多徑反射對海面目標(biāo)探測影響分析及其解決措施

馬曉靜，劉方正，劉育才，韓振中

(1.國防科技大學(xué) 電子對抗學(xué)院，合肥 230037；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

岸基對海監(jiān)視雷達(dá)是實(shí)現(xiàn)對沿岸附近海面、空中態(tài)勢進(jìn)行全天時、全天候監(jiān)控的重要手段。世界各國為加強(qiáng)海防預(yù)警能力和提高海防實(shí)力大力發(fā)展海岸警戒雷達(dá)。對海監(jiān)視雷達(dá)一般工作于較高的頻段，在S、C、X波段或更高頻段；以較小的尺寸、質(zhì)量獲得良好的方位分辨性能；架設(shè)于海岸線附近高山，以增加雷達(dá)通視距離，擴(kuò)大探測范圍。由于電磁波的多徑反射特性，雷達(dá)架高后會引起雷達(dá)俯仰波束分裂，從而導(dǎo)致空域覆蓋不連續(xù)的問題。

本文就不同頻段電磁波海面反射特性以及海面反射對方向圖傳播因子的影響等問題進(jìn)行分析，對不同工作頻率、不同架設(shè)高度條件下雷達(dá)實(shí)際探測范圍進(jìn)行仿真，分析其存在的問題并提出解決思路。

1 海面反射傳播因子的影響

海面反射的影響可以通過方向圖傳播因子來表達(dá)。方向圖傳播因子F定義為“當(dāng)發(fā)射波束指向給定點(diǎn)時，規(guī)定條件下在給定點(diǎn)的電場幅度與在自由空間時的電場幅度之比”，在雷達(dá)中一般用F的4次方描述雙向功率比。由表面反射引起的干涉方向圖傳播因子為

Fi=|f(θt)+f(-ψ)ρexp(-jα)|

(1)

其中，f(θ)為天線的電壓方向圖，相對于軸向增益；ρ為反射系數(shù)的幅值；θt為目標(biāo)仰角，在平坦地面條件下：

(2)

其中，ψ為掠射角，在平坦地面條件下：

(3)

式(1)中α為反射波的相位，由下式給出：

(4)

一般情況下，為了不用一個特定天線方向圖描述傳播效應(yīng)，假設(shè)直達(dá)波和反射波路徑上f(θ)基本相等，傳播因子可以簡化為

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)

將式(2)、(4)帶入式(6)可得

(7)

2 海面條件下菲涅耳反射系數(shù)與鏡面反射系數(shù)

3 不同頻率、不同海況、不同架高條件下傳播因子仿真

設(shè)雷達(dá)工作頻率為10 GHz，雷達(dá)架設(shè)高度100 m，目標(biāo)高度2 m，距離范圍為1～40 km，反射面為海面，3級海況，偏離光滑表面的均方根高度取0.24 m，對反射系數(shù)、方向圖傳播因子進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖1、2、3所示。

圖1 目標(biāo)仰角隨距離變化情況

假設(shè)在距離40 km處，小型目標(biāo)(RCS為5 m2)回波信號信噪比為12 dB，大型目標(biāo)(RCS為5 000 m2)回波信號信噪比為42 dB，對1～40 km范圍內(nèi)信噪比分別在自由空間、海面反射條件下進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，由于海面反射的影響，在有些距離段信噪比得到了加強(qiáng)，最大增加值約為12 dB(對應(yīng)波瓣峰值)，而在有些距離段信噪比大幅度降低(對應(yīng)波瓣零值)。假設(shè)最小可檢測信噪比為12 dB，則有些距離段將不能有效檢測目標(biāo)，導(dǎo)致探測不連續(xù)。對于大型海上艦船目標(biāo)，由于其RCS很大，一般數(shù)千平方米，回波信噪比很強(qiáng)，探測不連續(xù)的現(xiàn)象一般不明顯，但對于小型目標(biāo)則會經(jīng)常發(fā)生目標(biāo)丟失現(xiàn)象。

圖2 反射系數(shù)(菲涅耳反射系數(shù)和鏡面反射系數(shù)乘積)幅度、相位

圖3 方向圖傳播因子

圖 4 單頻點(diǎn)工作時小型、大型目標(biāo)回波信噪比情況

4 解決方法及效果仿真

由式(7)可以看出，傳播因子Fi在1+ρ和1-ρ之間有一個周期性的變化，其峰值、谷值間隔周期為θn=λ/2hr，該間隔周期和雷達(dá)架設(shè)高度、波長密切有關(guān)。由于雷達(dá)架高受陣地條件限制，無法靈活調(diào)整，而雷達(dá)工作波長可以靈活調(diào)整，在雷達(dá)工作帶寬較寬的條件下可以通過變頻工作，利用不同頻率工作時傳播因子峰值、谷值位置不同的特點(diǎn)，使不同頻率的峰值、谷值互補(bǔ)，從而解決雷達(dá)架高后探測不連續(xù)的問題。分別對1級、3級海況條件下不同架高時采用多頻點(diǎn)工作實(shí)現(xiàn)凹口互補(bǔ)的效果進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 架高為100、200 m及3個頻點(diǎn)(8、9、10 GHz)工作時信噪比(1級海況)

圖6 架高為100、200 m及3個頻點(diǎn)(8、9、10 GHz)工作時信噪比(3級海況)

從仿真結(jié)果可以看出，不同海況、不同架高條件下，采用3個頻點(diǎn)工作，各頻點(diǎn)傳播因子峰值、谷值可以有效互補(bǔ)，信噪比不會出現(xiàn)大幅度降低，基本可以保證整個距離范圍內(nèi)的連續(xù)探測。

上述方法要求單部雷達(dá)具有較大的工作帶寬。當(dāng)該條件不滿足時可以考慮采用不同頻段雷達(dá)搭配工作，例如對海雷達(dá)常用的S、X波段搭配使用，并將其探測結(jié)果融合處理，也有利于實(shí)現(xiàn)對海面目標(biāo)的連續(xù)覆蓋。采用雙頻段雷達(dá)工作時，其回波信噪比情況仿真如圖7、圖8所示。

圖7 架高為100、200 m及雙頻段(3、10 GHz)工作時信噪比(1級海況)

圖8 架高為100、200 m及雙頻段(3、10 GHz)工作時信噪比(3級海況)

5 結(jié)束語

本文根據(jù)岸基對海雷達(dá)使用特點(diǎn)主要對不同頻率、不同架高、不同海況條件下方向圖傳播因子進(jìn)行了仿真分析，提出通過多頻點(diǎn)工作使方向圖傳播因子峰值、谷值互補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)對各類海面目標(biāo)的連續(xù)探測，給出了理論依據(jù)以及相關(guān)仿真結(jié)果，對岸基對海雷達(dá)的論證、設(shè)計、使用具有一定的參考價值。