精測(cè)雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差規(guī)律的研究

陳登偉　吳海東　初曉

摘 要： 對(duì)精測(cè)雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差規(guī)律進(jìn)行研究，分析了精測(cè)雷達(dá)回波測(cè)量原理，并計(jì)算其天線差波束波瓣能量分布情況；研究雷達(dá)直射地物回波及地面遮擋對(duì)雷達(dá)跟蹤目標(biāo)的影響，并與傳統(tǒng)多路徑效應(yīng)模型進(jìn)行對(duì)比，得出傳統(tǒng)多路徑效應(yīng)模型對(duì)雷達(dá)低仰角誤差的影響并不是主要的；最后結(jié)合精測(cè)雷達(dá)對(duì)地物回波的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差的真實(shí)變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞： 雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差； 地物反射回波； 地面遮擋效應(yīng)； 傳統(tǒng)多路徑效應(yīng)模型

中圖分類號(hào)： TN95?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）11?0047?04

Abstract： The low elevation angle error of precision instrumentation radar is studied in this paper. The echo measurement principle of precision instrumentation radar is analyzed. The lobes energy distribution of antenna difference beam is calculated. The effects of echo signals of direct ground object and the ground shielding on radar′s target tracking is researched. In comparison with the traditional multipath effect model， it is found that the influence of the traditional multipath effect model on the radar low elevation angle error is not important. The real changing rule of low elevation angle error of precision instrumentation radar was obtained by the measured ground echo datas of precision instrumentation radar.

Keywords： low elevation angle error of radar； reflection echoes of ground object； ground shielding effect； traditional multipath model

0 引 言

精測(cè)雷達(dá)在低仰角跟蹤目標(biāo)時(shí)總要受到地面復(fù)雜因素的影響而產(chǎn)生測(cè)角誤差，而對(duì)于測(cè)角誤差的規(guī)律則始終無(wú)法說(shuō)清，在多數(shù)文獻(xiàn)中都用地面的鏡面反射多路徑效應(yīng)模型[1?2]來(lái)解釋低仰角測(cè)角誤差。本文從精測(cè)雷達(dá)回波測(cè)量原理入手研究，通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)多路徑模型與地物回波對(duì)雷達(dá)跟蹤的影響進(jìn)行探討，最后用精測(cè)雷達(dá)對(duì)地物回波的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出了低仰角雷達(dá)測(cè)角誤差變化規(guī)律。通過(guò)本文的研究可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)理論認(rèn)為的多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)低仰角誤差的影響并不大，而對(duì)雷達(dá)測(cè)角誤差影響最大的因素則是與目標(biāo)同距離下方的雷達(dá)地物直射回波和地面對(duì)雷達(dá)差波束的遮擋效應(yīng)。

1 雷達(dá)回波測(cè)量原理

1.1 地物回波的影響范圍

雷達(dá)照射到地面是一定會(huì)有地物回波的，但是不是所有天線照射的地物都對(duì)回波有貢獻(xiàn)。雷達(dá)照射的地面范圍為一個(gè)斜面，通過(guò)對(duì)精測(cè)雷達(dá)測(cè)量原理的分析可以發(fā)現(xiàn)，在這一地面照射范圍內(nèi)，只有一個(gè)狹小的帶狀范圍內(nèi)的地物回波將被雷達(dá)接收，而在帶狀范圍之外的雷達(dá)回波將被雷達(dá)距離波門所屏蔽掉[3]，如圖1，圖2所示。這一帶狀范圍的寬度將由雷達(dá)距離波門的時(shí)間長(zhǎng)度決定，例如，某精測(cè)雷達(dá)波門為±125 m，即雷達(dá)在某一時(shí)刻只處理波門中心附近±125 m范圍內(nèi)的回波信號(hào)。從以上分析可知，雷達(dá)照射地面時(shí)的地物回波只是一個(gè)狹小的地面區(qū)域的地物反射回波。

1.2 雷達(dá)測(cè)角跟蹤原理

由雷達(dá)原理可知，精測(cè)雷達(dá)測(cè)角一般采用比對(duì)兩束差波束能量差的方法進(jìn)行。下面對(duì)精測(cè)雷達(dá)測(cè)角誤差信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析。

