雷达多路径干扰问题的探讨

中国民用航空华东地区空中交通管理局　彭逸飞

雷达多路径干扰问题的探讨

中国民用航空华东地区空中交通管理局彭逸飞

本论文主要讨论了二次雷达的多路径问题的形成原理和影响，分别从不同类型反射面进行状况分析，对多径问题给二次雷达造成的干扰进行深入了解。

多路径；路程差；水平夹角

1　多路径的概念与分类

1.1 多路径的概念

多路径是指发射机和接收机之间存在不止一条的发射机和接收机信号路径。多路径是影响和限制二次雷达达到其理论探测性能的主要因素。在这些信号路径中，只有一条是发射机和接收机之间的直达路径，除此之外还存在其他路径，比如由于水面、建筑物和山脉之类反射形成的信号路径。由于二次雷达均使用短脉冲串，直射信号与反射信号在时间上形成交错或完全分开，其时间差会改变应答脉冲的视在数目，从而导致解码错误或错误地检测为存在多架飞机。多路径还会伴随着信号的衰减。

1.2多路径的分类

多路径问题中，直射路径和反射路径间的关系有多种情况，从直射方向与反射方向的方位间隔来区分，大概可分为3类：

1）水平地面或水面反射信号与直射信号位于同一垂直平面。2）由于反射面的原因使反射信号与直射信号有一个小水平夹角θ，但仍可在同一个波束驻留时间内检测。

3）反射信号与直射信号之间有较大的水平夹角θ，不可在同一个波束驻留时间内检测。

而在这3类情况中，又会因为反射角度产生的反射路径与直射路径之间路径差的大小造成不同的信号到达时间间隔，从而出现两种不同情况：

1）直射路径和反射路径的路径差太小，以至于两条路径的同一个脉冲到达时几乎完全重叠。

2）直射路径和反射路径的路径差不够小，两个路径的同一个脉冲到达时部分重叠或不重叠。

1.3同一垂直平面内的多路径信号

1）直射路径和反射路径的路径差为小路程差

小路程差使直射信号和反射信号几乎完全重叠，经由两种路径返回天线的射频能量根据它们的相位关系相加或相减，产生合成信号。当两者趋向于同相时，合成信号会加强；当两者趋向于反相，它们会相互抵消形成一个削弱的信号。结果是，在同相区域的信号增强，而在削弱区域的信号会衰减。飞行器穿越衰减区时，信号会变弱甚至中断。

在实际使用中，有些雷达使用的全向单独天线辐射控制脉冲P2。当此独立天线与主天线安装高度不同时，会使P1P3与P2脉冲波瓣最小值位置不同，打破P1P2间的平衡，影响副瓣抑制特性，即询问机的询问脉冲在传输过程中被多径改变脉冲间隔幅度比，P1，P2的脉冲幅度会有所变化。极端情况下甚至会出现低幅度P1完全被P2所抑制的应答机完全抑制区和低幅度P2无法抑制某些副瓣的情况，分别称之为“主波束抑制”和“副瓣穿通”现象。

2）直射路径和反射路径的路径差为大路程差

由于大路程差的直射脉冲与反射脉冲的重叠非常少，雷达从返回脉冲的起始25%到50%端就可测出其幅度和方向。因此，大路程差的回波脉冲在测量区域不会失真。

但相对的，当直射路径和反射路径时间差等于1.45μs时（应答连续脉冲的间隔），若不谨慎对应答信号解码，应答编码的波形可能改变，从而改变飞机的识别码或高度码。

1.4小水平夹角间的多路径信号

1）直射路径和反射路径的路径差为小路程差

如果直射信号和反射信号的路程差小到二者信号几乎完全重叠，多路径的结果使实际波束产生严重失真，而且询问和应答路径均会带来明显的失真。

2）直射路径和反射路径的路径差为大路程差

与信号位于相同垂直平面的结果类似，当直射路径和反射路径时间差等于1.45μs时，会导致应答波束的波束改变，增加信号解码的难度。同样，定向误差也依然存在。

1.5大水平夹角间的多路径信号

无论水平路径的大小如何，大水平夹角多路径的主要影响是由于雷达信号受到建筑等物体的镜面反射而产生飞行器的镜像，即我们常说的雷达假目标。这种情况常见于城市与山脉。雷达与假目标的距离为反射路径的距离，假目标分为询问信号反射和应答信号反射两种情况。

如果询问机的询问信号受到反射面反射又被真目标的应答机接收到，而反射信号恰巧在主瓣范围内不受抑制，那么反射信号可能引起应答机的应答。应答信号经过直路径到达雷达后，产生假目标。他与真目标方位角相同，但距离更远。这被归类于同步干扰的一种情况。

