海面多路径效应对雷达探测性能的影响分析

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(中国人民解放军92941部队94分队，辽宁 葫芦岛 125001)

0 引言

作为现代舰载武器系统的重要组成部分，搜索雷达主要用来完成对目标的远程探测和捕获，以保证武器系统能够完成对来袭目标进行打击的作战任务。根据战术操作流程，搜索雷达发现目标后，要向跟踪雷达等跟踪器提供目标指示信息，从而达到目标交接的目的[1]。如果在主要作战区段搜索雷达不能及时提供目标指示信息，不但延长武器系统反应时间，而且有可能错失最佳打击时机。警戒搜索雷达探测发现目标的能力既取决于雷达本身的性能特性，也取决于雷达的环境特性[2]，舰载搜索雷达在探测和跟踪低空来袭目标时，除了低层大气的不均匀性引起的电波折射效应外，还要面对复杂海面背景，一方面是海杂波的影响，同时海面产生的镜面反射或漫散射还会引起多路径效应[3]。海面多路径效应使得雷达接收的信号为直达波信号与镜反射信号的相干合成波。随着表面发射系数的变化和目标高度的影响，接收信号呈现出被增强和被衰减交替出现的现象(当直达波信号与镜反射信号相位相同时增强，相位相反时衰减)，当目标恰好处于波瓣分裂削弱区时，接收信号被衰减，雷达发现概率下降，造成目标点迹丢失或航迹中断，雷达不能很好地探测低空目标[4]。

本文针对某型搜索雷达在实际对低空目标威力检飞试验中出现的点迹丢失、航迹中断现象展开分析，首先对影响雷达探测性能的相关技术指标进行测试，排除雷达故障原因；通过建立低空目标多路径回波模型，推导了低空目标的反射波与直达波矢量叠加后的归一化场强对雷达探测威力的影响。在此基础上对被试雷达多路径效应下的威力方向图进行了仿真，验证了产生雷达点迹丢失、航迹中断的具体原因。

1 试验问题的引出

某型号搜索雷达在实际低空目标威力检飞试验中，出现在威力指标内某距离段上探测性能下降，点迹丢失严重，所有航次在某距离段上均出现航迹中断的现象，点迹统计结果如表1所示，雷达检测目标航迹图如图1所示。

从雷达点迹统计结果表中可以看出，雷达在较远距离(雷达威力指标外)仍能正常发现并跟踪目标，点迹连续，航迹稳定。但当目标处于ΔR2、ΔR3距离段内时，点迹丢失严重，雷达发现概率下降明显，所有航次均出现航迹中断现象(连续3点点迹丢失，航迹中断)，目标航迹图如图1(a)所示；当目标经过ΔR4以后又能重新发现并稳定跟踪目标，直到目标进入ΔR5距离段内时，又出现点迹严重丢失，雷达发现概率明显下降现象，且部分航次再次出现航迹中断现象，目标航迹图如图1(b)所示。

表1 搜索雷达威力试验点迹统计结果表

图1 实际试验中搜索雷达检测目标航迹图

2 雷达技术指标测试

该型号搜索雷达为海背景下对空搜索雷达，雷达工作环境存在很强的海杂波，天线仰角波束覆盖范围相对较宽，在对低空目标探测过程中，可能会同时收到海杂波和多路径效应的影响。针对目标在特定距离段丢失的情况，为了排除雷达自身故障原因，分别对雷达发射功率、虚警概率、MTD改善因子等影响雷达探测性能的指标进行了测试，各项指标均满足要求。通过对雷达工作频段及当时试验环境进行分析初步得出造成雷达在ΔR2、ΔR3和ΔR5距离段内雷达探测性能下降的原因是由于海面多路径干涉的影响，使得雷达接收信号被衰减，从而引起目标点迹丢失严重，航迹中断。

3 建立低空目标多路径回波模型

根据电磁波理论，雷达发射的电磁波在传播过程中，由于海面、地面和附近舰船及岛屿等物体的反射，使得雷达与目标之间电磁波的传播途径不止一条，除了从雷达到目标之间的直接传播外，还包含多条反射路径，最终导致雷达所接收到的回波信号为直射路径和反射路径回波信号的叠加矢量和，这种现象被称为“多路径效应”[5]。

由于实际的应用环境比较复杂，多路径传播具有很大的随机性，建模的难度较大[6]。为了说明多路径效应，图2给出了典型多路径效应的回波模型，其中，A为雷达天线，距离海面高度为ha，B为目标，高度为ht。由于海面镜面反射的影响，从雷达A到目标B之间除了从A到B的直射波以外，还有A经地面的C点反射到达B点的反射波，R为直射波传播距离，R′为反射波传播距离。

直射波和反射波的传播路径不同就会导致相位的差异，相位差的大小和距离差成正比。用φd表示反射波与直射波由于距离差所引起的相位差，则:

(1)

式中,λ是雷达的工作波长。通常天线的高度ha总是远小于到目标的距离R，则:

(2)

(3)

