地面戰(zhàn)場偵察雷達穿樹衰減試驗研究

王勝國，周 鵬，王 蘭，吳霞飛

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南鄭州 450047）

0 引言

在現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭中，信息化偵察裝備可以輔助部隊更快、更好地獲取實時的戰(zhàn)場情報，監(jiān)視戰(zhàn)場態(tài)勢。地面戰(zhàn)場偵察雷達是現(xiàn)代陸地戰(zhàn)場上不可或缺的偵察裝備，主要用于偵察戰(zhàn)場上敵方地面或低空目標，監(jiān)視敵方動向，及時掌握戰(zhàn)場態(tài)勢的變化，為偵察部隊提供情報支援［1-2］。為了獲取己方戰(zhàn)場優(yōu)勢，各國的戰(zhàn)場偵察雷達不斷推陳出現(xiàn)，新體制偵察雷達不斷涌現(xiàn)，應用頻段逐漸向高頻拓展。

當前，國內(nèi)外對戰(zhàn)場偵察雷達的設計多是針對通視條件下的裸露目標，而對受叢林等障礙遮擋的目標，由于其特定的雷達工作頻率、工作模式、功率孔徑積限制，不利于發(fā)揮其效能?；赩HF 和UHF 頻段的地面戰(zhàn)場監(jiān)視雷達雖然對葉簇、樹林等的透視能力更強，但往往體積過大，機動性差，不具備隱蔽特性和便攜特性。因此具有隱蔽性和一定的葉簇穿透功能的高頻段地面戰(zhàn)場監(jiān)視雷達應用備受關(guān)注［3］。

本文主要是模擬地面戰(zhàn)場偵察雷達探測地面目標和低空目標進行高頻段電磁波穿樹損耗試驗，對外場試驗數(shù)據(jù)進行分析、總結(jié)。根據(jù)不同頻段、不同極化、不同樹叢厚度等變量條件對電磁波穿透信號的影響，總結(jié)出在樹林中的傳播損耗特性與雷達頻率、極化方式、樹叢厚度等參數(shù)之間的關(guān)系,為寬帶地面戰(zhàn)場便攜偵察雷達兼顧裸露和遮擋目標、地面和低空目標的設計提供參考依據(jù),為進一步的研究奠定基礎。

1 植被對雷達性能的影響

當前，國內(nèi)外針對叢林和葉簇對電磁波的衰減效應研究多屬于理論研究［4-7］，葉簇穿透試驗主要集中在VHF 和UHF 波段，其中最全面的外場試驗為美國在20世紀80年代開展的葉簇穿透試驗［8-10］。1992年到1993年中原電波傳播研究所在中牟林場開展的試驗頻段也在UHF 和VHF 波段，由于當時雷達應用需求的局限，都沒有對更高頻段展開研究［11］。然而隨著電子技術(shù)的進步，綜合分辨率、尺寸等的需求，雷達應用逐步向高頻率發(fā)展，上述的試驗結(jié)果對高頻段的適用性已未可知。

雷達探測信號穿透植被或樹林導致的信號電平衰減主要為穿透衰減和后向散射特性，此外受到自由空間的雜波和地面、建筑物的多徑信號影響。根據(jù)既有的研究可知，穿透電磁波能量的衰減與頻率、極化、入射角度和樹木的種類、密度也都有關(guān)系，很難準確分析它們之間的定量關(guān)系。

根據(jù)已有的國外試驗數(shù)據(jù)和研究成果，對葉簇類植被穿透的衰減理論計算主要有以下兩種［12］:

式中，A為衰減系數(shù)，f為工作頻率，單位是GHz。該公式根據(jù)VHF 和UHF 頻段的試驗得出，僅考慮了衰減系數(shù)隨頻率的變化，沒有考慮穿透深度、極化等的影響。

