史 鑒，鐘 文

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

雷達(dá)信號在傳播過程中，會遇到各種物體，經(jīng)反射、散射、繞射到達(dá)接收天線。發(fā)射信號沿著多個路徑到達(dá)接收端，不同的傳播路徑分量具有不同的幅度和相位，且以不同的入射角度和傳播時延到達(dá)接收端，造成接收信號時延擴(kuò)展和角度擴(kuò)展[1]?，F(xiàn)代海軍對艦載電子設(shè)備的功能、性能和互操作性提出了更高要求。當(dāng)前，由于通信、雷達(dá)及電子戰(zhàn)系統(tǒng)融合程度不高，軍艦上電子設(shè)備數(shù)目隨著功能的增加而增多，甲板和艦橋上天線、電子設(shè)備等上層建筑數(shù)量越來越多，從而導(dǎo)致雷達(dá)偵察測向天線會被遮擋及接收到上層建筑反射的多徑信號等問題。

多徑效應(yīng)是無線電測向技術(shù)誤差分析的難點之一。經(jīng)過物體反射的電磁波信號與直射電磁波信號頻率相同、調(diào)制方式相同，使得傳播方向有很大的變化，經(jīng)過測向天線接收后，會給測向結(jié)果帶來很大的誤差。這種誤差并非測向體制本身的誤差，常見的測向算法如MUSIC算法等也無法消除多徑對測向的影響[2]。

當(dāng)目標(biāo)飛行高度較低時，由艦船甲板引起的多徑信號進(jìn)入雷達(dá)偵察設(shè)備天線與直達(dá)信號在時間和角度上不能分開，產(chǎn)生干涉疊加，造成接收脈沖信號的起伏和角度閃爍誤差，從而影響偵察設(shè)備的測向性能。因此，分析由艦船甲板引起的多徑信號對偵察設(shè)備測向精度影響是非常有必要的[3]。

本文以被動偵察設(shè)備為背景，通過詳細(xì)分析多徑效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，建立低空偵察條件下艦船甲板反射多徑效應(yīng)的雷達(dá)散射模型，仿真分析了甲板反射回波對偵察設(shè)備測向精度的影響；同時仿真分析上層建筑的遮擋對偵察設(shè)備測向影響，從而為偵察設(shè)備的性能評估和設(shè)計提供依據(jù)。

1 多徑效應(yīng)影響分析

分析多路徑效應(yīng)對雷達(dá)偵察設(shè)備測向的影響非常重要，選擇合適的多路徑模型是分析多路徑影響和抑制多路徑的基礎(chǔ)，需根據(jù)多路徑效應(yīng)表面的粗糙程度，選擇鏡面反射或漫反射模型。當(dāng)偵察設(shè)備接收低仰角范圍內(nèi)的雷達(dá)信號時，艦船甲板會反射一部分信號，反射信號與直射信號一起矢量相加后進(jìn)入偵察接收天線，從而引起測量信號在幅度和相位上的變化，造成測量誤差。根據(jù)反射情形的不同，可以將反射分為平面反射和球面反射。如果傳播途徑的一端較低，而且反射點非常接近該端，此時可以把地球表面視作一個平反射面，即平面反射。如果反射途徑低端和反射點較遠(yuǎn)，地球曲率影響已經(jīng)非常明顯，建立多路徑模型時采用球面反射模型，具體示意圖如圖1和圖2所示。

圖2 平面多路徑模型

按照反射表面起伏不平的程度，表面可分為平滑表面和粗糙表面。在光滑平坦的表面，表面反射主要為鏡面反射，在粗糙不平的表面上，還會產(chǎn)生漫反射。反射類型的判斷根據(jù)表面起伏的高度差是否滿足瑞利判據(jù)，式(1)即為瑞利判據(jù)：

(1)

式中：Δh為反射表面起伏高度的均方根；λ為入射波的波長；ψi為入射角。

當(dāng)滿足瑞利判據(jù)時，認(rèn)為反射信號來自反射點附近的第一菲涅爾區(qū)，此時主要產(chǎn)生鏡面反射信號[4]。鏡面反射信號與直達(dá)回波信號強(qiáng)相關(guān)，對接收信號造成干擾。圖3為艦船上層建筑鏡面反射模型示意圖，反射面為光滑的表面，偵察設(shè)備天線接收的回波除直達(dá)波外還有來自地表的反射波，此時的反射波似乎是從來自地表下方目標(biāo)的鏡像目標(biāo)輻射到偵察設(shè)備天線的，因此稱之為鏡面反射。

