多径消除技术综述及应用

樊 浩 孙国强

多径消除技术综述及应用

樊 浩 孙国强

本文首先简要叙述了目前用于海面低空目标探测的几种典型多径消除技术。此外，文章对这几种典型的多径消除技术进行了总结和分析，并在此基础上提出了一种在实际使用中抑制多径效应的应用策略。

现代战争中飞机和导弹经常利用低空、超低空实施突防。1967年中东战争， 1982年英阿马岛战争，1991年海湾战争、1999年美国对南联盟的攻击，无不是以低空突袭开始的。低空突袭的有效性在于目标的飞行高度大多在500m以下的低空、超低空领域，具有飞行高度底、飞行速度快、雷达反射面积小、机动性强等特点，从而给对方的地面和海面目标构成极大的威胁。低空目标可以利用地球曲率和地形造成的遮挡，利用防空设施的盲区作掩护，使飞行器能够快速隐蔽的深入敌区进行突袭。

本文综述一些针对低空目标检测、跟踪的典型的多径消除技术，并给出一个可能的技术应用策略。

多径效应

雷达在探测和跟踪海面低空目标时，由于海面的多径反射（前向散射分量较强时），使雷达主波束接收到除目标直接反射外的多个路径的反射分量。实际接收到的信号是多个路径信号的矢量和，这会引起回波能量的剧烈起伏，从而产生对目标的漏探和漏跟。当目标低于波束宽度时，多路径效应表现得尤为突出，甚至将产生目标回波闪烁和出现周期性摆动，产生仰角跟踪的不稳定性，对目标探测和跟踪产生严重的影响。

海面上雷达目标散射信号的多径传播涉及两个重要问题：多径几何和反射系数。

多径几何

常用的多径几何模型有平面多径几何模型（见图1）和曲面多径几何模型（见图2）。平面多径几何模型应用起来比较简便，曲面多径几何模型更精确。实际使用中可以将曲面多径几何模型的参数变换到平面多径几何模型上的参数。最重要的参数变换是本地高度与相对高度之间的变换，具体对应值可采用二维递推搜索算法解相应方程组的方法获得。

反射系数

海面低空目标的反射系数ν主要由镜面（相干）反射系数和漫（非相干）反射系数的和构成。

镜面反射系数νs由Fresnel反射系数ρ0、扩散因子D、镜面散射因子ρs的乘积组成：

光滑表面的Fresnel反射系数由反射表面的电磁特性决定，与极化方式、入射角、以及入射界面的复介电常数有关。镜面散射因子ρs与海况有关。 扩散因子D是考虑地球曲率影响的结果。反射线照到凸起的表面会引起扩散，使得能量密度衰减。

漫反射是由粗糙表面的大量的小散射元产生的。漫反射系数可被表示为：

其中，ρd是漫散射因子，它是入射余角ψg、浪高均方根值σh和波长λ的函数。可以大致认为漫散射因子的相位从［-π， π］之间的均匀分布，幅度是粗造度因子的函数。在考虑存在多径传播的情况下，多径效应通常用方向图传播因子F表示为：

图1　平面多径几何示意图

图2　曲面多径几何示意图

如图1所示这里θ和θ'分别为波束指向目标和目标镜像时的夹角，δ0是直射路径与反射路径之间的路程差。

多径消除技术

多径效应主要影响对雷达低空目标俯仰角的测量，根据反射信号（目标镜像）进入雷达波束的区域定义三种误差区域。

副瓣反射区：副瓣照射反射面，反射信号通过天线副瓣进入雷达接收机。目标角度范围为1.5θe＜θt＜6θe（其中θe为波束俯仰向-3dB带宽，θt为雷达对目标点俯仰角）。