考慮到穿透路徑深度對衰減系數(shù)的影響，可認為衰減率隨穿透深度的增加而減小，基于這一假設，上式被修正為［13］

信號經(jīng)過樹林時引起的衰減Lf是頻率f（GHz）和在樹林中的傳播距離d（m）的函數(shù)。

可以看出公式（1）、（2）均是國外根據(jù)VHF 和UHF 頻段試驗研究得出，對于更高頻段的適用情況并不清楚，也沒有實測數(shù)據(jù)支撐。因此，急需開展高波段電磁波穿透樹叢試驗，為全面設計戰(zhàn)場偵察雷達在各種應用場景的性能提供參考。

2 穿樹試驗情況

2.1 試驗概述

為了全面準確地采集穿樹試驗數(shù)據(jù)，本試驗設計采用L/S/C/X/Ku 五個波段、H/V 兩種極化的電磁波測試，樹叢選取了不同高度、不同密度、不同厚度、不同環(huán)境下同種類喬木。

2.2 小喬木樹干穿透試驗

小喬木樹干穿透試驗在某空曠野外進行，天氣晴，溫度16 ℃，微風；樹高10 m，葉子較密，樹與樹之間間隙為1.5 m，樹叢厚度為100 m；發(fā)射天線與接收天線距離200 m，發(fā)射天線架到空曠處，與樹叢邊緣間隔100 m，接收天線架到樹叢另一邊緣處，兩天線架設高度相同，均為1.5 m。試驗設置及樹叢情況如圖1所示，其中路徑1 表示通視情況下的信號傳播路徑，路徑2表示正對樹干情況下的傳播路徑，路徑3 表示沿兩排樹間隙的傳播路徑，路徑4表示沿三排樹木斜線方向的傳播路徑。

圖1 小喬木樹干穿透試驗情況

試驗過程主要是沿著圖中所示4 條傳播路徑方向進行收發(fā)信號試驗，將路徑2、路徑3、路徑4條件下接收電平與路徑1 條件下接收信號電平作比對，以此去除空氣損耗與空間噪聲影響，得出不同頻段的衰減曲線，試驗數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 小喬木樹干穿透試驗結(jié)果

從上述試驗數(shù)據(jù)可以看出不同頻段斜線方向信號電平衰減值都相對較大，低頻段水平極化比垂直極化稍微要好，這是符合理論實際的，但是極化方式、樹葉樹干的測試沒有明顯的規(guī)律，而且存在比較大的起伏。通過分析，雷達發(fā)射段前面存在一段水泥路面，發(fā)射時存在多徑現(xiàn)象，還有采用的是喇叭口發(fā)射信號，衰減跟波束寬度也有一定的關(guān)系。所以地面戰(zhàn)場雷達在偵察時不僅要考慮穿樹的損耗影響、樹干的反向散射影響，還需要對地面環(huán)境進行分析總結(jié)來應對復雜的特殊地形地貌。

2.3 小喬木有序分布葉簇穿透試驗

小喬木有序分布葉簇穿透試驗在某野外防護林進行，天氣晴，溫度7 ℃，大風。穿透對象為15 m高法桐樹，有部分葉子，樹與樹之間間隙約為2 m。試驗分為近距離和遠距離兩次，近距離樹叢厚度為35 m，接收天線架設到樹叢邊緣，高2 m，發(fā)射天線架設到一個高臺上，高約4 m，與接收天線距離為94 m。遠距離樹叢厚度為30 m，接收天線架設到樹叢邊緣，高2 m，發(fā)射天線架設到路邊，高于接收天線，與接收天線距離為478 m，與樹林邊緣距離430 m。信號穿透樹干與部分樹冠，通視測試距離為94 m。試驗設置及樹叢情況如圖3所示。