雷達(dá)跟蹤目標(biāo)時(shí)，由發(fā)射機(jī)產(chǎn)生高頻電磁波向空中輻射，然后雷達(dá)天線等待接收回波。首先，由天線高頻頭部分產(chǎn)生接收回波每一時(shí)刻的兩束差波束能量差送到雷達(dá)接收機(jī)電路；接收機(jī)根據(jù)測(cè)距機(jī)給出的測(cè)距波門信號(hào)決定截取哪一個(gè)小時(shí)間段內(nèi)的差波束能量差信號(hào)，然后由峰值取樣保持電路取得這一時(shí)間段內(nèi)的差信號(hào)的最大值作為該時(shí)刻雷達(dá)跟蹤的角誤差信號(hào)；雷達(dá)伺服系統(tǒng)將根據(jù)這個(gè)誤差信號(hào)完成對(duì)目標(biāo)的角度修正，從而自動(dòng)跟蹤目標(biāo)。

當(dāng)目標(biāo)低仰角飛行時(shí)，在截取的差波束能量差信號(hào)中，將既有目標(biāo)回波的能量差又有地物回波的能量差，二者的疊加將決定雷達(dá)角誤差的變化方向。雷達(dá)低仰角回波產(chǎn)生示意圖如圖3所示。

1.3 單脈沖雷達(dá)差波瓣輻射能量分布

某精測(cè)雷達(dá)為單脈沖測(cè)量雷達(dá)，其天線兩差波束方向圖函數(shù)相同[1]，雙向工作均為[Fθ=][sinπdλsinθπdλsinθ2]（其中，[d]表示天線口徑大小，[λ]為工作波長(zhǎng)），但最大輻射方向不同。

以雷達(dá)天線電中心為原點(diǎn)，對(duì)差波束1來(lái)講，方向圖函數(shù)可表示為[Fθ+α=sinπdλsinθ+απdλsinθ+α2，]對(duì)差波束2來(lái)講，方向圖函數(shù)可表示為[Fθ-α=sinπdλsinθ-απdλsinθ-α2，]（其中[α]為兩差波束到天線中心的偏角），對(duì)[Fθ+α]和[Fθ-α]兩函數(shù)求導(dǎo)數(shù)，并令[Fθ+α′]和[Fθ-α′]為0，根據(jù)雷達(dá)天線直徑[d]（單位：m），工作頻率[f]（單位：MHz），可求出兩差波束各自副瓣的位置及副瓣能量數(shù)值如圖4所示。

2 雷達(dá)低仰角回波的分析

2.1 傳統(tǒng)多路徑模型

對(duì)于雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差，傳統(tǒng)理論認(rèn)為地面鏡像反射多路徑效應(yīng)是影響雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差的主要原因，傳統(tǒng)多路徑效應(yīng)模型如圖5所示，分三個(gè)區(qū)域進(jìn)行解釋[3]。

（1） 副瓣區(qū)。雷達(dá)主瓣還未“打地”，認(rèn)為多路徑影響與雷達(dá)副瓣電平大小有關(guān)。

（2） 主瓣區(qū)。認(rèn)為雷達(dá)主波束“打地”，多路徑影響開始變得嚴(yán)重。

（3） 水平區(qū)。當(dāng)波束擦地角接近零，認(rèn)為目標(biāo)直接回波信號(hào)與目標(biāo)鏡像回波差不多相等而相位相反，組合信號(hào)非常小，信噪比低，精度惡化。

2.2 雷達(dá)直射地物回波能量與傳統(tǒng)多路徑效應(yīng)回波

能量的對(duì)比

傳統(tǒng)多路徑模型只考慮了目標(biāo)對(duì)雷達(dá)回波的反射和散射，但當(dāng)雷達(dá)跟蹤低仰角目標(biāo)時(shí)，在與目標(biāo)同等距離的地物必然也反射雷達(dá)回波并被雷達(dá)天線所接收，而傳統(tǒng)多路徑模型完全沒(méi)有提及。下面分兩種情況進(jìn)行討論。

（1） 目標(biāo)距離較近時(shí)的情況

當(dāng)目標(biāo)距離較近時(shí)，可以不考慮地球曲率的影響，此時(shí)雷達(dá)照射目標(biāo)的下方地物完全可以被雷達(dá)波束直接照射到，如圖6所示。從圖6中可以看出，傳統(tǒng)多路徑回波與雷達(dá)直射地物回波并存，雷達(dá)接收回波將由目標(biāo)直接回波、地物直接回波和目標(biāo)多路徑回波組成。若沒(méi)有地物回波和目標(biāo)多路徑回波的影響，雷達(dá)將無(wú)偏差的正確跟蹤目標(biāo)，因此下面只考慮地物回波與目標(biāo)多路徑回波的影響。

