劉小兵,魏永輝,朱 方,甘宸伊

(中國人民解放軍63788部隊,陜西 渭南 714000)

改善多徑效應(yīng)對二次雷達(dá)測角精度影響研究

劉小兵,魏永輝,朱 方,甘宸伊

(中國人民解放軍63788部隊,陜西 渭南 714000)

多徑效應(yīng)是影響和限制單脈沖二次雷達(dá)探測性能的最主要因素。為了削弱多徑效應(yīng)對二次雷達(dá)測角精度的影響,提出了OBA曲面函數(shù)結(jié)合累加權(quán)重的處理方法。通過理論分析及對實(shí)際接收信號進(jìn)行處理,結(jié)果表明該方法能有效地降低干擾并且明顯提高測角精度。

二次雷達(dá);多徑;OBA曲面函數(shù);累加權(quán)重

0 引 言

隨著現(xiàn)代航空運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展,飛行密度日益增加,航管二次雷達(dá)在空中交通管制中越來越發(fā)揮著不可替代的作用[1]。隨著二次雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入,實(shí)際監(jiān)視需求對目標(biāo)的探測能力要求也越來越高。在二次雷達(dá)的各項技術(shù)性能指標(biāo)中,測角精度是一個較為關(guān)鍵的性能指標(biāo)。它不僅影響二次雷達(dá)自身的使用,而且直接關(guān)系到和一次雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)確性,進(jìn)而影響一、二次雷達(dá)的數(shù)據(jù)融合及整個系統(tǒng)的性能[2]。

二次雷達(dá)測角技術(shù)發(fā)展相對成熟,從常規(guī)的滑窗測角技術(shù)到幅度單脈沖測角技術(shù),雖然能夠達(dá)到較精確的測向水平,但是在惡劣的電磁環(huán)境下,尤其是在受到多徑干擾影響時,隨著信號的衰減,測向精度就會明顯降低,雷達(dá)設(shè)計人員通常只能被動地采用地面天線的合理選址來減輕多徑導(dǎo)致的問題[3]。因此,本文提出了OBA曲面函數(shù)結(jié)合累加權(quán)重處理的方法,可以有效地提高雷達(dá)測角精度,削弱多徑效應(yīng)的影響。

1 二次雷達(dá)測角原理

現(xiàn)代的二次雷達(dá)采用單脈沖體制,其測角方法通常是幅度單脈沖法。該測角方法是根據(jù)天線特性獲取一組應(yīng)答信號的和/差幅度值及符號信息,根據(jù)和/差幅度的比值及符號信息確定目標(biāo)在當(dāng)前波束中心指向的偏移值,從而獲取目標(biāo)準(zhǔn)確方位。目標(biāo)方位的計算公式如下:

TA=BA+OBA

其中,TA為目標(biāo)相對于參考0°的真實(shí)方位角度,BA為二次雷達(dá)天線中心軸相對于參考0°的方位角度,OBA為目標(biāo)相對于二次雷達(dá)天線中心軸的偏移角度。

天線中心軸方位(BA)可以根據(jù)天線轉(zhuǎn)臺的方位碼盤獲取。碼盤最小分辨力可以達(dá)到360/(214)°(該二次雷達(dá)采用214位對360°方位進(jìn)行量化),甚至更高。因此,目標(biāo)方位(TA)的準(zhǔn)確性主要是取決于目標(biāo)相對天線中心軸向的偏移角度(OBA)[4-5]。幅度單脈沖測角原理框圖如圖1所示。

圖1 幅度單脈沖測角基本原理圖

目標(biāo)應(yīng)答信號相對天線軸向的入射角度不同,根據(jù)天線方向特性能夠獲取一組和幅度(∑)/差幅度(△)比值與偏移方位(OBA),進(jìn)一步得到曲線OBA=f(∑,△)。因?yàn)樘炀€的方向特性與接收機(jī)的線性量度是固定的,所以曲線OBA=f(∑,△)是可以預(yù)先得到的。然而,由于外部多徑效應(yīng)的干擾,加上雷達(dá)內(nèi)部的噪聲和校準(zhǔn)誤差,使得天線固定參數(shù)所給出的OBA表并不能完全反映實(shí)際情況,致使二次雷達(dá)的測角產(chǎn)生誤差。