圖3 不同發(fā)射距離穿樹試驗設置和樹叢情況

記錄信號穿透樹叢后的接收電平，通過比對其與通視接收信號電平，并考慮距離因素，得出不同頻段的衰減曲線，如圖4所示。從圖中可以看出信號的極化對穿透衰減的影響不大，而穿透的距離對衰減影響較大。由于近距離情況下，信號穿透路徑多經(jīng)過葉簇，衰減較大；遠距離情況下，信號基本都是經(jīng)過樹干穿透，衰減較小。

圖4 小喬木有序分布葉簇穿透試驗結(jié)果

2.4 小喬木復雜分布葉簇穿透試驗

小喬木復雜分布葉簇試驗在某高地分兩次進行，L、S、C 波段天線測試條件:天氣晴，9 ℃，有風；X、Ku 波段天線測試條件:天氣晴，8 ℃，無風。樹叢為法桐樹和其他小喬木間雜的復雜樹叢，法桐樹高15 m，樹叢葉子較密，樹叢厚度為27 m，發(fā)射天線與接收天線距離140 m，發(fā)射天線架到高地上，海拔落差27 m，接收天線架到樹叢邊緣處，架高1.5 m，所有測試數(shù)據(jù)均取多次測量平均值。試驗環(huán)境搭建及樹叢分布如圖5所示。

圖5 小喬木復雜分布葉簇穿透試驗及樹叢情況

小喬木復雜分布葉簇穿透試驗測試項目主要分為不同頻段天線及極化方式條件下測試信號穿透樹叢后的接收電平，通過比對其與通視接收信號電平，并考慮距離因素，得出不同頻段的衰減曲線，如圖6所示。從圖中可知，隨著頻率增加，信號穿透的衰減增加；L、S、C、X頻段水平極化衰減比垂直極化略小，而Ku頻段不同極化基本一致。信號衰減隨頻率變化趨勢與上述公式（2）基本一致，僅在X/Ku頻段，實測值比公式（2）計算值小5 dB左右。

圖6 小喬木復雜分布葉簇穿透試驗結(jié)果

從以上試驗數(shù)據(jù)可以大致看出，L/S 頻段水平極化和垂直極化在穿樹試驗中損耗相對較小，整體隨頻率升高，損耗增加，X/Ku頻段的穿透衰減較大；在部分情況下，不同極化間存在一定的差異，但在多數(shù)情況因極化引起的差異較?。粯鋮驳暮穸群腿~簇的茂密程度對信號的損耗影響比較明顯，而在通視情況下距離引起的損耗較小，因此在布設雷達時應評估障礙物的情況，避免信號衰減過大。在評估樹叢對雷達探測威力的影響時，可采用公式（2）進行估算。

3 結(jié)束語

通過上述實驗分析，對于地面樹干的穿透試驗，不僅要考慮不同頻率和不同極化方式在穿過樹干的損耗影響和樹干的反向散射影響，還需要對地面環(huán)境進行分析，地面起伏帶來的多徑效應也會帶來強烈的干擾，從而影響目標的初始信息；另一方面是對復雜樹葉環(huán)境的葉簇穿透試驗，樹干的影響隨之降低，水平極化相對于垂直極化具有的優(yōu)勢不大，而低頻段相對于高頻段具有較大的優(yōu)勢。當然以上研究還具有一定的局限性和片面化，下一步將細化環(huán)境條件和雷達參數(shù)，通過建立數(shù)據(jù)庫和模型庫來發(fā)掘更多典型場景下的雷達穿樹損耗情況。

隨著邊境小規(guī)模武裝沖突的增加，地面戰(zhàn)場穿透雷達這一新體制雷達必將有更為廣泛的應用前景。在實際工程應用中建議綜合考慮使用環(huán)境、戰(zhàn)技指標需求和成本控制等多方面因素選擇合適的雷達頻段和極化方式，從而達到雷達資源的優(yōu)化和合理應用。也可以采用一些如分布式多站雷達、變極化等新體制、新模式來探究地面戰(zhàn)場穿透雷達的發(fā)展方向，牽引該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展新變革。