當(dāng)目標(biāo)飛得較低時(shí)，目標(biāo)多路徑回波將由雷達(dá)主波束進(jìn)入，即雷達(dá)俯仰差波束的下主瓣波束進(jìn)入。此時(shí)對(duì)目標(biāo)多路徑回波的影響將由地面反射系數(shù)[ρ（ρ<1）]和進(jìn)入天線的回波與下波束主瓣中心的夾角大小決定。對(duì)于地物反射回波來(lái)說(shuō)，當(dāng)目標(biāo)多路徑回波由雷達(dá)主波束進(jìn)入時(shí)，雷達(dá)天線下波束主瓣肯定已經(jīng)觸碰到了地面，目標(biāo)下方的地物將會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的回波，并且從圖6中可以看出地物反射回波方向比目標(biāo)多路徑回波方向更接近天線下波束主瓣的中心，因此，地物反射回波將比目標(biāo)多路徑回波強(qiáng)許多倍。

從以上分析可知，對(duì)雷達(dá)低仰角測(cè)角來(lái)說(shuō)，在目標(biāo)距離較近時(shí)，目標(biāo)下方的地物反射回波將顯著強(qiáng)于目標(biāo)多路徑回波的影響，此時(shí)測(cè)角誤差將主要由目標(biāo)下方的復(fù)雜地物回波決定。

（2） 目標(biāo)距離較遠(yuǎn)時(shí)的情況

當(dāng)目標(biāo)距離變遠(yuǎn)時(shí)，此時(shí)必須考慮地球曲率的影響，如圖7所示。由于地球曲面的遮擋，目標(biāo)下方的地物回波在雷達(dá)屏上將逐漸減少。此時(shí)，反射回波將主要由目標(biāo)回波和地面多路徑影響決定，但因?yàn)槟繕?biāo)回波幾乎貼近地面，所以多路徑的回波與目標(biāo)回波方向的夾角很小，因此多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)測(cè)角誤差的影響也變小。此時(shí)，另一個(gè)重要因素即地面對(duì)雷達(dá)下波束主瓣的遮擋將十分明顯。根據(jù)雷達(dá)波束對(duì)目標(biāo)的作用效果可以得出此時(shí)的有效合成波束方向圖，如圖8所示。從圖8中可以看出由于地面的遮擋，下波束的主瓣能量將明顯弱化，導(dǎo)致目標(biāo)處接收的上波束能量明顯強(qiáng)于下波束。綜合比較可以發(fā)現(xiàn)，這時(shí)地面遮擋將是測(cè)角誤差的主要因素，雷達(dá)上波束回波明顯強(qiáng)于下波束回波，誤差將導(dǎo)致雷達(dá)天線向上偏離。

當(dāng)目標(biāo)在遠(yuǎn)距離處一直向上升高時(shí)，假設(shè)下波束主瓣完全不被地面遮擋，此時(shí)地面遮擋引起的誤差將會(huì)減小，目標(biāo)多路徑回波將會(huì)是主要考慮因素，但是由于雷達(dá)天線下波束主瓣已經(jīng)脫離地面，多路徑回波能量只能從雷達(dá)下波束副瓣進(jìn)入，而精測(cè)雷達(dá)的副瓣與主瓣能量之比是很小的，一般都在20 dB以上，所以即使有目標(biāo)多路徑回波能量從副瓣進(jìn)入，但對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)的影響是不大的。因此，當(dāng)目標(biāo)升高時(shí)即沒(méi)有地面遮擋時(shí)，目標(biāo)多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)測(cè)角的影響也是很微弱的。

從以上兩種情況的分析可知，對(duì)于雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差，無(wú)論目標(biāo)距離遠(yuǎn)近，目標(biāo)多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)測(cè)角誤差的影響都不是主要因素。當(dāng)目標(biāo)距離較近時(shí)，沒(méi)有地球曲率影響，測(cè)角誤差將主要由目標(biāo)下方的復(fù)雜地物回波決定；當(dāng)目標(biāo)距離較遠(yuǎn)時(shí)，此時(shí)仰角更低，由于地球曲率的因素，測(cè)角誤差將主要由地面對(duì)雷達(dá)天線下波束主瓣的遮擋情況決定。

