雷達(dá)低角測(cè)量誤差仿真分析及改善方法

陸小凱，錢(qián)喬龍，吳 儉

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州225101)

0 引 言

艦載雷達(dá)在測(cè)量低仰角目標(biāo)時(shí)，不可避免地有海面的反射。這種多徑效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大的仰角測(cè)量誤差，導(dǎo)致目標(biāo)指示不準(zhǔn)確，嚴(yán)重時(shí)會(huì)丟失目標(biāo)，形成探測(cè)盲區(qū)。作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)四大威脅之一，低空突防飛機(jī)、掠海導(dǎo)彈可以對(duì)艦船實(shí)施毀滅性打擊。面對(duì)各種低空突防手段的威脅，研究制定雷達(dá)抗多路徑干擾方法以提高雷達(dá)低角測(cè)量精度具有重大意義[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)低仰角測(cè)量技術(shù)的研究已走過(guò)數(shù)十年的歷程，傳統(tǒng)的單脈沖雷達(dá)為了克服低仰角多路徑產(chǎn)生的測(cè)角偏差，通常采用偏軸跟蹤技術(shù)、復(fù)角技術(shù)、天線窄波束設(shè)計(jì)、重濾波等方法[23]。目前完全消除多路徑影響還沒(méi)有絕對(duì)的解決辦法，各種方法都有自身的限制。

1 多路徑效應(yīng)模型

分析多路徑效應(yīng)對(duì)單脈沖比幅測(cè)角雷達(dá)低角測(cè)量精度的影響，主要考慮多路徑幾何模型和俯仰角誤差計(jì)算模型。

圖2 雷達(dá)仰角誤差仿真曲線(一)

圖3 雷達(dá)仰角誤差仿真曲線(二)

圖4 雷達(dá)仰角誤差仿真曲線(三)

對(duì)比圖2、圖3可以發(fā)現(xiàn)，平均加權(quán)后的角誤差值相對(duì)于單頻點(diǎn)時(shí)的角誤差有了很大程度的改善，這是因?yàn)閷拵Ы葑冾l可以使由多路徑引起的仰角測(cè)量誤差在不同相位相互抵消，即去除了鏡像信號(hào)與直達(dá)信號(hào)的相關(guān)性。對(duì)比圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變頻帶寬加大時(shí)，角誤差值則會(huì)變小，因此適當(dāng)加大變頻帶寬會(huì)帶來(lái)更好的效果。

當(dāng)海情s=1，天線架高h(yuǎn)r=20 m，在X波段4 GHz帶寬下分16點(diǎn)均勻跳變，目標(biāo)高度ht=10 m 和ht=20 m時(shí)算得目標(biāo)仰角誤差曲線如圖5、圖6所示。

圖5 雷達(dá)仰角誤差仿真曲線(四)

圖6 雷達(dá)仰角誤差仿真曲線(五)

對(duì)比圖4、圖5和圖6，當(dāng)雷達(dá)工作頻率、海情、天線高度相同而目標(biāo)高度變化時(shí)，仰角誤差曲線的總體變化相對(duì)緩慢且趨勢(shì)是一致的，即總是在近區(qū)某距離段出現(xiàn)大的凹口。10 km 以外距離段的角誤差相對(duì)較小。

當(dāng)海情s=3，天線架高h(yuǎn)r=20 m，在X波段4 GHz帶寬下分16點(diǎn)均勻跳變，目標(biāo)高度ht=10 m 和ht=20 m時(shí)算得目標(biāo)仰角誤差曲線如圖7、圖8所示。

由圖7和圖8可以看出，當(dāng)海情變高時(shí)，海面變得粗糙，由多路徑引起的俯仰角誤差會(huì)下降。

3 改善低角性能方法

根據(jù)低角誤差仿真分析結(jié)果，當(dāng)雷達(dá)工作頻率、天線高度、海情確定時(shí)，角誤差隨目標(biāo)距離、高度的變化相對(duì)緩慢，且有一定規(guī)律可循。雷達(dá)系統(tǒng)工作時(shí)，天線架高、工作頻率等參數(shù)均為已知量，可按照不同海情、目標(biāo)高度、距離通過(guò)大量仿真建立角誤差修正數(shù)據(jù)庫(kù)。目標(biāo)在低空高速飛行時(shí)，其高度變化

圖7 雷達(dá)仰角誤差仿真曲線(六)

圖8 雷達(dá)仰角誤差仿真曲線(七)

一般相對(duì)緩慢，可將目標(biāo)高度作為一級(jí)索引并按固定步進(jìn)進(jìn)行分段(h1，h2…h(huán) n)，將海情、目標(biāo)距離作為二級(jí)索引，目標(biāo)距離分段時(shí)，主要考慮對(duì)近區(qū)角誤差大的距離段進(jìn)行修正，其余距離段可取0。針對(duì)不同目標(biāo)高度、海情、目標(biāo)距離通過(guò)仿真計(jì)算得出修正值δi，j，形成角誤差補(bǔ)償曲線，并存入角誤差修正數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖9所示。

圖9 角誤差修正數(shù)據(jù)庫(kù)示意圖

雷達(dá)工作時(shí)，將誤差修正數(shù)據(jù)庫(kù)裝載到誤差修正模塊。雷達(dá)探測(cè)得到目標(biāo)距離、高度后，連同設(shè)定的海情、反射系數(shù)、天線高度等外部參數(shù)一起送至誤差修正模塊。該模塊實(shí)時(shí)從誤差修正數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇特定的補(bǔ)償曲線對(duì)角誤差進(jìn)行修正，并送出最終計(jì)算值。

當(dāng)海情s=1，天線架高h(yuǎn)r=20 m，在X波段4 GHz帶寬下分16點(diǎn)均勻跳變，目標(biāo)高度ht=10 m 條件下，按本方法進(jìn)行角誤差修正后的仰角誤差曲線如圖10所示。

圖10 雷達(dá)仰角誤差仿真曲線(八)

從圖10可以看出，運(yùn)用寬帶捷變頻聯(lián)合自適應(yīng)角誤差修正的方法可以將仰角測(cè)量誤差控制在一個(gè)相當(dāng)小的范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了多路徑幾何模型和角誤差計(jì)算模型，通過(guò)仿真對(duì)低角測(cè)量誤差進(jìn)行了綜合分析，并提出一種改善雷達(dá)低角測(cè)量精度的方法。利用寬帶捷變頻去除鏡像信號(hào)與直達(dá)信號(hào)的相關(guān)性，根據(jù)不同海情、目標(biāo)高度實(shí)時(shí)選擇誤差補(bǔ)償曲線對(duì)角誤差進(jìn)行修正。該方法可以有效對(duì)抗多路徑效應(yīng)引起的低角測(cè)量誤差，提高艦載雷達(dá)的低仰角測(cè)量精度。仿真結(jié)果證實(shí)了該方法的有效性，可在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。