降低多路径效应影响的研究

摘 要:多路径效应是困扰无线电跟踪系统稳定跟踪低空目标的主要问题之一。在介绍低空目标多路径效应形成原理的基础上,论述了多路径效应对无线电跟踪系统造成的影响,进而从雷达跟踪处理角度出发,对克服多路径效应的技术措施如双波束技术、分集技术、跟踪模式设定、平滑滤波和多站信息融合等进行了研究。利用这些措施可以有效改善跟踪稳定性,并实现提高低空目标测量精度的目的。

关键词:多路径效应;双波束技术;分集技术;平滑滤波;信息融合

中图分类号:TN911文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)01-015-03

Research on Reducing Influence of Multi-path Effect

YU Zhichun,LI Zhongwei,LU Changhai

(The 92 Element of 91550 Unit,Dalian,116023,China)

Abstract:Multi-path effect is one of the major problems of radio-tracking system to track low-altitude targets stably.The influence of multi-path effect on the tracking system on the basis of introducing the principle of low altitude target′s multi-path effect is analysed.Some methods of dual-beam technology,diversity technology,tracking mode setting,smooth filter and multi-information fusion to reduce the influence are discussed,which can improve the tracking stability and increase the measurement accuracy of low altitude targets.

Keywords:multi-path effect;dual-beam technology;diversity technology;smooth filter;information fusion

0 引 言

无线电跟踪系统在跟踪低仰角目标时,由于地面或海面反射波的影响,产生多径效应,这时接收信号是直接信号和海面反射信号的矢量合,相当于目标和它的像之间发生角闪烁,会导致跟踪目标精度的降低,甚至天线出现剧烈抖动,跟踪失效。

低仰角跟踪技术至今还没有一种公认的成熟技术,仍然是国内外广泛感兴趣的课题[1-5]。实际上低仰角跟踪的主要困难在于目标和影像是相关的,并且它们的相对相位只有缓慢的变化。直达波和反射波的路径相差不大,在海面上,它们仅在俯仰角坐标上是分开的,因此绝大部分误差出现在仰角跟踪通道中。在误差比较严重时,雷达中的残余窜扰可能在方位角通道中引起一些误差。

1 多路径效应的原理

单脉冲雷达跟踪系统是利用天线的和、差方向图函数来测量目标方向的[2,3]。用ε表示目标相对于天线瞄准轴的偏转角,设在自由空间天线和波束电压增益为FΣ(ε),差波束电压增益为FΔ(ε),则经馈源、信道和接收机送给伺服系统的误差控制信号为Ue(ω)=FΔ(ε)/FΣ(ε),该信号将控制伺服系统驱动天线向差方向图为零的方向运动而实现对目标的跟踪。

在低仰角或负仰角条件下,天线接收的不仅有来自目标的直射波,而且有经地面、海面的镜面反射波,还有经各种途径到达天线的漫反射波。一般情况下,地面和海面的反射波中起主要作用的仍是镜面反射。在接收机中和通道信号对差通道信号归一化,并经相关检测后,将同相分量输出作为伺服的误差控制信号,表达式为:

Ue(ε)=Re[Δ(ε)/Σ(ε)]

={FΔ(ε)FΣ(ε)+ρ2FΔ(θr+θ-ε)FΣ(θr+θ-ε)+

ρcos φ[FΔ(θr+θ-ε)/FΣ(ε)+

FΔ(ε)/FΣ(θr+θ-ε)]}/[F2Σ(ε)+ρ2FΣ

(θr+θ-ε)+2ρFΣ(ε)FΣ(θr+θ-ε)cos φ](1)

式中:ε为目标相对于天线瞄准轴的偏转角;θ为天线仰角;θr为地面反射余角;φ为接收点处直射波与地面反射波间的相位差;ρ为地面反射系数的模;FΣ为和波瓣电压增益;FΔ为差波瓣电压增益。