3 對(duì)地物回波的實(shí)際測(cè)量

在實(shí)際測(cè)試中，對(duì)某精測(cè)雷達(dá)遠(yuǎn)處一突出地物進(jìn)行地物直射回波實(shí)際測(cè)量，結(jié)果如表1所示，根據(jù)表1繪制雷達(dá)回波高低差變化圖，如圖9所示。根據(jù)以上對(duì)精測(cè)雷達(dá)低仰角回波的分析，結(jié)合某精測(cè)雷達(dá)天線差波瓣方向圖（如圖4）可知，圖中A點(diǎn)為雷達(dá)主波束高于地物時(shí)的情形，此時(shí)高低角誤差由下波束的第一副瓣對(duì)準(zhǔn)地物引起的；C點(diǎn)為雷達(dá)下波束主瓣完全對(duì)準(zhǔn)地物引起的，此時(shí)雷達(dá)向下的誤差最大；B點(diǎn)為下波束主瓣與第一副瓣的交界處；D點(diǎn)為下波束主瓣完全被地面遮擋，而上波瓣主瓣對(duì)準(zhǔn)地物引起的，此時(shí)雷達(dá)天線向上抬高；E點(diǎn)為上波束主瓣完全被地面遮擋引起的，此時(shí)誤差由下主瓣的第二副瓣對(duì)準(zhǔn)地物引起的，天線向下偏；其他情況依次類推。以上雷達(dá)實(shí)測(cè)差值與圖4中的雷達(dá)天線差波束計(jì)算數(shù)值完全一致。

在雷達(dá)正常跟蹤目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)對(duì)地物回波的誤差信號(hào)將直接疊加到雷達(dá)目標(biāo)回波中，從而使得雷達(dá)跟蹤目標(biāo)高低角產(chǎn)生以上規(guī)律的偏差。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)精測(cè)雷達(dá)回波測(cè)量原理的分析，結(jié)合精測(cè)雷達(dá)實(shí)際測(cè)量，對(duì)傳統(tǒng)認(rèn)為的地面鏡像多路徑效應(yīng)造成低仰角測(cè)角誤差的模型進(jìn)行修正，提出了雷達(dá)低仰角誤差的主要原因是由雷達(dá)主瓣邊緣能量直接觸碰地面的地物反射回波和地面對(duì)雷達(dá)差波束的遮擋效應(yīng)導(dǎo)致的。通過(guò)本文的研究可以發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差主要是由雷達(dá)主瓣本身具有一定寬度導(dǎo)致的，當(dāng)雷達(dá)天線下波束的主瓣完全脫離地面時(shí)，測(cè)角誤差將由副瓣的影響產(chǎn)生；而精測(cè)雷達(dá)若要探測(cè)目標(biāo)，雷達(dá)的主瓣必須具有一定的寬度，因此雷達(dá)的低仰角誤差必然存在。本文結(jié)論揭示了雷達(dá)低仰角測(cè)量誤差的真實(shí)規(guī)律，很好地解釋了測(cè)量雷達(dá)低仰角“點(diǎn)頭”現(xiàn)象[4?5]，為雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差的估算與修正提供了很好的幫助。運(yùn)用本文結(jié)論，通過(guò)測(cè)量典型地物回波可以繪制雷達(dá)穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)的飛行空域圖。

參考文獻(xiàn)

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2 雷達(dá)低仰角回波的分析

2.1 傳統(tǒng)多路徑模型

對(duì)于雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差，傳統(tǒng)理論認(rèn)為地面鏡像反射多路徑效應(yīng)是影響雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差的主要原因，傳統(tǒng)多路徑效應(yīng)模型如圖5所示，分三個(gè)區(qū)域進(jìn)行解釋[3]。

（1） 副瓣區(qū)。雷達(dá)主瓣還未“打地”，認(rèn)為多路徑影響與雷達(dá)副瓣電平大小有關(guān)。

（2） 主瓣區(qū)。認(rèn)為雷達(dá)主波束“打地”，多路徑影響開始變得嚴(yán)重。

（3） 水平區(qū)。當(dāng)波束擦地角接近零，認(rèn)為目標(biāo)直接回波信號(hào)與目標(biāo)鏡像回波差不多相等而相位相反，組合信號(hào)非常小，信噪比低，精度惡化。

2.2 雷達(dá)直射地物回波能量與傳統(tǒng)多路徑效應(yīng)回波

能量的對(duì)比

傳統(tǒng)多路徑模型只考慮了目標(biāo)對(duì)雷達(dá)回波的反射和散射，但當(dāng)雷達(dá)跟蹤低仰角目標(biāo)時(shí)，在與目標(biāo)同等距離的地物必然也反射雷達(dá)回波并被雷達(dá)天線所接收，而傳統(tǒng)多路徑模型完全沒(méi)有提及。下面分兩種情況進(jìn)行討論。

