史 鉴，钟 文

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

雷达信号在传播过程中，会遇到各种物体，经反射、散射、绕射到达接收天线。发射信号沿着多个路径到达接收端，不同的传播路径分量具有不同的幅度和相位，且以不同的入射角度和传播时延到达接收端，造成接收信号时延扩展和角度扩展[1]。现代海军对舰载电子设备的功能、性能和互操作性提出了更高要求。当前，由于通信、雷达及电子战系统融合程度不高，军舰上电子设备数目随着功能的增加而增多，甲板和舰桥上天线、电子设备等上层建筑数量越来越多，从而导致雷达侦察测向天线会被遮挡及接收到上层建筑反射的多径信号等问题。

多径效应是无线电测向技术误差分析的难点之一。经过物体反射的电磁波信号与直射电磁波信号频率相同、调制方式相同，使得传播方向有很大的变化，经过测向天线接收后，会给测向结果带来很大的误差。这种误差并非测向体制本身的误差，常见的测向算法如MUSIC算法等也无法消除多径对测向的影响[2]。

当目标飞行高度较低时，由舰船甲板引起的多径信号进入雷达侦察设备天线与直达信号在时间和角度上不能分开，产生干涉叠加，造成接收脉冲信号的起伏和角度闪烁误差，从而影响侦察设备的测向性能。因此，分析由舰船甲板引起的多径信号对侦察设备测向精度影响是非常有必要的[3]。

本文以被动侦察设备为背景，通过详细分析多径效应的产生机理，建立低空侦察条件下舰船甲板反射多径效应的雷达散射模型，仿真分析了甲板反射回波对侦察设备测向精度的影响；同时仿真分析上层建筑的遮挡对侦察设备测向影响，从而为侦察设备的性能评估和设计提供依据。

1 多径效应影响分析

分析多路径效应对雷达侦察设备测向的影响非常重要，选择合适的多路径模型是分析多路径影响和抑制多路径的基础，需根据多路径效应表面的粗糙程度，选择镜面反射或漫反射模型。当侦察设备接收低仰角范围内的雷达信号时，舰船甲板会反射一部分信号，反射信号与直射信号一起矢量相加后进入侦察接收天线，从而引起测量信号在幅度和相位上的变化，造成测量误差。根据反射情形的不同，可以将反射分为平面反射和球面反射。如果传播途径的一端较低，而且反射点非常接近该端，此时可以把地球表面视作一个平反射面，即平面反射。如果反射途径低端和反射点较远，地球曲率影响已经非常明显，建立多路径模型时采用球面反射模型，具体示意图如图1和图2所示。

图2 平面多路径模型

按照反射表面起伏不平的程度，表面可分为平滑表面和粗糙表面。在光滑平坦的表面，表面反射主要为镜面反射，在粗糙不平的表面上，还会产生漫反射。反射类型的判断根据表面起伏的高度差是否满足瑞利判据，式(1)即为瑞利判据：

(1)

式中：Δh为反射表面起伏高度的均方根；λ为入射波的波长；ψi为入射角。

当满足瑞利判据时，认为反射信号来自反射点附近的第一菲涅尔区，此时主要产生镜面反射信号[4]。镜面反射信号与直达回波信号强相关，对接收信号造成干扰。图3为舰船上层建筑镜面反射模型示意图，反射面为光滑的表面，侦察设备天线接收的回波除直达波外还有来自地表的反射波，此时的反射波似乎是从来自地表下方目标的镜像目标辐射到侦察设备天线的，因此称之为镜面反射。

图3 舰船镜面反射模型示意图

如图3所示，Si为入射波，Sd为直达波，Sr为反射波，镜面反射满足入射角等于反射角，ψr=ψi，由电磁理论很容易得到侦察设备天线的接收信号为：

S=Sd+Sr=Atf(θt)+ArρDf(θr)

(2)

式中：At为直达信号的幅度；Ar为反射信号的幅度；f(θt)为直达信号方向图；f(θr)为反射信号方向图；D为扩散因子，是考虑地球曲率影响的结果。

反射波照到凸起的地球表面会引起扩散，使得电磁波能量密度衰减。扩散因子的值由下式给出：

(3)

式中：dr、dt分别为入射点到雷达和目标的垂直投影点的地球表面距离(见图1)，d=dr+dt；a为地球半径，a=8 500 km。

由于本文的研究背景中，侦察天线和目标的距离在几百米到视距范围内，此时地球曲率的影响很小，D≈1，可用平面反射模型近似，因此本文的模型均是在平面反射模型基础上建立的。

文献[4]中给出了镜面反射模型，天线总的接收信号为：

S=Sd+Sr=Atf(θt)+Arρ0f(θr)

(4)

式中：ρ0为反射系数，对于理想的光滑平坦表面，反射系数为菲涅尔反射系数ρ0，即ρ=ρ0。

可以通过菲涅尔方程用雷达工作频率、入射余角ψi和极化形式得到ρ0，文献[5]给出了ρ0不同极化形式下的表达式。

2 仿真分析

采用如图4所示的舰船上层建筑模型，侦察设备采用多波束比幅测向体制，反射模型采用镜面反射模型进行仿真分析，仿真结果如图5所示。由图5可以看出：当来波方向为水面方向(俯仰角为0°)时，天线方向图基本无影响；当来波方向俯仰角为10°时，方向图开始畸变；随着俯仰角的增多，畸变越来越严重。经分析，造成方向图畸变是因为俯仰角越大，反射信号越强。方向图畸变会造成侦察设备测向错误、方位多值、灵敏度下降等问题；方向图畸变越严重，则对侦察设备的影响越大。

图4 舰船仿真模型示意图

图5 天线方向图仿真结果

3 实验室实测试分析验证

图6为某侦察设备实验室条件下侦收模拟外界雷达信号的视频信号结果。由图6可以看出：接收到的视频波形存在毛刺或发生分裂等现象，最终造成脉宽、方位角等参数的测量错误，进而影响侦察设备的性能。经分析，造成图6所示现象的原因有搭建的模拟舰船上层建筑反射、地面反射等原因，即多个方位到达的信号几乎同时到达天线口面，相互叠加，合成的信号波形发生畸变，图6显示了观察到的不同畸变现象。

图6 实物测量结果图

为了降低舰艇上层建筑反射对侦察设备测向影响，某设备采用了如图7所示的场景进行实物仿真。该场景主要模拟在舰艇侦察设备安装位置周围涂覆吸波材料。其对比模拟测试的天线方向图如图8所示，由图8可以看出，涂覆吸波材料后方向图可以明显改善。为了降低多路径效应对侦察设备测向的影响，通常可以采用多源侦察信息融合的方式。

图7 实物测试现场图

图8 实物测试天线方向图

4 结束语

本文分析了舰船上层建筑反射形成的多径模型，并通过仿真分析了信号来波俯仰角对多波束比幅测向体制的天线方向图的影响；最后通过某实际装备的测试结果，说明了舰船上层建筑对侦察设备的真实影响，并给出了模拟采用涂覆材料情况下仿真测试结果，对舰载雷达侦察设备的安装及测向结果分析有一定的参考意义。