雷达低仰角下复杂地形反射特性研究

2013-09-30李静明丁建江

火控雷达技术 2013年3期

李静明丁建江

(空军预警学院武汉 430019)

0 引言

随着雷达技术不断进步，探测手段多样化，使承担站岗放哨任务的地面对空情报雷达的重要地位日益凸显。然而，探测更高、更远、更精确的目标是对空情报雷达不断完善的动力。

雷达利用接收到的回波信号来探测目标距离、仰角等参数。在探测近地入射目标时，雷达接收到的回波信号中，除了经目标反射后直达波，还包括经过地面或者海面反射的反射波。直达波和反射波叠加被雷达接收，造成信号相位幅度的变化，从而使仰角估计误差变大，甚至丢失目标，这就是多路径效应。多径模型是对雷达回波在雷达和目标之间多径传播的定量描述，在低角目标仰角估计具有十分重要的作用。因此，建立准确的模型影响到雷达对低角目标仰角的估计。

根据文献［1］、［2］，与低角探测有关算法的多径模型有三种。第一种是反射面相对光滑的，满足镜面反射定律的简单镜面反射模型，该模型从目标到天线有直射和反射两条路径，其中反射路径满足镜面反射定律，入射角等于反射角，可用几何光学的方法表示，能够定量建立起直达波和反射波之间的几何关系，这种模型是最基本的也是最主要的模型。第二种是粗糙反射面，反射路径由镜面反射和漫反射组成，由于漫反射分量在反射面上幅度和相位变化随机，无法建立反射波和散射波准确的几何关系，所以该模型一般以镜面反射模型为基础，将漫反射分量处理为服从某种分布的噪声。第三种模型是在前两种模型的基础上考虑地球曲率的影响，这种球面模型更为贴近实际。

1 Fresnel反射系数

目标回波在反射面发生反射时其相位和幅度均要发生变化，由反射系数来表征。平滑表面反射系数取决于频率、表面介电系数、雷达入射角。垂直极化和水平极化反射系数分别为:

式中，Ψg是入射角;ε为表面的复数介电常数，由下式给出:

其中，λ是波长;σ是介质传导率Ω/m。ε'和ε”的典型值可以通过相关文献［5］查表得到。

文献［3］附录给出计算在不同频率下海水介电常数。

从图中可以得出结论:a.垂直极化的幅度有一个明显的最小值，对应的角称之为Brewster极化角。因此，很多雷达都采用垂直极化，以减小地面反射。b.在入射角很小的时候，反射系数幅度比较大，也就是说多路径影响十分明显。c.在米波段，100MHz和300MHz时，曲线基本重合，这说明在这个频段，入射角跟反射系数基本相同。

从3图中可以看到，垂直极化和水平极化的反射系数幅度大不一样，雷达在选择极化方式时，应该考虑这二者之间的差异。

图3 不同极化方式的反射系数幅度

2 地面起伏

地形会影响到雷达测高精度，地面越粗糙，回波越复杂，精度越差。地面反射对不同波长的电磁波影响不同，尤其在米波段，雷达对地形相当敏感，地貌不可忽视。镜面发射是理想的光滑反射面，如光滑地面和平静海面，但实际上不可能有理想发射面，而地面起伏与波长有关系，其关系可近似用光学特征分析。由多路径引起的反射分为两部分，镜面反射和漫反射。如果反射面有一定粗糙度，但属于“相对平坦地面”，即在第一Fresnel反射区内，表面高度变化Δh满足瑞利(Rayleigh)判断:

其中，Δh为反射面高度的变化量;ψ为入射角(擦地角)，λ为信号波长。

由图4可以看出:对于不同波段，对于光滑表面和粗糙表面的判断值不同，在入射角固定情况下，长波对于起伏度要求相对短波要宽松一些，长波更容易“适应”粗糙反射面。

图4 不同频率下起伏度

3 球面模型

设R1为雷达到反射点的距离，R2为目标到反射点的距离，Ψ为入射角。

图5 几何关系图

根据图5中几何关系，可以得出:

入射角Ψ为

仿真目标高度和镜面反射系数之间关系，其中雷达高度hR=15m，考虑曲率地球半径ro=4/3×6375km，目标高度从地面到2000m高空，目标与雷达距离取5km、10km、15km仿真目标雷达距离跟反射系数幅度之间的关系其中雷达高度15m，考虑曲率地球半径ro=4/3×6375km，目标在3000m高空下进行的。图6为目标高度跟反射系数的关系，图7是目标距离与反射系数幅度的关系。图6、7两个仿真图是在球面多径下进行的。