（1） 目標(biāo)距離較近時(shí)的情況

當(dāng)目標(biāo)距離較近時(shí)，可以不考慮地球曲率的影響，此時(shí)雷達(dá)照射目標(biāo)的下方地物完全可以被雷達(dá)波束直接照射到，如圖6所示。從圖6中可以看出，傳統(tǒng)多路徑回波與雷達(dá)直射地物回波并存，雷達(dá)接收回波將由目標(biāo)直接回波、地物直接回波和目標(biāo)多路徑回波組成。若沒(méi)有地物回波和目標(biāo)多路徑回波的影響，雷達(dá)將無(wú)偏差的正確跟蹤目標(biāo)，因此下面只考慮地物回波與目標(biāo)多路徑回波的影響。

當(dāng)目標(biāo)飛得較低時(shí)，目標(biāo)多路徑回波將由雷達(dá)主波束進(jìn)入，即雷達(dá)俯仰差波束的下主瓣波束進(jìn)入。此時(shí)對(duì)目標(biāo)多路徑回波的影響將由地面反射系數(shù)[ρ（ρ<1）]和進(jìn)入天線的回波與下波束主瓣中心的夾角大小決定。對(duì)于地物反射回波來(lái)說(shuō)，當(dāng)目標(biāo)多路徑回波由雷達(dá)主波束進(jìn)入時(shí)，雷達(dá)天線下波束主瓣肯定已經(jīng)觸碰到了地面，目標(biāo)下方的地物將會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的回波，并且從圖6中可以看出地物反射回波方向比目標(biāo)多路徑回波方向更接近天線下波束主瓣的中心，因此，地物反射回波將比目標(biāo)多路徑回波強(qiáng)許多倍。

從以上分析可知，對(duì)雷達(dá)低仰角測(cè)角來(lái)說(shuō)，在目標(biāo)距離較近時(shí)，目標(biāo)下方的地物反射回波將顯著強(qiáng)于目標(biāo)多路徑回波的影響，此時(shí)測(cè)角誤差將主要由目標(biāo)下方的復(fù)雜地物回波決定。

（2） 目標(biāo)距離較遠(yuǎn)時(shí)的情況

當(dāng)目標(biāo)距離變遠(yuǎn)時(shí)，此時(shí)必須考慮地球曲率的影響，如圖7所示。由于地球曲面的遮擋，目標(biāo)下方的地物回波在雷達(dá)屏上將逐漸減少。此時(shí)，反射回波將主要由目標(biāo)回波和地面多路徑影響決定，但因?yàn)槟繕?biāo)回波幾乎貼近地面，所以多路徑的回波與目標(biāo)回波方向的夾角很小，因此多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)測(cè)角誤差的影響也變小。此時(shí)，另一個(gè)重要因素即地面對(duì)雷達(dá)下波束主瓣的遮擋將十分明顯。根據(jù)雷達(dá)波束對(duì)目標(biāo)的作用效果可以得出此時(shí)的有效合成波束方向圖，如圖8所示。從圖8中可以看出由于地面的遮擋，下波束的主瓣能量將明顯弱化，導(dǎo)致目標(biāo)處接收的上波束能量明顯強(qiáng)于下波束。綜合比較可以發(fā)現(xiàn)，這時(shí)地面遮擋將是測(cè)角誤差的主要因素，雷達(dá)上波束回波明顯強(qiáng)于下波束回波，誤差將導(dǎo)致雷達(dá)天線向上偏離。

當(dāng)目標(biāo)在遠(yuǎn)距離處一直向上升高時(shí)，假設(shè)下波束主瓣完全不被地面遮擋，此時(shí)地面遮擋引起的誤差將會(huì)減小，目標(biāo)多路徑回波將會(huì)是主要考慮因素，但是由于雷達(dá)天線下波束主瓣已經(jīng)脫離地面，多路徑回波能量只能從雷達(dá)下波束副瓣進(jìn)入，而精測(cè)雷達(dá)的副瓣與主瓣能量之比是很小的，一般都在20 dB以上，所以即使有目標(biāo)多路徑回波能量從副瓣進(jìn)入，但對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)的影響是不大的。因此，當(dāng)目標(biāo)升高時(shí)即沒(méi)有地面遮擋時(shí)，目標(biāo)多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)測(cè)角的影響也是很微弱的。

從以上兩種情況的分析可知，對(duì)于雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差，無(wú)論目標(biāo)距離遠(yuǎn)近，目標(biāo)多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)測(cè)角誤差的影響都不是主要因素。當(dāng)目標(biāo)距離較近時(shí)，沒(méi)有地球曲率影響，測(cè)角誤差將主要由目標(biāo)下方的復(fù)雜地物回波決定；當(dāng)目標(biāo)距離較遠(yuǎn)時(shí)，此時(shí)仰角更低，由于地球曲率的因素，測(cè)角誤差將主要由地面對(duì)雷達(dá)天線下波束主瓣的遮擋情況決定。

