多路径反射对舰载侦察设备侦收信号的影响

王 澍,邵文建

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



多路径反射对舰载侦察设备侦收信号的影响

王 澍,邵文建

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

结合侦察设备的研制试验，分析了海上多路径反射效应对侦察设备侦收信号的影响。结果表明不同类型的多路径反射效应的影响是不同的，有时会导致信号幅度的变化，有时会使脉冲波形产生畸变，有时会导致信号增批。

侦察设备；多路径效应；反射效应

0 引 言

从事舰载侦察设备(ESM)的设计师们往往会观察到这样一个现象，在同一海域接收同一部雷达信号时，其信号幅度会随着时间有明显的变化，更有甚者，目标雷达明明在视距范围内，雷达发射的信号功率也较强，但有时却很难收到它的信号，以至于让人怀疑侦察设备工作是否正常。若用示波器检查接收到的视频信号波形，也可证实信号幅度的变化，有时脉冲波形还会出现明显的失真。要解释这一现象，人们自然会和多路径效应[1]联系起来，但是多路径效应究竟是如何影响的，产生这种现象的条件是什么，还有必要进行细致分析。

本文分析了海上多路径反射的几种情况，试图定量地解释上述现象。分析表明，海上多路径反射大体上可以分为2种情况：一种情况是不同路径之间的路程相差较短，其程差在几十厘米至十几米量级，路径之间的时延远小于脉冲宽度，在这种情况下，主要的影响是信号干涉导致幅度的变化和脉冲波形的畸变;另一种情况是，不同路径之间的路程相差很长，其程差在数百米至数千米量级，路径之间的时延大于脉冲宽度，在这种情况下，主要的影响是导致信号增批。

1 信号干涉导致幅度变化和脉冲波形畸变分析

本文只分析视距内信号传输的多路径效应，由于电磁波直线传播和地球曲率的影响，对海面上的目标来说，通视距离为：

(1)

式中：d为电磁波传播的直线距离(km)；hT和hR分别为雷达发射天线和侦察设备接收天线距离海平面的高度(m)；考虑到大气的正常折射，系数3.57应改为4.1[2]。

假定雷达天线架设高度25 m、侦察天线架设高度25 m，由式(1)可以看出，一般的视距范围在40 km左右。图1给出了视距范围内的信号多路径传播示意图，园弧表示地球表面，A点为雷达发射天线位置，B点为侦察设备的接收天线位置。由图1可以看出，信号从A点传输到B点，存在2条路径：直达路径AB和海面反射路径AOB，O点为等效反射中心。

图1 视距范围内的信号多路径传播示意图

从A点和B点分别作地球大圆的切线，切点分别为D和C，只要C、D之间的范围超过菲涅耳区[1]，且雷达天线和侦察接收天线的仰角波束都覆盖了该范围的海面，则可按照正常的反射信号考虑。

通常，通视距离d≫hT和hR，故电波投射到水面的仰角很小，在计算接收点场强时可忽略直射波和反射波电磁场方向的差异，接收到的信号场强可表示为直达波和反射波间的叠加，其幅度为：

(2)

式中:|R|为等效反射系数的幅度；φ为等效反射系数的相位；β=2π/λ为自由空间的相移常数，λ为自由空间波长;Δr为波程差，根据简单的几何关系得到：

(3)

前人的试验研究表明[1,3]，对于水平极化波，在入射波仰角比较小的情况下，海面的反射系数幅度接近于1，相位为180°；对于垂直极化波， 其反射系数较小，且随着仰角而变化，相位小于180°。相比之下，陆上的反射系数影响更小一些。

d≫hT、hR时，波程差Δr很小，如果波程差只有几十厘米量级，时间差则只有ns量级，此时主要考虑多路径反射信号的干涉效应，而对波形畸变的影响不明显。根据侦察方程，考虑到多路径反射信号的干涉效应，侦察天线接收的信号功率为：

(4)

式中：Pt为被测雷达的发射功率；Gt为被测雷达的天线增益；Gr为侦察设备的天线增益；λ为信号波长；d为雷达天线与侦察天线之间的距离。

对式(4)两边取对数以后得到：

Pr=10lg(PtGtGr)-32.5-20lgf-20lgd- 10lg[1+|R|2+2|R|cos(βΔr+φ)]2

(5)

为了直观地看出反射信号的干涉效应，图2给出不同条件下侦察天线接收信号的功率随距离变化的模拟结果。计算条件假设为:雷达天线和侦察天线的架设高度均为25 m，工作频率10 GHz，距离d在10～35 km之间变化，式(5)中的10lg(PtGtGr)按照90 dBm计算。海面的等效反射系数分别为0.6(图中实线)和0.2(图中点画线)，反射系数相位均按180°考虑；图中虚线为不考虑反射时接收信号的幅度。可以看出，由于干涉效应，接收信号的幅度并非完全随着距离的增加而越来越小，而是存在明显的波动，波动的振幅和等效反射系数有关，若等效反射系数较大，波动的振幅可达十多分贝。

