车驰峰　祝明波　付哲泉

(海军航空工程学院电子信息工程系　烟台　264001)



超低空反导中的多径效应仿真*

车驰峰祝明波付哲泉

(海军航空工程学院电子信息工程系烟台264001)

摘要为了得到超低空背景下目标特性参数对脉冲雷达导引头目标检测的影响,根据导引头和目标的空间几何关系,推到了波程差、多普勒频移、相位差的表达式,并结合比例导引法建立多径效应仿真模型。针对目标飞行参数进行了具体的仿真并结合仿真结果对参数的影响效果进行了分析,为导引头末制导段的弹道规划与有效地规避多径效应提供参考依据。

关键词超低空; 脉冲雷达; 多径效应; 比例导引法

Simulation of Multipath Effect in Super Low-altitude Anti-missile

CHE ChifengZHU MingboFU Zhequan

(Department of Electronic and Information Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001)

AbstractIn order to get the target parameters’ effects on the target detection of the pulse radar seeker under the conditions of low-altitude, the expression of the distance difference and the Doppler frequence difference and the phasic difference is derived according to the geometry relationship between the radar seeker and the target, and simulation of the multipath effect model is built up combining the proportion guide methed. Aiming at the target flight parameter, the simulation result is received and the effect to the parameter is analyzed, which provide reference for the missile trajectory programming and evading multipath effect availably.

Key Wordssuper low-altitude, pulse radar, multipath effect, the proportion guide method

Class NumberTN957.51

1引言

多径效应是指当雷达低仰角工作时,除了从目标直接反射的回波之外,还有来自反射表面的基于镜面反射和漫散射机理的目标回波。当同时到达雷达接收机时,会产生相干或非相干叠加,这种现象通常被称为多径效应[1]。文献[2~3]分别针对毫米波雷达和单脉冲体制雷达,指出镜面反射会使回波信号衰落,漫散射会导致回波中的相位部分出现偏差。提出利用最大似然法估测俯仰角,对毫米波雷达和单脉冲体制雷达的多径效应都可以进行有效地抑制。文献[4~7]对前人工作进行了总结,对不同多径效应模型下的回波信号模型进行了比较,给出了在不同电磁散射环境下,不同多径效应模型的适用程度。文献[8]给出了一种基于多反射点扩展目标的多径回波时域复包络数字仿真模型,此模型适用于对于平整和起伏的地面或海面。

本文在超低空背景下,结合比例导引法建立镜面反射多径效应模型,分析多径效应对脉冲主动雷达导引头探测与跟踪性能的影响,得出多径效应对雷达测量参数影响的可用性结论,对抑制目标镜像实现超低空反导具有重要意义。为提高导引头探测与跟踪精度和武器的打击效能提供重要参考依据。

2弹道模型和多径效应模型的建立

2.1弹道模型的建立

比例导引法,亦称为比例导航法,是指导弹在飞行过程中矢量V的转动角速度成比例的一种导引方法[9]。其关系式为

(1)

式中,K为比例系数,又称为导航比。假定比例系数K为一个常数,对式(1)进行积分,就得到比例导引关系式的另一种形式:

ε1=(σ-σ0)-K(q-q0)=0

(2)

式中σ为导弹弹道角,q为目标视线角。

以比例导引法为基础的弹目运动关系示意图和二维弹道模型仿真图如图1、图2所示。

图1　弹目运动关系示意图

图2　比例导引法仿真图

2.2多径效应模型的建立

根据多径效应形成的基本原理,可分为镜面反射和漫散射,当反射表面高度差满足:

Δh

可认为反射表面是平坦的。如果上式不成立,则认为反射表面为粗糙。式中,Δh为反射表面高度差,λ为雷达工作波长,φ为地海面反射波的入射余角。本文所研究的是基于镜面反射模型的多径效应。

当弹目距离较小时,忽略地球曲率对雷达波束传播的影响,镜面反射模型如图3所示。

由于不考虑和差通道的接收机噪声时,三条多径回波和一条多径回波的单脉冲比是一样的,所以,为了简化分析过程,本文的分析建立在一条多径的基础上[10],即只考虑直射路径ACA和反射路径ACBA。

图3　平面反射模型示意图

设直接回波和反射回波的波程差为ΔR,则:

(3)

其中,

(4)

同时,考虑到目标与雷达导引头之间存在相对运动速度,会产生多普勒频移[11]。设导弹速度为vm,目标速度为vt。

路径ACA的多普勒频移:

(5)

路径ACBA的多普勒频移:

(6)

在本模型中,采用固定频单脉冲信号形式,直接回波可表示为

(7)

多径反射回波可以表示为

(8)

其中,T代表脉冲重复周期,fc为中心频率。

综上,回波信号可表示为

S(t)=SR(t)+SRd(t)

(9)

直接回波与反射回波频率差Δfd为

Δfd=fd1-fd2

(10)

同时由所求的弹目距离表达式可求得直接回波与反射回波相位差Δφ为

Δφ=φs-φt

(11)

其中:

(12)

(13)

3仿真结果及分析

仿真时导弹以比例导引法迎头打击目标。设导弹速度为1.5马赫,弹目水平距离为10000m,导弹初始高度为2000m。

3.1仿真结果

1) 目标飞行速度为0.7马赫;目标初始高度为5m;

2) 目标飞行速度为0.7马赫;目标初始高度为100m;

3) 目标飞行速度为1.2马赫;目标初始高度为5m;

3.2仿真结果分析

3.2.1直接回波与多径回波频率差的分析

频差随着目标飞行高度的增高,上升起始时间提前,上升趋势总体变得平缓,且随着飞行高度和飞行速度的增加而增加的。当频差达到某一临界值,导引头的速度门可将镜像回波挡在接收机之外,以消除多路径效应对末制导阶段产生的影响。

3.2.2直接回波与多径回波时延的分析

时延不随飞行速度的改变而改变,但随着飞行高度的增加而增加。而时延的增加在距离上有着距离后拖的作用,若多径回波强度在特定情况下可与直接回波相比拟,很有可能使距离门跟踪目标镜像而导致导弹脱靶。

3.2.3直接回波与多径回波俯仰夹角的分析

俯仰夹角不随飞行速度的变化而变化,而是随着目标的飞行高度增加而增加。在一定范围内,可使得角度跟踪产生偏移最后引发脱靶。

4结语

本文在超低空反导的实际背景下,结合末制导雷达比例导引法,较为详细地推导了距离差、多普勒频差、相位差公式,建立镜面反射多径效应模型,针对超低空突防导弹的飞行高度和飞行速度对多路径效应的影响进行仿真分析和研究,该研究可为固定频单脉冲雷达导引头有效地规避多径效应的影响提供参考依据。

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中图分类号TN957.51

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.03.016

作者简介:车驰峰,男,硕士研究生,研究方向:精确制导技术及其智能化。祝明波,男,博士,副教授,硕士生导师,研究方向:微波遥感技术与应用。付哲泉,男,硕士研究生,研究方向:精确制导武器目标探测技术。

收稿日期:2015年9月4日,修回日期:2015年10月25日