3 對(duì)地物回波的實(shí)際測(cè)量

在實(shí)際測(cè)試中，對(duì)某精測(cè)雷達(dá)遠(yuǎn)處一突出地物進(jìn)行地物直射回波實(shí)際測(cè)量，結(jié)果如表1所示，根據(jù)表1繪制雷達(dá)回波高低差變化圖，如圖9所示。根據(jù)以上對(duì)精測(cè)雷達(dá)低仰角回波的分析，結(jié)合某精測(cè)雷達(dá)天線差波瓣方向圖（如圖4）可知，圖中A點(diǎn)為雷達(dá)主波束高于地物時(shí)的情形，此時(shí)高低角誤差由下波束的第一副瓣對(duì)準(zhǔn)地物引起的；C點(diǎn)為雷達(dá)下波束主瓣完全對(duì)準(zhǔn)地物引起的，此時(shí)雷達(dá)向下的誤差最大；B點(diǎn)為下波束主瓣與第一副瓣的交界處；D點(diǎn)為下波束主瓣完全被地面遮擋，而上波瓣主瓣對(duì)準(zhǔn)地物引起的，此時(shí)雷達(dá)天線向上抬高；E點(diǎn)為上波束主瓣完全被地面遮擋引起的，此時(shí)誤差由下主瓣的第二副瓣對(duì)準(zhǔn)地物引起的，天線向下偏；其他情況依次類推。以上雷達(dá)實(shí)測(cè)差值與圖4中的雷達(dá)天線差波束計(jì)算數(shù)值完全一致。

在雷達(dá)正常跟蹤目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)對(duì)地物回波的誤差信號(hào)將直接疊加到雷達(dá)目標(biāo)回波中，從而使得雷達(dá)跟蹤目標(biāo)高低角產(chǎn)生以上規(guī)律的偏差。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)精測(cè)雷達(dá)回波測(cè)量原理的分析，結(jié)合精測(cè)雷達(dá)實(shí)際測(cè)量，對(duì)傳統(tǒng)認(rèn)為的地面鏡像多路徑效應(yīng)造成低仰角測(cè)角誤差的模型進(jìn)行修正，提出了雷達(dá)低仰角誤差的主要原因是由雷達(dá)主瓣邊緣能量直接觸碰地面的地物反射回波和地面對(duì)雷達(dá)差波束的遮擋效應(yīng)導(dǎo)致的。通過(guò)本文的研究可以發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差主要是由雷達(dá)主瓣本身具有一定寬度導(dǎo)致的，當(dāng)雷達(dá)天線下波束的主瓣完全脫離地面時(shí)，測(cè)角誤差將由副瓣的影響產(chǎn)生；而精測(cè)雷達(dá)若要探測(cè)目標(biāo)，雷達(dá)的主瓣必須具有一定的寬度，因此雷達(dá)的低仰角誤差必然存在。本文結(jié)論揭示了雷達(dá)低仰角測(cè)量誤差的真實(shí)規(guī)律，很好地解釋了測(cè)量雷達(dá)低仰角“點(diǎn)頭”現(xiàn)象[4?5]，為雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差的估算與修正提供了很好的幫助。運(yùn)用本文結(jié)論，通過(guò)測(cè)量典型地物回波可以繪制雷達(dá)穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)的飛行空域圖。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁鷺飛.雷達(dá)原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[2] 王德純，丁家會(huì)，程望東.精密跟蹤測(cè)量雷達(dá)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3] [美] MAHAFZA B R.雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)（Matlab版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4] [美] SKOLNIK M L.雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[5] 張小紅，楊敏.雷達(dá)低角跟蹤技術(shù)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2004（11）：8?11.

[6] 于智春，李中偉，盧長(zhǎng)海.降低多路徑效應(yīng)影響的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（1）：15?17.