图2 低空目标多路径反射模型

4 多路径回波合成场强对雷达作用距离的影响分析

目标B处的电磁场强度，是直射波和反射波的电磁场强度的矢量和。设目标处入射波与反射波的场强分别为E1、E2，则:

(4)

(5)

式中，Pt为辐射功率，G1、G2分别表示直射波和反射波对应的天线增益，ΔR为直射波和反射波的波程差，R为目标与雷达站之间的距离，ρ、θ分别表示反射系数的模和相角。

一般情况下，当天线垂直波束最大值指向水平面时，G1=G2，则目标所在的处的合成场强为:

(6)

反射系数的模值ρ和相角θ由反射面的性质、擦地角ε1、工作频率以及电波极化等因素决定，已经得到了一些典型曲线供查用。当采样水平极化波且擦地角ε1较小时，ρ≈1，θ≈180°且ρ、θ值随着ε1的增大变化较缓慢[7]。此时，

(7)

(8)

在擦地角很小时，直射波和反射波互相抵消，从而使接近水平目标(低空和超低空)的检测十分困难[8]。

由式(8)可得到有镜反射影响时雷达接受功率为:

(9)

(10)

由式(10)看出，由于镜面反射影响，使雷达作用距离随目标的仰角呈周期性变化，镜面反射的结果使天线方向图产生花瓣状，见图3所示。现状讨论上式：

图3 镜面反射的干涉效应

图3的方向图，是在E2=E1，即ρ=1，以及φr=π的条件下得到的。实际的地面或海面的反射，反射系数的振幅ρ总是小于1的小数，相角φr也小于180°。因此，有了反射虽会引起方向图的分裂，但情况不会像上述条件下所得的结果那么明显，极大值增加的小一些，极小值不会降到零[4-5]。

5 仿真验证

根据多路径效应造成波束分裂的理论原理，结合被试雷达参数及当时海面试验环境，对被试雷达多路径效应下威力方向图进行仿真，以此验证试验中部分距离段内点迹丢失严重造成断航的原因是由于海面多路径效应的影响。仿真过程如下：

雷达方向图传播因子:

(11)

式中，h为天线高度，为12 m；θ为垂直平面内直射线方向角；f为被试雷达工作频率；f(θ)为天线方向图系数(以天线垂直面场强最大值归一)；ρ是反射系数振幅：ρ=r*ρ0。

式(11)是在假设目标距离远远大于天线高度的情况下导出的，可近似认为直射线方向角等于反射线方向角。

雷达作用距离可写为：

Rmax=F*R0

式中，R0为自由空间的最大作用距离，由于R0的计算已考虑了天线方向图的影响，故在方向图传播因子的计算中f(θ)取为1。通过软件仿真，得到被试搜索雷达的低空威力图，如图4所示。

图4 被试搜索雷达低空威力仿真图

从图4可以看出，由于海面多路径效应的影响，该型搜索雷达在自由空间的威力范围在不同仰角下发生增强或衰减变化，当目标处于威力增强处时，雷达探测性能增强，虽然已超出雷达自由空间探测威力范围，但仍能探测到目标；当目标处于威力衰减处(凹口)时，雷达探测性能下降，点迹容易丢失，等目标穿越凹口后雷达又能够重新发现并跟踪目标。实际试验目标航路如图上所示，整个航路跨越“凹口2”和“凹口3”，“凹口2”的距离段约是ΔR5～ΔR6，“凹口3”的距离段约是ΔR2～ΔR3。仿真得出的“凹口2”和“凹口3”距离段范围与实际试验中雷达探测目标点迹丢失严重及出现航迹中断距离范围相吻合。

综上所述，被试搜索雷达在低空目标检飞时，部分距离段目标点迹丢失及航迹中断的原因在于多路径干涉的影响，当目标恰好处于波瓣分裂削弱区时，就会导致目标点迹丢失的现象发生。多路径盲区周期与目标高度、雷达布站高度及工作频率有关。对于宽带雷达，通过频率捷变或准捷变使不同频率(足够的频差)在某一方向上驻留足够的时间，根据不同频率多路径影响下回波强度不同来避开多路径盲区，从而实现低空稳定跟踪[9]。试验过程中，雷达架高基本保持不变，出现航迹中断的航次目标飞行高度较低，而目标飞行高度较高的航次搜索雷达均能在威力指标范围内实现连续稳定跟踪。由于被试雷达工作频带限制，解决低空补盲问题可以考虑雷达编队组网方式加以解决。

6 结束语

针对某型搜索雷达在实际对低空目标威力检飞试验中出现的点迹丢失、航迹中断现象展开分析，进行了多路径效应理论分析及仿真验证。从数据分析及仿真结果可以看出，对于海背景下宽波束搜索雷达在检测低空掠海目标时，多路径效应带来的波束分裂现象会使雷达的威力方向图产生凹口(盲区)，凹口深度与海平面的平坦度以及天线架设高度有关[10]，当目标处于凹口(接收信号衰减)区时，目标点迹回波容易出现丢失。因此在雷达设计及评估雷达对低空目标的作战效能时，多路径效应的影响不可忽略。

参考文献：

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