2 多路径效应对跟踪系统的影响

2.1 多路径效应引起测角误差

尽管未计入漫反射分量和天线馈线与接收机噪声,式(1)不足以准确描述结果,但该式足以说明多径反射条件下误差控制信号的组成成份和构成关系。分析此式可以看出,由于多径反射的存在,即使令天线瞄准轴指向目标(ε=0),接收机输出角误差信号也不为零。欲使角误差信号为零,必须将天线偏转一个角度使之与多径反射信号相抵消,这个偏转的角就是多径效应形成的角误差。

2.2 多路径效应引起天线抖动

在低仰角条件下,天线A、目标B及地面的关系如图1所示。

图1 目标、像和天线视线之间的几何关系

图1示出了目标、像和天线视线之间的几何关系。图中:T表示目标;I表示目标的像。几何参数的意义解释如下:θγ为目标的俯仰角;ha为天线高度;ht为目标高度;γ为天线视角的擦地角;R为天线和目标在地面的投影间距离;φ为接收点处直射波与地面反射波间的相位差:φ=(2π×2haht)/(λ×R)+φ0。其中,φ0是地面反射系数的相角。

通过对式(1)进行分析可以发现,分子的第3项ρcos φ[FΔ(θr+θ-ε)/FΣ(ε)+FΔ(ε)/FΣ(θr+θ-ε)]不仅取决于天线波束及其指向、反射性质,而且还取决于直射波和反射波的相位差。所以角误差控制信号与φ是紧密相关的,即目标运动过程中随着ht和R的变化,φ将连续,且迅速地变化,这一项将形成天线仰角方向的剧烈抖动,引起天线跟踪轴大幅度摆动,严重时将导致目标丢失。

2.3 多径效应引起信号衰落

多径效应使得在天线接收点处的直射波与地面或海面反射波之间存在相位差,相位差越大,和差信号的衰落越大。当天线处于负仰角工作状态时,直射信号和镜像反射信号的强度基本上是同量级的,较强的镜面反射信号可能完全抑制通道中的直射信号,信号衰落十分严重。

2.4 受多径效应影响的仰角区域划分

根据多径反射引起信号起伏的程度和跟踪测角误差的大小,将受多径效应影响仰角的范围分为旁瓣反射区、主瓣反射区和不稳定跟踪区。

(1) 旁瓣反射区,即地面反射只进入天线波束旁瓣的仰角区域,这是多径反射对跟踪有影响,但影响较小的区域。

(2) 主瓣反射区,该区域内多径反射进入天线主瓣,因而信号较强,它既影响差方向信号,也影响和方向信号。多径效应的影响不能只用Δ/Σ曲线中线性段来估计,而必须考虑反射对和波束、差波束的向量关系并综合求解。

(3) 不稳定跟踪区,在这个区域内目标和镜像相对于观察点的张角很小,两者实际构成了密不可分的二元目标。目标直射信号和镜像反射信号的强度是等量级的,因而信号起伏严重。如果地面反射系数较小,若ρ 0.5,对大多数相对相位而言,目标视角仍停留在二元目标“中心”附近,但若相对相位接近180°,则信号衰减严重,视在角可能出现跳变,仰角或上跳至(1+ρ)θ/(1-ρ)或下跳至-(1+ρ)θ/(1-ρ)。在任何情况下,都可能使跟踪失败而丢失目标。

3 解决多径效应影响的技术措施

归纳起来,减小多径效应影响的技术途径主要有三类方式[3-11]:第一类是防止多径信号进入天线,这种方法所采用的主要手段有天线窄波束、双零点及空域滤波等;第二类是设法消除多径信号的影响,主要有斜视和双波束技术、空间平滑、分集接收、多站信息融合等;第三类是设法估计出目标参数。

在这三类方法中,第一类方法最为直接,然而它常受特点雷达的限制。要获得天线窄波束,只能靠提高工作频率或加大天线口径,然而这两条途径都受雷达探测距离和天线尺寸的限制,因此这里仅对后两种方法的几种技术进行重点介绍。