2 雷達(dá)低仰角回波的分析

2.1 傳統(tǒng)多路徑模型

對(duì)于雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差，傳統(tǒng)理論認(rèn)為地面鏡像反射多路徑效應(yīng)是影響雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差的主要原因，傳統(tǒng)多路徑效應(yīng)模型如圖5所示，分三個(gè)區(qū)域進(jìn)行解釋[3]。

（1） 副瓣區(qū)。雷達(dá)主瓣還未“打地”，認(rèn)為多路徑影響與雷達(dá)副瓣電平大小有關(guān)。

（2） 主瓣區(qū)。認(rèn)為雷達(dá)主波束“打地”，多路徑影響開始變得嚴(yán)重。

（3） 水平區(qū)。當(dāng)波束擦地角接近零，認(rèn)為目標(biāo)直接回波信號(hào)與目標(biāo)鏡像回波差不多相等而相位相反，組合信號(hào)非常小，信噪比低，精度惡化。

2.2 雷達(dá)直射地物回波能量與傳統(tǒng)多路徑效應(yīng)回波

能量的對(duì)比

傳統(tǒng)多路徑模型只考慮了目標(biāo)對(duì)雷達(dá)回波的反射和散射，但當(dāng)雷達(dá)跟蹤低仰角目標(biāo)時(shí)，在與目標(biāo)同等距離的地物必然也反射雷達(dá)回波并被雷達(dá)天線所接收，而傳統(tǒng)多路徑模型完全沒(méi)有提及。下面分兩種情況進(jìn)行討論。

（1） 目標(biāo)距離較近時(shí)的情況

當(dāng)目標(biāo)距離較近時(shí)，可以不考慮地球曲率的影響，此時(shí)雷達(dá)照射目標(biāo)的下方地物完全可以被雷達(dá)波束直接照射到，如圖6所示。從圖6中可以看出，傳統(tǒng)多路徑回波與雷達(dá)直射地物回波并存，雷達(dá)接收回波將由目標(biāo)直接回波、地物直接回波和目標(biāo)多路徑回波組成。若沒(méi)有地物回波和目標(biāo)多路徑回波的影響，雷達(dá)將無(wú)偏差的正確跟蹤目標(biāo)，因此下面只考慮地物回波與目標(biāo)多路徑回波的影響。

當(dāng)目標(biāo)飛得較低時(shí)，目標(biāo)多路徑回波將由雷達(dá)主波束進(jìn)入，即雷達(dá)俯仰差波束的下主瓣波束進(jìn)入。此時(shí)對(duì)目標(biāo)多路徑回波的影響將由地面反射系數(shù)[ρ（ρ<1）]和進(jìn)入天線的回波與下波束主瓣中心的夾角大小決定。對(duì)于地物反射回波來(lái)說(shuō)，當(dāng)目標(biāo)多路徑回波由雷達(dá)主波束進(jìn)入時(shí)，雷達(dá)天線下波束主瓣肯定已經(jīng)觸碰到了地面，目標(biāo)下方的地物將會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的回波，并且從圖6中可以看出地物反射回波方向比目標(biāo)多路徑回波方向更接近天線下波束主瓣的中心，因此，地物反射回波將比目標(biāo)多路徑回波強(qiáng)許多倍。

從以上分析可知，對(duì)雷達(dá)低仰角測(cè)角來(lái)說(shuō)，在目標(biāo)距離較近時(shí)，目標(biāo)下方的地物反射回波將顯著強(qiáng)于目標(biāo)多路徑回波的影響，此時(shí)測(cè)角誤差將主要由目標(biāo)下方的復(fù)雜地物回波決定。

（2） 目標(biāo)距離較遠(yuǎn)時(shí)的情況

當(dāng)目標(biāo)距離變遠(yuǎn)時(shí)，此時(shí)必須考慮地球曲率的影響，如圖7所示。由于地球曲面的遮擋，目標(biāo)下方的地物回波在雷達(dá)屏上將逐漸減少。此時(shí)，反射回波將主要由目標(biāo)回波和地面多路徑影響決定，但因?yàn)槟繕?biāo)回波幾乎貼近地面，所以多路徑的回波與目標(biāo)回波方向的夾角很小，因此多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)測(cè)角誤差的影響也變小。此時(shí)，另一個(gè)重要因素即地面對(duì)雷達(dá)下波束主瓣的遮擋將十分明顯。根據(jù)雷達(dá)波束對(duì)目標(biāo)的作用效果可以得出此時(shí)的有效合成波束方向圖，如圖8所示。從圖8中可以看出由于地面的遮擋，下波束的主瓣能量將明顯弱化，導(dǎo)致目標(biāo)處接收的上波束能量明顯強(qiáng)于下波束。綜合比較可以發(fā)現(xiàn)，這時(shí)地面遮擋將是測(cè)角誤差的主要因素，雷達(dá)上波束回波明顯強(qiáng)于下波束回波，誤差將導(dǎo)致雷達(dá)天線向上偏離。