图2 不同条件下接收信号功率随距离变化的模拟结果

当反射信号和直达波信号的程差Δr超过10 m量级时，其时间上会产生超过几十ns的延迟，干涉的结果就会使脉冲信号波形产生明显的畸变。为了便于分析，假定雷达波信号为普通的矩形脉冲：

e0(t)=A0(t)cos(ϖ0t)=rect(τ,t)cos(ϖ0t)

(6)

反射波信号为：

(7)

直达波信号和反射信号叠加以后得到：

(8)

假设等效反射系数为0.6，信号的脉冲宽度为1 μs，反射信号和直达波信号的路程差Δr=15 m，相位差180°，模拟结果表明叠加后得到的脉冲波形如图3所示。由图3可以看出脉冲波形有明显的畸变，且脉冲宽度略有增加。

图3 叠加后得到的脉冲波形图

2 多路径反射信号增批分析

如果不同路径之间的路程相差很长，路径之间的时延大于脉冲宽度，反射波信号与直达波信号之间不会重叠而形成干涉，主要的影响是造成信号增批。首先分析波束内反射体反射的影响，图4为设想的多路径反射场景，侦察天线安装在舰船A上，反射体为一艘相邻的舰船B，二者都在雷达的同一波束内，距离为L(雷达、侦察天线和反射体三者基本在一直线内)，当雷达波束照射到侦察天线的同时，也会照射到反射体B。

图4 波束内反射体的反射场景示意图

按照图4的场景，假定二者距离L为1 km，侦察天线接收到的信号模拟结果如图5所示。雷达的直射波首先被侦察天线接收到，从反射体B反射的雷达波经过一定的延迟，又会照射到侦察天线上，这样侦察天线就接收到2个信号，前面一个幅度较大的是雷达的直射信号，后面一个是相邻舰船的反射信号(不考虑多次反射)，这种现象可称为伴随脉冲增批。由于侦察天线通常采用全方位接收方式，因此接收机中出现的2个信号的频率和脉冲宽度都相同，但方位和幅度不同。考虑到反射信号的幅度与反射体的等效散射截面及距离等多种因素有关，因此对于反射信号的幅度只作定性的模拟。

图5 波束内反射体反射增批的模拟效果图

另一种常见的反射现象是波束外反射体的反射，图6为典型的反射场景。

图6 波束外障碍物的反射场景示意图

反射体和侦察天线的载体舰船不在雷达的同一波束内，雷达波束的主瓣照射到侦察天线时，不会照射到反射体，不会出现图5所示的伴随脉冲增批。由于雷达天线波束是在海面上旋转搜索，当雷达波束转到反射体方向时，却照射不到侦察天线，通过反射体反射的信号才会照射到侦察天线，这样侦察天线接收到的信号波形如图7所示。

图7 波束外障碍物反射增批的模拟效果图

图7中，前一个包络为直射信号，后一个包络为反射信号，二者频率和脉冲宽度都相同，但方位和幅度不同。它们之间的时间间隔取决于雷达波束旋转所需要的时间。若用图7中的虚线表示接收机灵敏度门限电平，则可看出，当直射信号较强时，接收机可以侦收雷达的主瓣和旁瓣，而反射信号通常较弱一些，其旁瓣的反射信号可能在灵敏度门限电平之下。显然，适当降低侦察接收机灵敏度可以减小反射增批的影响。

以上模拟分析结果表明，只要不同路径间的时延大于脉冲宽度，不论是波束内的反射信号和波束外的反射信号，都可能造成增批现象。试验也表明，舰船航行时，相邻船只或附近岛屿的反射都可能造成反射增批，接收机灵敏度越高，增批现象越重。增批现象还和海况有关，在较平静的海面上一般增批较少，如果附近有多条船只，则增批明显，特别是在港口停泊时，各种港口建筑、船舶和山丘的反射信号都可能会造成较严重增批。

3 结束语

本文虽然只是分析了几种简单的模型，但模拟的结果和海上试验观察的现象是吻合的。本文分析有助于解释一些现象，同时可供采取减少增批措施的参考。

本文没有涉及侦察天线的载体舰船本身反射的影响。通常情况下，侦察天线的安装位置在设计时都已经做了充分考虑，以尽可能减少对载体舰船的影响。

[1] 肖景民，王元坤.电波传播工程计算[M].西安：西安电子科技大学出版社，1989.

[2] 赵国庆.雷达对抗原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005.

[3] 熊皓.无线电波传播[M].北京：电子工业出版社，2000.

Influence of Multi-path Reflection on Receiving Signals of Shipborne Reconnaissance Equipments

WANG Shu,SHAO Wen-jian

(The 723 institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Combining with the development and test of reconnaissance equipment,this paper analyzes the influence of multi-path reflection effect on receiving signals of reconnaissance equipments on the sea.The results indicate that the influence of different type of multi-path reflection effect is different,and the influence sometimes will result in the change of signal amplitude,distortion of make the pulse waveform or generation of false signals.

reconnaissance equipment;multi-path effect;reflection effect

2015-11-26

TN971.1

A

CN32-1413(2016)05-0028-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.006