2 多徑效應(yīng)對目標(biāo)測角精度的影響

影響和限制二次雷達(dá)探測性能的最主要因素是多徑效應(yīng)。多徑即應(yīng)答發(fā)射機(jī)和地面站接收機(jī)之間存在不只一條信號路徑。在這些路徑中,只有一條是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的直接路徑,此外還存在其他路徑,如地物和建筑物之類反射形成的多個信號路徑[6]。由于二次雷達(dá)使用短脈沖串,直射信號和反射信號在時間上形成交錯或完全分開,其時間差會改變應(yīng)答脈沖特性數(shù)據(jù),從而導(dǎo)致解碼錯誤或產(chǎn)生一個或多個虛假目標(biāo),并通常伴隨信號的衰減[7]。

直接路徑和反射路徑間的關(guān)系有多種情況,從直射方向和反射方向的方位間隔來區(qū)分,大致可分類為3種[3]:

(1) 地面反射信號和直接路徑信號同一垂直面達(dá)到;

(2) 物體或者傾斜地面反射信號與直射信號有一個小的水平夾角,但是信號可在相同的波束滯留時間內(nèi)被探測到;

(3) 物體或者傾斜地面反射的信號與直射信號有一個大的水平夾角。

所有這3類多徑又可以分為兩小類:

?反射信號與直射信號兩個路徑的信號在時間上存在很小的差異,這樣通過兩個路徑到達(dá)的相同脈沖就會出現(xiàn)重疊;

?反射信號與直射信號兩個路徑的信號在時間上存在很大的差異,這樣通過兩個路徑到達(dá)的相同脈沖就有部分重疊或不重疊。

不同的反射現(xiàn)象會產(chǎn)生不同的效果,如表1所示。

結(jié)合實(shí)際環(huán)境,目標(biāo)應(yīng)答信號在傳播途中遇到復(fù)雜地形地貌,尤其是不規(guī)整的山脈,極易形成直射與反射信號零角度和小水平角度短路徑疊加,產(chǎn)生的能量衰減或和、差特性擾亂,進(jìn)而使得接收信號幅度產(chǎn)生異變,直接導(dǎo)致OBA的取值函數(shù)f(∑,△)的輸入自變量的差異,從而OBA值獲取不準(zhǔn)確,造成目標(biāo)的方位角(TA)不準(zhǔn)確,如圖2所示。

表1 多徑類型及造成的系統(tǒng)誤差

圖2 異常目標(biāo)應(yīng)答幅度圖形

對付多徑效應(yīng)的影響是有一定難度的。這應(yīng)綜合考慮以下方面:在詢問階段地面天線波束失真帶來的系統(tǒng)問題、在應(yīng)答階段地面天線波束失真問題、在應(yīng)答處理中脈沖檢波和濾波問題等。本文主要從應(yīng)答信號處理方面入手,提出了改善二次雷達(dá)測角精度的方法措施。

3 改善單脈沖測角精度的方法措施

3.1 OBA曲面函數(shù)方法

傳統(tǒng)的平面式OBA取值方法是采用線性函數(shù)作為獲取OBA值的函數(shù),利用matlab對二次雷達(dá)實(shí)測的目標(biāo)原始應(yīng)答信息進(jìn)行高斯擬合,獲取傳統(tǒng)的平面式OBA取值函數(shù)關(guān)系式。