3.1 双波束技术

雷达天线在俯仰角方向采用偏焦双波束,两波束形状相同,且满足如下条件:

(1) 两偏焦馈源之间间距较小,以至从目标或像的回波到达两馈源有几乎相同的相位差。

(2) 采用窄的俯仰波束且目标和像都处于主波束内,这对于低高度目标是容易满足的。

(3) 俯仰轴视线指向目标和它的像的中点,视线轴指向角可通过目标的斜距和天线的高度计算得到。

由图1可得如下几何关系:

ht=ha+Rtan θγ=ha+Rtan (θγ-γ)

=ha+Rtanθγ-tan-1(ha/R)(2)

由式(2)可知,当目标的斜距R被测以后,未知量只有θγ。θγ可以通过测量两波束输出电压V1和V2与它们之间的相角得到,最后可采用搜索法求解目标的高度。

3.2 分集技术

地面反射波对跟踪系统的影响主要表现在俯仰支路。改善低仰角跟踪性能常用的一种方法是分集技术[5],主要有频率分集接收、不同高度天线分集接收、信号极化分集合成接收方法。

低仰角测量误差与雷达的工作波长有关,可以采用多个工作点频。对每个点频,可以获得一组目标的角度估值,通过多个点频测得的角度值乘以适当的加权系数联合求得比简均法更接近角度真值的估值。

由于多经效应的存在,跟踪接收机接收到的信号电平有很大的起伏,采用双通道接收机接收两种相互正交的极化分量,然后进行合成,提高了信噪比,能有效地减少由于多经效应引起的信号衰落。

3.3 多路径影响下低空目标跟踪模式设定

采取方位与俯仰两个角支路既可以同时闭环跟踪,也可以单轴独立跟踪;仰角支路既可以闭环跟踪,也可以引导跟踪的方案,当本站多路径影响严重时,方位自动跟踪而仰角处于引导状态,渡过盲区后再转入闭环跟踪。

3.4 平滑滤波

由误差表示式可知,角抖动误差含因子cos φ,雷达站址一定时,φ值随目标距离r、高度ht变化,对运动目标而言,亦即随时间变化,因而对送往伺服的误差信号作适当的时间平滑,即可减小其影响。单从减小高频抖动误差考虑,希望平滑周期大于天线抖动周期。但实际上天线抖动周期是随目标距离r、高度ht变化的,当r较小时,角抖动频率较高;而当r很大,目标接近水平方向时,角抖动频率较低。目标高度不同,仰角抖动情况的差别很大,因此要想使平滑周期在任何条件下都大,对于天线角抖动周期是难于实现的。尽管如此,实践表明平滑滤波仍然可以明显改善天线的抖动。

3.5 多站信息融合

测量误差取决于天线波束指向与目标的几何关系以及地面的反射特性,而与目标运动状态无关,所以对数据本身作平滑滤波等处理是不能减小多路径影响的。

在多雷达联合使用情况下各信息源是不相关的,因此对这些信息进行加权最小二乘处理就可在统计意义上减小多路径影响形成的偏差[3,10,11]。首先将采集到的经过平滑滤波的多源信息进行时间对准、坐标变换,然后进行数据融合,得到目标视在角估值,送给天线伺服系统,确保天线运行在目标视角估值位置上。因此,天线将对准目标运动,从而达到平稳准确跟踪目标的目的。所以在多个雷达站组网情况下,对两两俯仰角测量值进行加权最小二乘处理,以形成1个融合值,作为其他测站俯仰角的引导信息,可减小多路径效应带来的影响。

4 结 语

多路径效应会严重影响跟踪系统对目标的跟踪精度及稳定性。本文在介绍低空目标多路径效应形成原理的基础上,论述了多路径效应对无线电跟踪系统造成的影响,进而对降低多径效应影响的技术措施进行了分析探讨,利用这些技术手段能够达到有效减少多径效应引起的天线抖动、测角误差的目的,从而确保无线电跟踪系统对低空目标的平稳跟踪。

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