多径效应中雷达反射模型的研究

杨 凡

(广东女子职业技术学院,广东 广州 511450)



多径效应中雷达反射模型的研究

杨 凡

(广东女子职业技术学院,广东 广州 511450)

多径效应是雷达模型设计过程中需要考虑的关键因素之一，不同雷达反射模型中所产生的多径效应是有差异的。多径效应对雷达实际探测效果产生不可预见的影响是学者们研究多径效应的目的。基于此研究背景，介绍了多径效应产生的原因，并通过2类典型的雷达反射模型-球面反射模型和斜坡反射模型研究多径效应造成的性能影响，通过MATLAB实验设计了相应模型参数结构,并进行了多模式循环仿真，仿真结果证明，不同反射模型中多径效应的效果在不同应用环境中需做相应的处理。

多径效应；球面反射模型；斜坡反射模型

多径效应是由于雷达天线俯视镜面反射表面时所产生的多路径干涉现象，所谓镜面反射体是指一类服从反射定律的光滑表面[1-2]。多径效应的产生是当天线照射具备一定集合关系和电特性的镜面反射表面时所产生的波传播效应。给定的符合多径效应反射的几何图形关系如图1所示，在实际雷达的工作过程中，反射面应该是地球表层，但在本研究中将反射表面近似为平面。

图1中,h1为雷达天线高度；h2为目标高度；Rd为直射路径行程；(R1+R2)为反射路径行程；θd为直达波仰角；θr为反射波俯角；Ψ为入射余角(反射余角)。若发生镜面反射，从天线到目标存在2个不同的路径：直射路径和反射路径，即Rd和(R1+R2)，由于2条路径的传播距离有差异，因此存在相位差，这是诱发多径效应的主要原因，根据电磁波传播的基本原理，设距离差为δ，则对应的相位差等于2πδ/λ，其中，λ是雷达波长[3-4]。

由于波束反射造成的多径效应[5-6]，在反射模型设计过程中不仅需要考虑相位差还需要考虑附加的相位差：一类是由反射表面的反射系数引起的，另一类是由天线在直射方向和反射方向上传播因子的相位差引起的。由于相位差，直达波和反射波在目标处要么干涉相加，要么干涉相消，典型的反射-干涉波瓣图如图2所示。

1 雷达反射模型

雷达发射模型根据雷达所处地形方位的不同分为多类反射模型，例如由于地球是球面，当雷达架设于平原、高原或海边的时候，反射面是球面，因此需要以球面进行建模；当雷达架设于山顶时，反射面是斜坡(斜面)以及斜坡和球面的共同反射，因此模型中应考虑斜坡反射的影响。

对于只考虑2条反射路径的情况，反射距离的计算公式如下：

其中：

X1=ρfr1/fd;X2=ρfr2/fd;

本节以球面反射模型和斜坡反射模型介绍雷达反射模型的相关研究内容。

1.1 球面反射模型

球面反射模型几何图如图3所示，圆代表等效地球在球心的剖面，O为球心；雷达相位中心位于a点；目标位于b点；θ为目标到雷达相位中心的仰角；am(表示直线am，端点分别为a和m)为雷达相位中心起始的水平线；ab为雷达到目标的直达波路径；acb为雷达到目标反射波路径；c为反射点；Ψ为反射余角(入射余角)；ad为雷达架高高度；be为目标高度。

当雷达发射电磁波后，一路经过空间辐射直接到达目标b点，称为直达波；另一路经过地球球面上的c点反射，然后到达目标b，称为反射波。acb的长度和ab的长度之差称为波程差，如果波程差小于雷达的距离分辨力，则直达波波前和反射波波前在b点合成，由二者的相位关系决定合成的结果是加强还是减弱。电磁波经过b点反射，一部分发生后向反射，反射回来，其中一路由b点经空间传播直接到a点的雷达天线，是直达波；另一路由b点经c点再到a点的雷达接收天线，是反射波，于是形成了反向的接收多路径效应，直达波和反射波在接收天线处进行合成[7]。

1.2 斜坡反射模型

当雷达架设于山顶时，近距离的高空目标的反射点落在与雷达较近的位置，通常是落在斜坡上，再没有其他反射点，此时只考虑一条反射路径所产生的多径效应。这种模型称为斜坡反射模型。斜坡反射模型几何原理图如图4所示。图4中O点为地球的球心，b点为山顶，a点为雷达的相位中心，d点为目标，am为水平线，ad为直达波，c点为反射波的反射点，ac-cd为反射波，α为斜坡角的余角，n点为山坡坡底与地球的交点[8-9]。

2 仿真实验

通过Matlab对多径效应中的各典型雷达反射模型进行模型创建、环境搭建、性能仿真等[10-11]。

2.1 球面反射模型仿真

1)不同基础参数的性能仿真。

球面模型仿真参数见表1。其余基础数据采用雷达通用参数完成，通过对模型进行仿真，主要完成垂直极化和水平极化的仿真，两者的仿真结果如图5所示。

表1 球面模型基本参数

实验表明垂直极化多径效应没有水平极化明显，特别是在高仰角上表现的更为清晰。这是因为垂直极化时反射系数的幅度随仰角变化比较大，仰角越大，幅度越小；垂直极化反射系数的相位变化也不同于水平极化，水平极化时反射系数的相位基本不变，约等于π，垂直极化时该值随仰角变化明显。