如果应答机的应答信号受到反射面反射又被雷达接收，那么会产生一个方位角和距离均不同的假目标，真目标与假目标以反射面为中线对称。

相较之下，应答信号反射比询问信号反射常见得多，因此多数假目标与真目标并不在同一个方位角上。

2　多路径现象的抑制

2.1综述

多路径问题是影响和限制二次雷达达到其理论探测性能的主要因素之一。对应不同的反射现象，我们需要采取不同的措施来削弱甚至消除其对雷达所造成的影响，措施包括考察雷达的选址、选择合适的天线高度和STC控制曲线。

2.2雷达的选址与天线高度角度的选择

可以说，除开市政部门规划的因素，雷达的地基选址是以减少雷达信号反射影响和信号干扰为首要目标的。根据《航空无线电导航台和空中交通管制雷达站设置场地规范》规定：空管二次雷达的场地应开阔、地势较高、四周无严重的地形地物遮挡，并可获得足够的高、中、低空覆盖。以空管二次雷达天线为中心，半径450m的范围内，不应有金属建筑物、密集的居民楼、高压输电线等；半径800m的范围内，不应有能产生有源干扰的电气设施（如气象雷达、高频炉等）；在平原地区，为发挥设备最好效能，雷达站场地周围最好无高大植物和高建筑物。也可选在坚固建筑物顶上。在山区，应选地势较高、周围无严重遮挡的山顶，作为设备场地。

天线高度和角度的选择则更为复杂。除了天线高度必须超越本地障碍物视线外，还需参考由雷达波束地面反射公式所推出的地面反射威力图。在波束叠加削弱之中取舍，选取最适中的高度和角度，浦东雷神与Thales雷达都是大垂直口径天线（LVA）。

2.3STC控制曲线

STC即灵敏度时间控制，是作用于接收机的一种技术，是指采用对不同距离上不同强度的信号进行控制的方法来扩大接收机的动态范围。接收机灵敏度是指整个雷达能够正常工作时的最小输入信号功率，是接收机的主要技术指标之一。接收机动态范围是指接收机不过载时输入信号允许的最大变化范围。由于接收机的增益较高，内部的有源器件存在非线性，当输入信号较强时这些有源器件就要趋近于饱和并使接收机过载。饱和过载会产生方位测量误差等不良影响，STC以扩大改善接收机动态范围的方式来避免接收机过载。STC控制图也是我们对抗多路径反射现象的重要手段，绝大部分雷达系统均使用STC曲线控制。

由多路径反射的原理可知，多路径现象与雷达站周围环境的影响密不可分，雷达站周围的环境自然不会完全一致。这造成了雷达覆盖范围中各个角度的情况各不相同，加之反射物的偶然性，采用单一的线性STC曲线统一控制自然不合适。这种情况我们需要用到STC曲线的变种：可编程STC曲线。

可编程STC曲线可以细分雷达覆盖范围的各部分，将360°观测区域划分为若干个方位扇区，再按距离划分间隔，形成多个方位-距离单元（BOX）。每个扇区保持理论的衰减规律，再根据要求在不同距离上具有弹性地采用不同的STC曲线进行控制。针对不同情况采用相应的门限，既最大限度地抑制了多路径反射，又可以尽量保留雷达信号衰减区的信号而不丢失目标。浦东Raytheon一二次合装雷达就采用STC曲线控制来抑制多路径反射影响，它的STC控制作用于图2.3.2中所示的中放部分。它的可编程STC可以将雷达覆盖范围分32个扇区，每个扇区分为16格，即512个BOX。

2.4TVBC曲线

法国Thales雷达采用TVBC曲线来代替STC。TVBC（Time Varied Base Clipping）为RSM970S内置系统，作用于应答处理机MRP。同STC原理类似，它能滤除那些近距离范围内强度太低的回波信号，保留那些幅度超过门限电平的脉冲，从而有效地排除杂波干扰和镜像目标。按照电磁波在空间的传播损耗（1/R*R），TVBC曲线按每倍程6dB衰减，共有12条TVBC曲线可供按照本场环境条件精确调节，支持雷达操作者在现场编程生成曲线。它可以将雷达覆盖区分为32个扇区进行分别的曲线调整。

3　总结

二次雷达的多路径反射和干扰一直是雷达运行过程中的最大外部影响。浦东雷达室拥有的雷神一二次合装雷达运行年份已经超过10年，Thales二次雷达也已久经风雨。如今新雷达站已经定基，靠近浦东海边。水面是多路径问题比较严重的一种地况。这将是对我们能力的一个重大挑战。

相较二次雷达来说，一次雷达的多路径问题因为其发射波与回波同频率的原因而显得更难解决。虽然如今使用一次雷达的次数已经不多，但还是需要对其认真钻研。

［1］雷神CodorMk2二次雷达系统手册［Z］.北京.民航总局空中交通管理局雷达导航处，2000.04.

［2］张尉.二次雷达原理［M］.北京.国防工业出版社，2009.05.

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