基于平面模型的雷达多路径效应分析

白俊龙

【摘 要】本文在平面模型下，结合一般海况及平面粗糙度，使用频率分集技术，对雷达多路径效应进行了分析、仿真。通过仿真结果可知，该技术可减小多路径效应影响，提高雷达跟踪精度。

【关键词】平面模型；多路径效应；频率分集

【Abstract】In this paper， plane model is combined with the general conditions and sea plane roughness， frequency diversity is used to analyze the radar multipath effect. The simulation results show that frequency diversity can reduce the influence of multi-path effects and improve tracking accuracy.

【Key words】Plane model； Multipath effect； Frequency diversity

雷达在跟踪低仰角目标时，由于地面或海面反射波的影响，产生多路径效应，这时接收信号时直接信号和海面反射信号的矢量和，相当于目标和它的像之间发生角闪烁，会导致跟踪目标精度的降低，甚至天线出现距离抖动，跟踪失效。

低仰角跟踪技术至今还没有一种公认的成熟技术，仍然是国内外广泛感兴趣的课题。实际上低仰角跟踪的主要困难在于目标和影响是相关的，并且他们的相对相位只有缓慢的变化。直达波和反射波的路径相差不大，在海面上，他们仅在俯仰角坐标上是分开的，因此绝大部分误差出现在仰角跟踪通道中，在误差比较严重时，雷达中的残余串扰可能在方位角通道中引起一些误差。

1 多路径效应原理

单脉冲雷达跟踪系统是利用天线的和、差方向图函数来测量目标方向的。用E表示目标相对于天线瞄准轴的偏转角，设在自由空间天线和波束电压增益为A，差波束电压增益为B，则经馈源、信道和接收机送给伺服系统的误差控制信号为A/B，该信号将控制伺服系统驱动天线差方向图为零的方向运动而实现对目标的跟踪。

在低仰角或负仰角条件下，天线接收的不仅有来自目标的直射波，而且有经地面、海面的镜面反射波，还有经各种途径到达天线的漫反射波。一般情况下，地面和海面的反射波中起主要作用的仍是镜面反射。

2 平面模型下雷达多路径效应相位差分析

（1）式中未计入漫反射分量和天线馈线与接收机噪声，虽不足以准确描述结果，但该式足以说明多径反射条件下误差控制信号的组成成分和构成关系。由于多路径反射存在，即使令天线瞄准轴指向目标（ε=0），接收机输出角误差也不为零。想要使其为零，必须将天线偏转一个角度使之与多路径反射信号相抵消，偏转的这个角就是多路径效应形成的角误差。

分析式（1），发现其第三项取决于天线波束及其指向、反射性质，且取决于直射波和反射波的相位差，故角误差控制信号与φ紧密相关，也就是目标运动过程中随着ht和R变化，φ将连续、迅速的变化，将形成天线仰角方向的剧烈抖动，引起天线跟踪轴大幅度摆动，严重时导致目标丢失。

3 粗糙表面反射系数

雷达波在被地面反射后，幅度会造成损失，相位也会出现变化。在总的地面发射系数中，引起这些变化的因素有三个：平坦地面的反射系数、地球曲率产生的发散因子、表面粗糙度。

3.1 平滑表面反射系数

4 频率分集技术

地面反射波对跟踪系统的影响主要表现在俯仰支路，改善低仰角跟踪性能常用的一种方法是分集技术，主要有频率分集接收、不同高度天线分集接收、信号极化分集合成接收方法。这里，本文采用频率分集接收。

低仰角测量误差与雷达的工作波长有关，可以采用多个工作点频，对每个点频，可以获得一组目标的角度误差，通过多个点频计算得到的角度值进行平均化处理，并求其方差，以期能更接近角度真值。

上图中，虚线为水平极化反射系数，实线表示垂直极化反射系数，且选取X波段，海水水温为28℃，此时，ε′=65，ε″=30.7i。由上面两图可知：（1）掠射角很小时，水平极化的反射系数幅度等于1，角度上升时，幅度单调地下降；（2）垂直极化的幅度有一个很明显的最小值。对应这种条件的角称为brewster极化角；（3）对水平极化，其相位几乎为π，但是，对于垂直极化，在brewster角范围内，相位变为零；（4）当掠射角很小时，水平极化或垂直极化波的传播几乎没有差别。

求得反射系数后，选取多个点频对多路径信号进行分集处理，计算出仰角误差，其结果如图4、图5所示：

图4为单个点频雷达的仰角误差，图5蓝色曲线为进行频率分集后各点的仰角误差，对比上面两图，可以看出，多点频频率分集处理后，雷达低仰角误差有所减小，且频点越多，其效果越好。

6 结语

多路径效应会严重影响跟踪系统对目标的跟踪精度及稳定性。本文在介绍低空目标多路径效应形成原理的基础上，论述了多路径效应对雷达造成的一些影响，进而使用频率分集技术降低多路径的影响，减小了雷达低角跟踪时的仰角误差，可减少因多路径而引起的天线抖动，从而更好的保障雷达对低空目标的平稳跟踪。

[责任编辑：杨玉洁]