2)不同工作频率的性能仿真。

设置球面模型工作频率分别为20,180 Hz进行仿真，其余参数设置同表1。在其他条件不变的情况下，工作频率不同，雷达的威力图有明显的差异。工作频率越低，威力图的花瓣越少，多径效应的幅度变化越强，低空覆盖越差；反之，工作频率越高，威力图的花瓣越多，多径效应的幅度变化越弱，低空覆盖越好。

垂直极化的威力图花瓣的仰角指向较水平极化时略高，仿真结果如图6所示。

通过对球面反射模型的研究证明采用水平极化波和垂直极化波工作时多径效应的效果不同，采用垂直极化波工作时，多径效应变化的幅度较小，花瓣指向的仰角较高；雷达工作频率较高时，多径效应的花瓣较多，低空覆盖较好。

2.2 斜坡反射模型仿真

斜坡反射模型的基础技术参数见表2。与球面反射模型类似，水平极化的多径效应比垂直极化的多径效应明显，雷达威力加强或减弱的幅度更大。

斜坡反射模型单波段斜坡反射多径仿真结果如图7所示，斜坡反射相对于平面反射效果明显的区别是：从0°往上，粗糙度系数明显较小；反射波仰角较大。粗糙度较小使多径效应效果变差，反射波仰角较大，使直达波和反射波不再“对称”，场强相差较大，使多径效应效果变差。所以总的效果是多径效应效果变差[12-13]。

表2 球面模型基本参数表

从以上分析不难推断，斜坡角度越大，多径效应的效果越不明显，这样可以根据需求提出不同的雷达阵地环境要求。

本节的仿真在逻辑上是不完备的，很多边界条件没有判断，例如斜坡阵地不能无限长，因而把所有的反射点都放在斜坡上是不合理的，实际上在有斜坡阵地反射的情况下，反射机理稍微复杂一些，必须准确判断各边界条件，才能较真实地仿真实际情况，另外波程差也不应该出现负的情况。

2.3 复合模型下多径效应的仿真

通常在实际雷达运行环境中，交叉模型的使用往往更为切合实际，因此本节对复合模型下雷达多径效应进行研究。

1)基本情况仿真。

复合模型基本情况仿真参数同球面模型仿真参数(表2)。 在多径效应发生时，采用复合模型进行处理，复合模型单波段复合模型仿真结果如图8所示。

图8中水平极化和垂直极化多径效应的对比情况与单纯的球面模型和斜坡模型类似，水平极化的多径效应明显强于垂直极化的多径效应。垂直极化时，不管是斜坡模型还是球面模型，反射系数的幅度都较水平极化小。垂直极化时反射系数的相位也在随仰角变化，这也是与水平极化相比的又一个重要区别。正是因为反射系数的不同，导致了2种极化方式多径效应的不同。

2)不同工作频率性能对比。

在其他条件不变，仅仅雷达工作频率不同时，雷达的威力图有较大差别。雷达工作频率降低，威力图的花瓣减少，这一点与球面反射模型和斜坡模型相同[14-15]。

雷达架高10 m时不同工作频率的多径效应效果图如图9所示，在复合模型下无论雷达采用水平极化波工作还是垂直极化波工作，雷达低空覆盖与频率的关系都没有直观的规律可循。这主要是因为低仰角时雷达到目标的反射路径有2条，2条路径的相位随仰角的变化速度不同，又与雷达架高高度有关，因而合成后的相位变化更复杂。

3 结束语

介绍多径效应产生的几何原理，找出了在雷达反射模型中存在多径效应的原因；对各类模型(球面反射模型、斜坡反射模型、复合反射模型)产生的多径效应进行了参数、性能等对比分析;作为机械预警的主要探测模型，按照水平激化和垂直激化两方面对不同的模型结构进行了性能分析、验证。

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(责任编辑 吴鸿霞)

Research on Radar Reflection Model in Multipath Effect

YangFan

(Guangdong Women's Polytechnic College,Guangzhou Guangdong 511450)

Multipath effect is one of the key factors in the design process for radar model to be considered,but there is a difference in multipath effects produced by different radar reflection models.Unforseen influence by multipath effect on radar actual detection is the purpose of scholars' study on the multipath effect.This paper introduces the reasons why the multipath effects produced and the performance effects resulting from multipath effects of two typical radar reflection modes:the spherical reflector model and the slopes reflector model.The corresponding parameter of model structure is designed by MATLAB and the multi-mode cycle simulation has been done.The simulation results prove that difference reflection multipath effects need to be handled in difference application environment.

multipath effect;spherical reflector model;slopes reflection model

2016-07-05

杨凡,讲师,硕士,研究方向：电子信息技术。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.05.007

TN98

A

2095-4565(2016)05-0028-05