基于雷达协同的多路径抑制方法

王晓楠,俞成龙,徐洪林

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏 扬州225101)

0 引 言

对于舰载雷达而言,其主要作战目标为低空/超低空飞行的反舰导弹。其飞行高度低、速度快。雷达对此类目标跟踪时,主波束照射海面,由于海面的镜像反射,雷达收到的目标回波信号是直射波信号和反射波信号的矢量和。其结果造成目标回波的相位中心不再指向目标,而是随着目标高度和距离而变化,形成多路径误差。如果不采取措施,雷达就不能准确跟踪目标,甚至会丢失目标[1]。

1 多路径效应模型

在研究多路径效应时,通常采用几何光学的方法对雷达目标探测过程中的多路径效应进行分析。多路径模型分为平面反射模型和球面反射模型[2]。

图1为平面反射模型。图中天线高度为hr,目标高度为ht,直接路径为Rd,反射路径为R1和R2,直接路径的仰角为θd,反射路径仰角为θr,入射余角为ψ。

平面反射模型中直接路径与反射路径的波程差为:

图1 多路径平面反射模型图

图2为球面反射模型。球面反射模型中直接路径与反射路径的波程差为:

2 多路径测角误差

图2 多路径球面反射模型图

跟踪雷达通常采用单脉冲测角技术。多路径条件下,对于直射信号而言,如果差信号Δd与和信号Σd同相,则多路径反射信号中的差信号Δi与和信号Σi反相,合成矢量关系如图3所示[2]。

图3 多路径条件下和差信号矢量合成图

采用和信号进行归一化后得到的差信号与和信号单脉冲比为:

式中:VΣ为和路接收电压;VΔ为差路接收电压;为复反射系数。

多路径测角误差为:

式中:θd为目标仰角;φ为信号的总相移。

3 常用的多路径抑制方法[3-5]

多路径抑制方法主要有窄波束技术、复角技术、偏轴技术、宽带频率捷变技术、重滤波技术等。

3.1 窄波束技术

降低天线波束宽度是降低多路径效应最直接有效的方法,可以通过增加天线尺寸、提高工作频率等措施实现窄波束。由于天线尺寸受到工作环境、安装平台和成本等因素的限制,在实际工程应用中受限。随着毫米波技术的发展,越来越多的雷达采用毫米波窄波束技术来抑制多路径效应产生的影响,毫米波还具备多路径信号起伏变化快的特点,有利于去相关滤波。为解决窄波束带来的目标捕获问题,通常采用双频段协同工作。

3.2 复角技术

复角技术的原理是针对多路径条件下和、差信号间的相移,根据差信号在和信号上的投影同相分量后,与和信号进行复数处理比较。具体实施方法为根据天线方向图、反射环境和目标仰角信息,计算出差信号在和信号上的投影同相分量并存入计算机,在雷达进行低角跟踪时,将录取值和预装值进行对比,计算出相对应的目标仰值。复角技术可抑制多路径效应,但由于反射环境的变化,效果无法保证,同时利用复角技术存在测角模糊的问题。

3.3 偏轴技术

偏轴技术是目前最常用的降低多路径效应影响的方法,一般操控流程是当天线仰角低于0.8倍波束宽度时,雷达的仰角进行开环处理,即仰角指向保持不变,不再根据测角误差进行闭环跟踪,保证波束不进入主瓣区。此时直射信号从天线主瓣进入雷达接收机,反射信号从天线副瓣进入雷达接收机,从而达到抑制多路径效应的效果。当目标仰角进一步降低时,直射回波幅度将大幅降低,从而影响目标测量,一般来讲当目标仰角低于0.3倍波束宽度时,偏轴技术将不再适用。

3.4 宽带频率捷变技术

当存在多路径效应时,目标回波信号随相位发生周期性变化,测量角误差也随着频率发生周期性变化,通过对不同频率的测量角误差进行处理后可去除直射信号和反射信号的相干性,从而使多路径误差得到一定程度的减小,提高雷达频率动态变化范围,有助于抑制多路径效应产生的影响。

3.5 重滤波技术

在多路径条件下,雷达测角误差是周期性变化的,距离越近周期越短。重滤波技术是在一个周期内对误差信号进行平均处理,能够有效减小测角误差。由于多路径条件下测角误差周期变化受目标距离和高度影响,需要根据雷达参数、目标参数和海情等因素对变化周期进行估算。

4 雷达协同的多路径抑制方法

多路径盲区周期与目标高度、距离、雷达架高和雷达频率有关。宽带频率捷变雷达利用频率特性抑制多路径效应影响,利用不同雷达的位置差异,同样可以降低多路径效应对雷达目标跟踪的影响[6]。

直接路径与反射路径的相位差为:

宽带频率捷变技术就是利用频率捷变实现直接回波与反射回波去相关,从而达到抑制多路径效应的效果。公式(5)可变换为:

Δf为实现直接回波与反射回波去相关的最小变频带宽。设定目标高度为5 m,雷达架高10 m,对于目标距离3 km,雷达变频带宽要求为9 GHz。在实际工程应用中,超宽带雷达受到器件水平、宽带零漂、成本等因素限制。

2部不同高度的雷达同时对低空目标进行跟踪测量,利用不同天线高度的雷达在同一时刻对相同目标的多路径相位差别,通过雷达协同,实现直接回波与反射回波去相关。公式(6)可变换为:

Δhr为实现直接回波与反射回波去相关的最小架高差。设定目标高度为5 m,2部雷达工作频率均为10 GHz,对于目标距离3 km,2部雷达高度差要求为9 m。在实际应用中,这个量级的架高差是比较容易实现的。

当2部雷达工作在不同频率时,通过雷达协同可实现直接回波与反射回波去相关:

式中:Δf1、Δf2分别为2部雷达变频带宽;为中心频率;为雷达平均架高。

设定目标高度为5 m,雷达1变频带宽为1.5 GHz,中心频率10 GHz,雷达1架高为10 m,雷达2架高为15 m,对于目标距离3 km,雷达2要求变频带宽均1.7 GHz。

由上述分析可知,通过同平台不同架高、不同频率的2部雷达协同,对同一低空目标进行跟踪测量,可以更加容易实现直接回波与反射回波去相关,达到抑制多路径效应的目的。

5 仿真分析

设定目标高度5 m,2级海情,A雷达工作频率8～9 GHz捷变,架高为10 m,B雷达工作频率9～10 GHz捷变,架高为15 m。A雷达仰角测角误差仿真结果如图2所示,B雷达仰角测角误差仿真结果如图5所示。

图4 A雷达仰角测量误差仿真结果

图5 B雷达仰角测量误差仿真结果

A雷达与B雷达协同后仰角测量误差仿真结果如图6所示。

图6 雷达协同后仰角测量误差仿真结果

通过仿真结果可以看出,雷达协同后目标仰角测量误差变小,多路径效应得到抑制。仿真中2部雷达工作在不同频率,架设高度相差5 m,复合同平台雷达实际工作情况。通过上述仿真结果可以看出,利用不同工作频率、不同架设高度的2部雷达对同一低空目标进行跟踪时,通过雷达协同可以有效抑制多路径效应的影响。

6 结束语

多路径效应一直是困扰雷达低角跟踪的难题,本文基于频率与雷达架高对多路径回波相位的影响,提出了一种雷达协同多路径抑制方法,通过仿真分析了该方法对多路径效应抑制的有效性,尤其适用于同平台雷达协同低角跟踪。