由于每個目標(biāo)都由多次原始應(yīng)答的凝聚形成,因此收集目標(biāo)原始應(yīng)答信息。應(yīng)答信息中必須的要素如表2所示。

將某個目標(biāo)的原始應(yīng)答按照“目標(biāo)和通道幅度”、“目標(biāo)差通道幅度”、“目標(biāo)方位”提取出來,形成“(∑-△)-方位”偏移圖,如圖3所示。使用MATLAB自帶的“cftool”工具,把收集到的典型原始應(yīng)答數(shù)據(jù)中的“目標(biāo)和通道幅度”、“目標(biāo)差通道幅度”、“目標(biāo)方位”進(jìn)行擬合,則擬合出高斯曲線公式,并且獲取常數(shù)a1、b1、c1、a2、b2、c2,因此得到函數(shù)f(∑-△)。

表2 必須收集的原始應(yīng)答信息要素

其中x為∑-△。高斯擬合出的參數(shù)如表3所示。

圖3 高斯擬合出OBA偏移(使用matlab的cftool工具)

序號參數(shù)名參數(shù)值1a16．507e+0132b181．763c1-471．74a22．8535b2-45．986c271．42

在信號源與天線之間的距離固定且信號的強(qiáng)度一定的情況下,和、差的比值是固定的。但是，實(shí)際情況中,飛行目標(biāo)的距離是在不斷變化的,從天線、接收機(jī)獲取到的目標(biāo)幅度比值(△/∑)是隨著目標(biāo)的距離(R)的增大是遞減的,并且不是線性關(guān)系。利用matlab對二次雷達(dá)實(shí)測的目標(biāo)原始應(yīng)答信息進(jìn)行高斯擬合,獲取f(R)函數(shù)關(guān)系式。

將所有收集到的原始應(yīng)答數(shù)據(jù)中的“距離”與“目標(biāo)和通道幅度”提取出來,形成“距離”-“目標(biāo)和通道幅度方位”圖形,如圖4所示。使用MATLAB自帶的“cftool”工具,把所有收集到的原始應(yīng)答數(shù)據(jù)中的“距離”與“目標(biāo)和通道幅度”進(jìn)行擬合,擬合出高斯曲線公式,并且獲取常數(shù)aa1、bb1、cc1、aa2、bb2、cc2,因此得到函數(shù)f(R)。

其中x為R。高斯擬合出的參數(shù)如表4所示。

圖4 高斯擬合出距離衰減曲線(使用matlab的cftool工具)

序號參數(shù)名參數(shù)值1aa1197．32bb1-226．83cc1233．54aa23．558e+0165bb2-2．334e+0056cc24．043e+004

OBA曲面函數(shù)方法是采用曲面函數(shù)作為獲取OBA值的函數(shù),因此引入距離(R)因素,獲取OBA值與目標(biāo)距離、和幅度、差幅度的關(guān)系函數(shù)OBA=f(△,∑,R),從而獲取單次信號在自由空間中的準(zhǔn)確OBA值?？紤]距離R的因素之后,OBA的取值函數(shù)應(yīng)優(yōu)化為

3.2 累加權(quán)重處理

通常情況下,在同一組脈沖數(shù)據(jù)中,和、差幅度比值最大的數(shù)據(jù),在方位上最靠近二次雷達(dá)詢問天線的法向,也最接近目標(biāo)的真實(shí)方位。因此,在處理每一組有效數(shù)據(jù)時,增加和、差幅度比值最大時的方位的權(quán)重,使最終計算的數(shù)據(jù)更接近于目標(biāo)真實(shí)方位。

其中,TA為目標(biāo)方位,Ai為單次方位采樣值,Ac為中心位置方位,m為增加的中心位置采樣權(quán)重數(shù),n為全部有效采樣次數(shù)。在不使用中心權(quán)重方法時,m值取1,表示中心位置方位只參與一次計算。使用中心權(quán)重方法時,m的取值應(yīng)大于1。根據(jù)實(shí)際情況,m值的選取需要考慮到數(shù)據(jù)處理能力,保證監(jiān)測的實(shí)時性,所以權(quán)值應(yīng)折中合理選取。

