地面战场侦察雷达穿树衰减试验研究

王胜国，周 鹏，王 兰，吴霞飞

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南郑州 450047）

0 引言

在现代化高科技战争中，信息化侦察装备可以辅助部队更快、更好地获取实时的战场情报，监视战场态势。地面战场侦察雷达是现代陆地战场上不可或缺的侦察装备，主要用于侦察战场上敌方地面或低空目标，监视敌方动向，及时掌握战场态势的变化，为侦察部队提供情报支援［1-2］。为了获取己方战场优势，各国的战场侦察雷达不断推陈出现，新体制侦察雷达不断涌现，应用频段逐渐向高频拓展。

当前，国内外对战场侦察雷达的设计多是针对通视条件下的裸露目标，而对受丛林等障碍遮挡的目标，由于其特定的雷达工作频率、工作模式、功率孔径积限制，不利于发挥其效能。基于VHF 和UHF 频段的地面战场监视雷达虽然对叶簇、树林等的透视能力更强，但往往体积过大，机动性差，不具备隐蔽特性和便携特性。因此具有隐蔽性和一定的叶簇穿透功能的高频段地面战场监视雷达应用备受关注［3］。

本文主要是模拟地面战场侦察雷达探测地面目标和低空目标进行高频段电磁波穿树损耗试验，对外场试验数据进行分析、总结。根据不同频段、不同极化、不同树丛厚度等变量条件对电磁波穿透信号的影响，总结出在树林中的传播损耗特性与雷达频率、极化方式、树丛厚度等参数之间的关系,为宽带地面战场便携侦察雷达兼顾裸露和遮挡目标、地面和低空目标的设计提供参考依据,为进一步的研究奠定基础。

1 植被对雷达性能的影响

当前，国内外针对丛林和叶簇对电磁波的衰减效应研究多属于理论研究［4-7］，叶簇穿透试验主要集中在VHF 和UHF 波段，其中最全面的外场试验为美国在20世纪80年代开展的叶簇穿透试验［8-10］。1992年到1993年中原电波传播研究所在中牟林场开展的试验频段也在UHF 和VHF 波段，由于当时雷达应用需求的局限，都没有对更高频段展开研究［11］。然而随着电子技术的进步，综合分辨率、尺寸等的需求，雷达应用逐步向高频率发展，上述的试验结果对高频段的适用性已未可知。

雷达探测信号穿透植被或树林导致的信号电平衰减主要为穿透衰减和后向散射特性，此外受到自由空间的杂波和地面、建筑物的多径信号影响。根据既有的研究可知，穿透电磁波能量的衰减与频率、极化、入射角度和树木的种类、密度也都有关系，很难准确分析它们之间的定量关系。

根据已有的国外试验数据和研究成果，对叶簇类植被穿透的衰减理论计算主要有以下两种［12］:

式中，A为衰减系数，f为工作频率，单位是GHz。该公式根据VHF 和UHF 频段的试验得出，仅考虑了衰减系数随频率的变化，没有考虑穿透深度、极化等的影响。

考虑到穿透路径深度对衰减系数的影响，可认为衰减率随穿透深度的增加而减小，基于这一假设，上式被修正为［13］

信号经过树林时引起的衰减Lf是频率f（GHz）和在树林中的传播距离d（m）的函数。

可以看出公式（1）、（2）均是国外根据VHF 和UHF 频段试验研究得出，对于更高频段的适用情况并不清楚，也没有实测数据支撑。因此，急需开展高波段电磁波穿透树丛试验，为全面设计战场侦察雷达在各种应用场景的性能提供参考。

2 穿树试验情况

2.1 试验概述

为了全面准确地采集穿树试验数据，本试验设计采用L/S/C/X/Ku 五个波段、H/V 两种极化的电磁波测试，树丛选取了不同高度、不同密度、不同厚度、不同环境下同种类乔木。

2.2 小乔木树干穿透试验

小乔木树干穿透试验在某空旷野外进行，天气晴，温度16 ℃，微风；树高10 m，叶子较密，树与树之间间隙为1.5 m，树丛厚度为100 m；发射天线与接收天线距离200 m，发射天线架到空旷处，与树丛边缘间隔100 m，接收天线架到树丛另一边缘处，两天线架设高度相同，均为1.5 m。试验设置及树丛情况如图1所示，其中路径1 表示通视情况下的信号传播路径，路径2表示正对树干情况下的传播路径，路径3 表示沿两排树间隙的传播路径，路径4表示沿三排树木斜线方向的传播路径。

图1 小乔木树干穿透试验情况

试验过程主要是沿着图中所示4 条传播路径方向进行收发信号试验，将路径2、路径3、路径4条件下接收电平与路径1 条件下接收信号电平作比对，以此去除空气损耗与空间噪声影响，得出不同频段的衰减曲线，试验数据如图2所示。

