達(dá)在自由空間的威力范圍在不同仰角下發(fā)生增強(qiáng)或衰減變化，當(dāng)目標(biāo)處于威力增強(qiáng)處時(shí)，雷達(dá)探測(cè)性能增強(qiáng)，雖然已超出雷達(dá)自由空間探測(cè)威力范圍，但仍能探測(cè)到目標(biāo)；當(dāng)目標(biāo)處于威力衰減處(凹口)時(shí)，雷達(dá)探測(cè)性能下降，點(diǎn)跡容易丟失，等目標(biāo)穿越凹口后雷達(dá)又能夠重新發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)。實(shí)際試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)航路如圖上所示，整個(gè)航路跨越“凹口2”和“凹口3”，“凹口2”的距離段約是ΔR5～ΔR6，“凹口3”的距離段約是ΔR2～ΔR3。仿真得出的“凹口2”和“凹口3”距離段范圍與實(shí)際試驗(yàn)中雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)點(diǎn)跡丟失嚴(yán)重及出現(xiàn)航跡中斷距離范圍相吻合。

綜上所述，被試搜索雷達(dá)在低空目標(biāo)檢飛時(shí)，部分距離段目標(biāo)點(diǎn)跡丟失及航跡中斷的原因在于多路徑干涉的影響，當(dāng)目標(biāo)恰好處于波瓣分裂削弱區(qū)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)點(diǎn)跡丟失的現(xiàn)象發(fā)生。多路徑盲區(qū)周期與目標(biāo)高度、雷達(dá)布站高度及工作頻率有關(guān)。對(duì)于寬帶雷達(dá)，通過頻率捷變或準(zhǔn)捷變使不同頻率(足夠的頻差)在某一方向上駐留足夠的時(shí)間，根據(jù)不同頻率多路徑影響下回波強(qiáng)度不同來避開多路徑盲區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)低空穩(wěn)定跟蹤[9]。試驗(yàn)過程中，雷達(dá)架高基本保持不變，出現(xiàn)航跡中斷的航次目標(biāo)飛行高度較低，而目標(biāo)飛行高度較高的航次搜索雷達(dá)均能在威力指標(biāo)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定跟蹤。由于被試?yán)走_(dá)工作頻帶限制，解決低空補(bǔ)盲問題可以考慮雷達(dá)編隊(duì)組網(wǎng)方式加以解決。

6 結(jié)束語

針對(duì)某型搜索雷達(dá)在實(shí)際對(duì)低空目標(biāo)威力檢飛試驗(yàn)中出現(xiàn)的點(diǎn)跡丟失、航跡中斷現(xiàn)象展開分析，進(jìn)行了多路徑效應(yīng)理論分析及仿真驗(yàn)證。從數(shù)據(jù)分析及仿真結(jié)果可以看出，對(duì)于海背景下寬波束搜索雷達(dá)在檢測(cè)低空掠海目標(biāo)時(shí)，多路徑效應(yīng)帶來的波束分裂現(xiàn)象會(huì)使雷達(dá)的威力方向圖產(chǎn)生凹口(盲區(qū))，凹口深度與海平面的平坦度以及天線架設(shè)高度有關(guān)[10]，當(dāng)目標(biāo)處于凹口(接收信號(hào)衰減)區(qū)時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)跡回波容易出現(xiàn)丟失。因此在雷達(dá)設(shè)計(jì)及評(píng)估雷達(dá)對(duì)低空目標(biāo)的作戰(zhàn)效能時(shí)，多路徑效應(yīng)的影響不可忽略。

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