多径反射对海面目标探测影响分析及其解决措施

2020-12-25马晓静刘方正刘育才韩振中

雷达与对抗 2020年2期

马晓静，刘方正，刘育才，韩振中

(1.国防科技大学电子对抗学院，合肥 230037；2.中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

岸基对海监视雷达是实现对沿岸附近海面、空中态势进行全天时、全天候监控的重要手段。世界各国为加强海防预警能力和提高海防实力大力发展海岸警戒雷达。对海监视雷达一般工作于较高的频段，在S、C、X波段或更高频段；以较小的尺寸、质量获得良好的方位分辨性能；架设于海岸线附近高山，以增加雷达通视距离，扩大探测范围。由于电磁波的多径反射特性，雷达架高后会引起雷达俯仰波束分裂，从而导致空域覆盖不连续的问题。

本文就不同频段电磁波海面反射特性以及海面反射对方向图传播因子的影响等问题进行分析，对不同工作频率、不同架设高度条件下雷达实际探测范围进行仿真，分析其存在的问题并提出解决思路。

1 海面反射传播因子的影响

海面反射的影响可以通过方向图传播因子来表达。方向图传播因子F定义为“当发射波束指向给定点时，规定条件下在给定点的电场幅度与在自由空间时的电场幅度之比”，在雷达中一般用F的4次方描述双向功率比。由表面反射引起的干涉方向图传播因子为

Fi=|f(θt)+f(-ψ)ρexp(-jα)|

(1)

其中，f(θ)为天线的电压方向图，相对于轴向增益；ρ为反射系数的幅值；θt为目标仰角，在平坦地面条件下：

(2)

其中，ψ为掠射角，在平坦地面条件下：

(3)

式(1)中α为反射波的相位，由下式给出：

(4)

一般情况下，为了不用一个特定天线方向图描述传播效应，假设直达波和反射波路径上f(θ)基本相等，传播因子可以简化为

Fi=|1+ρexp(-jα)|

(5)

=|1+ρcos(α)-jsin(α)|2

=(1+ρcos(α))2+(ρsin(α))2

=1+(ρcos(α))2+2ρcos(α)+(ρsin(α))2

=1+2ρcos(α)+(ρcos(α))2+(ρsin(α))2

=1+ρ2+2ρcos(α)

(6)

将式(2)、(4)带入式(6)可得

(7)

2 海面条件下菲涅耳反射系数与镜面反射系数

3 不同频率、不同海况、不同架高条件下传播因子仿真

设雷达工作频率为10 GHz，雷达架设高度100 m，目标高度2 m，距离范围为1～40 km，反射面为海面，3级海况，偏离光滑表面的均方根高度取0.24 m，对反射系数、方向图传播因子进行仿真，结果如图1、2、3所示。

图1 目标仰角随距离变化情况

假设在距离40 km处，小型目标(RCS为5 m2)回波信号信噪比为12 dB，大型目标(RCS为5 000 m2)回波信号信噪比为42 dB，对1～40 km范围内信噪比分别在自由空间、海面反射条件下进行仿真，结果如图4所示。

由图4可知，由于海面反射的影响，在有些距离段信噪比得到了加强，最大增加值约为12 dB(对应波瓣峰值)，而在有些距离段信噪比大幅度降低(对应波瓣零值)。假设最小可检测信噪比为12 dB，则有些距离段将不能有效检测目标，导致探测不连续。对于大型海上舰船目标，由于其RCS很大，一般数千平方米，回波信噪比很强，探测不连续的现象一般不明显，但对于小型目标则会经常发生目标丢失现象。

图2 反射系数(菲涅耳反射系数和镜面反射系数乘积)幅度、相位

图3 方向图传播因子

图 4 单频点工作时小型、大型目标回波信噪比情况

4 解决方法及效果仿真

由式(7)可以看出，传播因子Fi在1+ρ和1-ρ之间有一个周期性的变化，其峰值、谷值间隔周期为θn=λ/2hr，该间隔周期和雷达架设高度、波长密切有关。由于雷达架高受阵地条件限制，无法灵活调整，而雷达工作波长可以灵活调整，在雷达工作带宽较宽的条件下可以通过变频工作，利用不同频率工作时传播因子峰值、谷值位置不同的特点，使不同频率的峰值、谷值互补，从而解决雷达架高后探测不连续的问题。分别对1级、3级海况条件下不同架高时采用多频点工作实现凹口互补的效果进行仿真，结果如图5、图6所示。