3.3 結(jié)果驗(yàn)證

本文采用以上改進(jìn)方法對二次監(jiān)視雷達(dá)實(shí)裝數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。首先調(diào)出預(yù)處理的信號數(shù)據(jù),如圖5所示,信號和幅度、差幅度,以及和、差比幅值曲線明顯比圖2規(guī)整,目標(biāo)測量位置基本處于和、差比幅曲線的尖峰處。其次,選取適當(dāng)航線的航跡數(shù)據(jù),以GPS數(shù)據(jù)作為真值,分析其測角標(biāo)準(zhǔn)誤差(均方根誤差)。圖6(a)為常規(guī)單脈沖測角方法所得出的一次差曲線,圖6(b)為累加權(quán)重的OBA曲面函數(shù)測角法所得出的一次差曲線,對比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的測角方法使得誤差曲線變得平滑,減少了多徑效應(yīng)的影響。

圖5 正常目標(biāo)應(yīng)答幅度圖形

4 結(jié)束語

針對多徑效應(yīng)產(chǎn)生干擾、影響到二次雷達(dá)的測角精度的普遍現(xiàn)象,本文提出了OBA曲面函數(shù)方法,取代了傳統(tǒng)的平面式OBA取值方法,同時采用累加權(quán)重的處理方法,增加和、差幅度比值最大時方位的權(quán)重,提高測角的準(zhǔn)確度。通過對實(shí)際數(shù)據(jù)的分析處理顯示,本文所述OBA曲面函數(shù)結(jié)合累加權(quán)重方法的使用顯著地提升了二次雷達(dá)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境條件下的測角精度。

(a)常規(guī)單脈沖測角法 (b)累加權(quán)重的OBA曲面函數(shù)測角法

[1] Surveillance radar and collision avoidance systems[Z]. MAnnex10 to the convention on international civil aviation,ICAO, 1998.

[2] 呂江濤,袁鴦,韓改弟. 航管二次雷達(dá)測量精度分析及改善方法 [J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2010(3):11-12.

[3] 張尉,徐炎祥.二次雷達(dá)原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009(5):63 -64.

[4] JACOVITTIG. Performance analysis of monopulse receivers for secondary surveillance radar[C]. IEEE, 1983.

[5] Chun ping Gu. DLD-100 type monopulse secondary surveillance radar for air traffic control[C].Radar,Proceedings CIE International Conference,1996.

[6] 鐘瓊,吳援明,黃成芳.二次雷達(dá)系統(tǒng)干擾等問題的解決方法[J].電視技術(shù),2005(2):138-142.

[7] 張虹.單脈沖二次雷達(dá)的研制和改進(jìn)[J].現(xiàn)代雷達(dá),2001(6):24 -27.

Research on improving multipath effect on angle measurementaccuracy of secondary surveillance radar

LIU Xiao-bing, WEI Yong-hui, ZHU Fang, GAN Chen-yi

(Unit 63788 of the PLA, Weinan 714000, China)

The multipath effect is the most important factor that can affect and limit the detection performance of the monopulse secondary surveillance radar. In order to reduce the influence of the multipath effect on the angle measurement accuracy of the secondary surveillance radar, the OBA surface function is proposed combined with the accumulative weight method. Through the theoretical analysis and the processing of the signals received, the results indicate that the method can effectively reduce the interference and improve the angle measurement accuracy.

secondary surveillance radar; multipath; OBA surface function; accumulative weight

2017-01-05；

2017-01-21

劉小兵(1985-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)及雷達(dá)對抗、航天測控；魏永輝(1972-)，男，高級工程師，工程碩士，研究方向：測控設(shè)備及測控數(shù)據(jù)處理；朱方(1974-)，男，工程師，碩士，研究方向：無線電物理；甘宸伊(1985-)，男，工程師，碩士，研究方向：數(shù)字圖像處理、航空測控。

TN958.96

A

1009-0401(2017)01-0013-04