當(dāng)目標(biāo)在遠(yuǎn)距離處一直向上升高時(shí)，假設(shè)下波束主瓣完全不被地面遮擋，此時(shí)地面遮擋引起的誤差將會(huì)減小，目標(biāo)多路徑回波將會(huì)是主要考慮因素，但是由于雷達(dá)天線下波束主瓣已經(jīng)脫離地面，多路徑回波能量只能從雷達(dá)下波束副瓣進(jìn)入，而精測(cè)雷達(dá)的副瓣與主瓣能量之比是很小的，一般都在20 dB以上，所以即使有目標(biāo)多路徑回波能量從副瓣進(jìn)入，但對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)的影響是不大的。因此，當(dāng)目標(biāo)升高時(shí)即沒(méi)有地面遮擋時(shí)，目標(biāo)多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)測(cè)角的影響也是很微弱的。

從以上兩種情況的分析可知，對(duì)于雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差，無(wú)論目標(biāo)距離遠(yuǎn)近，目標(biāo)多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)測(cè)角誤差的影響都不是主要因素。當(dāng)目標(biāo)距離較近時(shí)，沒(méi)有地球曲率影響，測(cè)角誤差將主要由目標(biāo)下方的復(fù)雜地物回波決定；當(dāng)目標(biāo)距離較遠(yuǎn)時(shí)，此時(shí)仰角更低，由于地球曲率的因素，測(cè)角誤差將主要由地面對(duì)雷達(dá)天線下波束主瓣的遮擋情況決定。

3 對(duì)地物回波的實(shí)際測(cè)量

在實(shí)際測(cè)試中，對(duì)某精測(cè)雷達(dá)遠(yuǎn)處一突出地物進(jìn)行地物直射回波實(shí)際測(cè)量，結(jié)果如表1所示，根據(jù)表1繪制雷達(dá)回波高低差變化圖，如圖9所示。根據(jù)以上對(duì)精測(cè)雷達(dá)低仰角回波的分析，結(jié)合某精測(cè)雷達(dá)天線差波瓣方向圖（如圖4）可知，圖中A點(diǎn)為雷達(dá)主波束高于地物時(shí)的情形，此時(shí)高低角誤差由下波束的第一副瓣對(duì)準(zhǔn)地物引起的；C點(diǎn)為雷達(dá)下波束主瓣完全對(duì)準(zhǔn)地物引起的，此時(shí)雷達(dá)向下的誤差最大；B點(diǎn)為下波束主瓣與第一副瓣的交界處；D點(diǎn)為下波束主瓣完全被地面遮擋，而上波瓣主瓣對(duì)準(zhǔn)地物引起的，此時(shí)雷達(dá)天線向上抬高；E點(diǎn)為上波束主瓣完全被地面遮擋引起的，此時(shí)誤差由下主瓣的第二副瓣對(duì)準(zhǔn)地物引起的，天線向下偏；其他情況依次類推。以上雷達(dá)實(shí)測(cè)差值與圖4中的雷達(dá)天線差波束計(jì)算數(shù)值完全一致。

在雷達(dá)正常跟蹤目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)對(duì)地物回波的誤差信號(hào)將直接疊加到雷達(dá)目標(biāo)回波中，從而使得雷達(dá)跟蹤目標(biāo)高低角產(chǎn)生以上規(guī)律的偏差。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)精測(cè)雷達(dá)回波測(cè)量原理的分析，結(jié)合精測(cè)雷達(dá)實(shí)際測(cè)量，對(duì)傳統(tǒng)認(rèn)為的地面鏡像多路徑效應(yīng)造成低仰角測(cè)角誤差的模型進(jìn)行修正，提出了雷達(dá)低仰角誤差的主要原因是由雷達(dá)主瓣邊緣能量直接觸碰地面的地物反射回波和地面對(duì)雷達(dá)差波束的遮擋效應(yīng)導(dǎo)致的。通過(guò)本文的研究可以發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差主要是由雷達(dá)主瓣本身具有一定寬度導(dǎo)致的，當(dāng)雷達(dá)天線下波束的主瓣完全脫離地面時(shí)，測(cè)角誤差將由副瓣的影響產(chǎn)生；而精測(cè)雷達(dá)若要探測(cè)目標(biāo)，雷達(dá)的主瓣必須具有一定的寬度，因此雷達(dá)的低仰角誤差必然存在。本文結(jié)論揭示了雷達(dá)低仰角測(cè)量誤差的真實(shí)規(guī)律，很好地解釋了測(cè)量雷達(dá)低仰角“點(diǎn)頭”現(xiàn)象[4?5]，為雷達(dá)低仰角測(cè)角誤差的估算與修正提供了很好的幫助。運(yùn)用本文結(jié)論，通過(guò)測(cè)量典型地物回波可以繪制雷達(dá)穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)的飛行空域圖。

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