主瓣反射区：雷达的主波束的一侧照射地面，反射信号从主波束进入，此时称主瓣反射范围。目标范围为0.3θe＜θt＜1.5θe。

水平反射区：目标信号和反射信号在俯仰方向上非常接近，同时进入天线3dB带宽以内的高增益区，目标角度范围为θt＜0.3θe。

低副瓣电平

利用收发波束形成技术以实现收发两端波束的低副瓣，接收时还可以利用和差波束技术配合副瓣匿影和副瓣对消以消除从副瓣进入的目标多径干扰。

自适应波束置零

利用数字波束形成技术实时的对目标镜像所对应方向自适应置零处理，可以减弱反射信号的影响，配合副瓣匿影技术可较好的消除从副瓣进入的多径干扰影响。

偏轴法

当雷达探测低仰角目标时，为防止主波束照射地面（海面），不用波束中心去照射目标，而是采用偏零测量技术，以减少干扰信号进入雷达接收机。通常在波束俯仰角θb=0.8θe以下对目标进行偏轴跟踪。偏轴法的问题是不能可信的应用于θt≈0.15θe以下。此外在传统偏轴跟踪的基础上利用海情、目标距离、正交分量误差变化等参数自适应偏轴跟踪，可以达到用普通单脉冲雷达精确地跟踪超低空飞行的目的。

对称波束法

利用雷达天线和差波束方向图的对称性控制天线波束照射方向，使其与目标的夹角等于与目标镜像的夹角，可减弱多路经反射的影响。对称波束法应用的前提是目标与其镜像同处于雷达照射波束内，然而当θt＜0.15θe时其测角误差变得难以确定。

复角技术

雷达接收到的目标和镜像的和差信号的比是一个复数，可测得该复数的实部和虚部，计算得到多径影响时的低空目标俯仰角度。实际使用时，可以事先计算出复角曲线 。

已有的AN/FPS-16单脉冲跟踪雷达以及9LVMK3火控跟踪雷达的试验结果表明复角的方法具有精度高的潜在优势，能适用于某些特定场合。计算结果表明该技术适用于雷达高度与天线口径比较小，发射频率较低的雷达。

偏差补偿技术

雷达跟踪远距离低空目标时，实单脉冲比所对应的角度和目标真实仰角在大部分时间里相差一个近似固定的值，这个值可以在闭环跟踪过程中预先估计出来，并对得到的单脉冲比进行修正。偏差补偿技术的优点是系统改变小，工作稳定，缺点是不适用于近距离目标和高度变化较快目标。

多目标估计

由于单脉冲测角的计算简单，最近提出一些类似的但基于3维波束空间的多目标估计技术。目前该技术的发展趋势是结合频率分集技术和多径几何分析，以避免多径衰落时测角性能的下降。使用该技术可以将相距大约半个半功率波束宽度的目标区分开。

总结

目前大多数低空目标跟踪技术只能解决副瓣、主瓣反射区附近的误差，这种误差多为随机的，只要能保证稳定跟踪，在滤波阶段通过平滑滤波等能得到有效控制，再采用上面所述的方法可得到较好结果。理论上，纯粹的单频微波单脉冲雷达测角体制不可能彻底解决地平线反射区附近的误差，该误差不是随机的不能通过平滑滤波加以去除。

解决地平线反射区的误差主要有四种：一是足够频带宽度的频率分集；二是高分辨技术；三是多阵元或多波束技术；四是利用闭环跟踪的有效信息。从目前国际上的发展趋势上看，前面三种使用的最多，例如许多近程火控系统都采用频率分集技术，TRAKX雷达利用毫米波来产生窄的波束属于第二种，LAT及其对FPS-16的改进可以属于第三种。第四种是近年来发展的一种新技术，其特点是把测量和滤波跟踪更紧密结合起来，不仅测量为滤波跟踪提供数据，而且滤波跟踪为测量提供参数估计，进而选择跟踪策略。

为了能消除在副瓣区、主瓣区和地平线区的多径误差稳定的跟踪目标，雷达装备需要具备多种多径消除技术，在不同的反射区根据具体情况应用相应的技术。通过上面分析，下面给出一个可能的技术应用策略。

低空目标从远处飞来，首先进入地平线反射区，此时采用足够宽频带的频率分集技术并配合使用固定偏差补偿的方法或复角法（低站址、低频雷达）。随着目标飞行进入主瓣反射区，采用频率分集技术并配合使用偏轴法或对称波束法（适用于光滑或中等反射面）。当目标进入副瓣反射区时，利用低副瓣和差波束技术或自适应置零技术再配合副瓣匿影以消除从副瓣区进入的多径干扰。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.001