圖3 艦船鏡面反射模型示意圖

如圖3所示，Si為入射波，Sd為直達(dá)波，Sr為反射波，鏡面反射滿足入射角等于反射角，ψr=ψi，由電磁理論很容易得到偵察設(shè)備天線的接收信號為：

S=Sd+Sr=Atf(θt)+ArρDf(θr)

(2)

式中：At為直達(dá)信號的幅度；Ar為反射信號的幅度；f(θt)為直達(dá)信號方向圖；f(θr)為反射信號方向圖；D為擴(kuò)散因子，是考慮地球曲率影響的結(jié)果。

反射波照到凸起的地球表面會引起擴(kuò)散，使得電磁波能量密度衰減。擴(kuò)散因子的值由下式給出：

(3)

式中：dr、dt分別為入射點到雷達(dá)和目標(biāo)的垂直投影點的地球表面距離(見圖1)，d=dr+dt；a為地球半徑，a=8 500 km。

由于本文的研究背景中，偵察天線和目標(biāo)的距離在幾百米到視距范圍內(nèi)，此時地球曲率的影響很小，D≈1，可用平面反射模型近似，因此本文的模型均是在平面反射模型基礎(chǔ)上建立的。

文獻(xiàn)[4]中給出了鏡面反射模型，天線總的接收信號為：

S=Sd+Sr=Atf(θt)+Arρ0f(θr)

(4)

式中：ρ0為反射系數(shù)，對于理想的光滑平坦表面，反射系數(shù)為菲涅爾反射系數(shù)ρ0，即ρ=ρ0。

可以通過菲涅爾方程用雷達(dá)工作頻率、入射余角ψi和極化形式得到ρ0，文獻(xiàn)[5]給出了ρ0不同極化形式下的表達(dá)式。

2 仿真分析

采用如圖4所示的艦船上層建筑模型，偵察設(shè)備采用多波束比幅測向體制，反射模型采用鏡面反射模型進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出：當(dāng)來波方向為水面方向(俯仰角為0°)時，天線方向圖基本無影響；當(dāng)來波方向俯仰角為10°時，方向圖開始畸變；隨著俯仰角的增多，畸變越來越嚴(yán)重。經(jīng)分析，造成方向圖畸變是因為俯仰角越大，反射信號越強(qiáng)。方向圖畸變會造成偵察設(shè)備測向錯誤、方位多值、靈敏度下降等問題；方向圖畸變越嚴(yán)重，則對偵察設(shè)備的影響越大。

圖4 艦船仿真模型示意圖

圖5 天線方向圖仿真結(jié)果

3 實驗室實測試分析驗證

圖6為某偵察設(shè)備實驗室條件下偵收模擬外界雷達(dá)信號的視頻信號結(jié)果。由圖6可以看出：接收到的視頻波形存在毛刺或發(fā)生分裂等現(xiàn)象，最終造成脈寬、方位角等參數(shù)的測量錯誤，進(jìn)而影響偵察設(shè)備的性能。經(jīng)分析，造成圖6所示現(xiàn)象的原因有搭建的模擬艦船上層建筑反射、地面反射等原因，即多個方位到達(dá)的信號幾乎同時到達(dá)天線口面，相互疊加，合成的信號波形發(fā)生畸變，圖6顯示了觀察到的不同畸變現(xiàn)象。

圖6 實物測量結(jié)果圖

為了降低艦艇上層建筑反射對偵察設(shè)備測向影響，某設(shè)備采用了如圖7所示的場景進(jìn)行實物仿真。該場景主要模擬在艦艇偵察設(shè)備安裝位置周圍涂覆吸波材料。其對比模擬測試的天線方向圖如圖8所示，由圖8可以看出，涂覆吸波材料后方向圖可以明顯改善。為了降低多路徑效應(yīng)對偵察設(shè)備測向的影響，通常可以采用多源偵察信息融合的方式。

圖7 實物測試現(xiàn)場圖

圖8 實物測試天線方向圖

4 結(jié)束語

本文分析了艦船上層建筑反射形成的多徑模型，并通過仿真分析了信號來波俯仰角對多波束比幅測向體制的天線方向圖的影響；最后通過某實際裝備的測試結(jié)果，說明了艦船上層建筑對偵察設(shè)備的真實影響，并給出了模擬采用涂覆材料情況下仿真測試結(jié)果，對艦載雷達(dá)偵察設(shè)備的安裝及測向結(jié)果分析有一定的參考意義。