图2 小乔木树干穿透试验结果

从上述试验数据可以看出不同频段斜线方向信号电平衰减值都相对较大，低频段水平极化比垂直极化稍微要好，这是符合理论实际的，但是极化方式、树叶树干的测试没有明显的规律，而且存在比较大的起伏。通过分析，雷达发射段前面存在一段水泥路面，发射时存在多径现象，还有采用的是喇叭口发射信号，衰减跟波束宽度也有一定的关系。所以地面战场雷达在侦察时不仅要考虑穿树的损耗影响、树干的反向散射影响，还需要对地面环境进行分析总结来应对复杂的特殊地形地貌。

2.3 小乔木有序分布叶簇穿透试验

小乔木有序分布叶簇穿透试验在某野外防护林进行，天气晴，温度7 ℃，大风。穿透对象为15 m高法桐树，有部分叶子，树与树之间间隙约为2 m。试验分为近距离和远距离两次，近距离树丛厚度为35 m，接收天线架设到树丛边缘，高2 m，发射天线架设到一个高台上，高约4 m，与接收天线距离为94 m。远距离树丛厚度为30 m，接收天线架设到树丛边缘，高2 m，发射天线架设到路边，高于接收天线，与接收天线距离为478 m，与树林边缘距离430 m。信号穿透树干与部分树冠，通视测试距离为94 m。试验设置及树丛情况如图3所示。

图3 不同发射距离穿树试验设置和树丛情况

记录信号穿透树丛后的接收电平，通过比对其与通视接收信号电平，并考虑距离因素，得出不同频段的衰减曲线，如图4所示。从图中可以看出信号的极化对穿透衰减的影响不大，而穿透的距离对衰减影响较大。由于近距离情况下，信号穿透路径多经过叶簇，衰减较大；远距离情况下，信号基本都是经过树干穿透，衰减较小。

图4 小乔木有序分布叶簇穿透试验结果

2.4 小乔木复杂分布叶簇穿透试验

小乔木复杂分布叶簇试验在某高地分两次进行，L、S、C 波段天线测试条件:天气晴，9 ℃，有风；X、Ku 波段天线测试条件:天气晴，8 ℃，无风。树丛为法桐树和其他小乔木间杂的复杂树丛，法桐树高15 m，树丛叶子较密，树丛厚度为27 m，发射天线与接收天线距离140 m，发射天线架到高地上，海拔落差27 m，接收天线架到树丛边缘处，架高1.5 m，所有测试数据均取多次测量平均值。试验环境搭建及树丛分布如图5所示。

图5 小乔木复杂分布叶簇穿透试验及树丛情况

小乔木复杂分布叶簇穿透试验测试项目主要分为不同频段天线及极化方式条件下测试信号穿透树丛后的接收电平，通过比对其与通视接收信号电平，并考虑距离因素，得出不同频段的衰减曲线，如图6所示。从图中可知，随着频率增加，信号穿透的衰减增加；L、S、C、X频段水平极化衰减比垂直极化略小，而Ku频段不同极化基本一致。信号衰减随频率变化趋势与上述公式（2）基本一致，仅在X/Ku频段，实测值比公式（2）计算值小5 dB左右。

图6 小乔木复杂分布叶簇穿透试验结果

从以上试验数据可以大致看出，L/S 频段水平极化和垂直极化在穿树试验中损耗相对较小，整体随频率升高，损耗增加，X/Ku频段的穿透衰减较大；在部分情况下，不同极化间存在一定的差异，但在多数情况因极化引起的差异较小；树丛的厚度和叶簇的茂密程度对信号的损耗影响比较明显，而在通视情况下距离引起的损耗较小，因此在布设雷达时应评估障碍物的情况，避免信号衰减过大。在评估树丛对雷达探测威力的影响时，可采用公式（2）进行估算。

3 结束语

通过上述实验分析，对于地面树干的穿透试验，不仅要考虑不同频率和不同极化方式在穿过树干的损耗影响和树干的反向散射影响，还需要对地面环境进行分析，地面起伏带来的多径效应也会带来强烈的干扰，从而影响目标的初始信息；另一方面是对复杂树叶环境的叶簇穿透试验，树干的影响随之降低，水平极化相对于垂直极化具有的优势不大，而低频段相对于高频段具有较大的优势。当然以上研究还具有一定的局限性和片面化，下一步将细化环境条件和雷达参数，通过建立数据库和模型库来发掘更多典型场景下的雷达穿树损耗情况。

随着边境小规模武装冲突的增加，地面战场穿透雷达这一新体制雷达必将有更为广泛的应用前景。在实际工程应用中建议综合考虑使用环境、战技指标需求和成本控制等多方面因素选择合适的雷达频段和极化方式，从而达到雷达资源的优化和合理应用。也可以采用一些如分布式多站雷达、变极化等新体制、新模式来探究地面战场穿透雷达的发展方向，牵引该领域技术发展新变革。