（信号与信息处理专业论文）多径效应下相控阵雷达低空目标角度估计与跟踪技术研究.pdf

摘要 摘要 相控阵雷达跟踪海面上飞行的低空目标时，由于海面反射形成了镜像，引起 了多径效应。此时直达信号与反射信号同时进入天线，造成回波幅度与相位的变 化，并且这种变化不能从直达信号中分离出来，从而造成目标仰角估计的严重误 差，甚至引起跟踪的失效。 针对多径效应的问题，首先建立海面低空目标的跟踪模型，分析了目标、镜 像和雷达之间几何关系。再研究了海面反射( 包括镜面反射与漫反射) 系数的特性， 影响多径效应的因素等。 接着，研究了相控阵雷达不同的测角方法。从基本的方法入手，过渡到相控 阵雷达常用的单脉冲和差波束法，分析了这些方法各自的测角效果；着重研究了 多径效应影响下比幅和差波束法在目标跟踪中的运用，并分析了多径效应的形成 原因，简单介绍了几种常用的多径消除技术。 然后，重点研究了应用阵列信号处理技术对低空目标进行d o a ( d i r e c t i o no f a r r i v a l ) 估计。为了减小直达信号与反射信号间的相关性，先介绍了三种去相关的 方法，再采用其中一种方法结合经典的m u s i c 算法来做d o a 估计。但是由于低 空目标的仰角常常超出了m u s i c 算法的角度分辨范围，为了获得较好的仰角估计 效果，本文利用基于变换的协方差对消算法在角度分辨上的良好性能，将其与改 进，应用于低空目标d o a 估计，既减小的信号的相关性，又提高了角度的分辨率。 仿真实验结果验证了该算法在低仰角估计上的优越性。 上述方法的处理并不能完全消除多径效应的影响，为了获得好的跟踪效果， 本文将用于机动目标跟踪的i m m ( 交互多模) 算法用于多径效应下的目标跟踪。该 方法使用了两个k a l m a n 滤波器，在存在多径效应与不存在多径效应两种模式下交 互转换，把多径效应的影响转变为目标垂直方向上的噪声影响来进行滤除。此外， 本文还将i m m 算法与相关多径误差的去相关结合，或者将双频跟踪融合用于i m m 算法。前者可以降低计算量，且避免了滤波协方差矩阵会出现奇异的情况，较好 的解决了滤波中多径误差的相关性问题。而后者较之一般的i m m 算法，够在每一 段时间间隔范围内取得较小的误差，改善滤波的效果，获得更好的跟踪性能。 关键宇：多径效应，d o a ，跟踪，低空目标，交互多模算法( i m m ) a b s t r c t a b s t r a c t w h e np h a s e da r r a yr a d a rt r a c k i n gl o w a n g l et a r g e t ，t h ei m a g eo ft a r g e tc a u s e db y r e f l e c t i o nf r o ms e as u r f a c el e a dt om u l t i p a t he f f e c t s a tt h i sm o m e n t ，b o t ht h ed i r e c t s i g n a la n dt h er e f l e c t e do n ei m p i n g ei n t ot h ea r r a y , a n dm a k et h ea m p l i t u d ea n dp h a s eo f t h ee c h oc h a n g e ，w h i c hc a n n o tb es e p a r a t e df r o mt h ed i r e c to n e ，t h u sc a u s es e r v e re r r o r s o f e l e v a t i o n se s t i m a t i o n ，e v e nt h ef a i l u r eo f t r a c k i n g f o rt h ep r o b l e mo f m u l t i - p a t he f f e c t s ，f i r s t l yt h el o w a n g l et a r g e tt r a c k i n gm o d e l o fs e a s u r f a c ei sb u i l tu p ，a n dt h eg e o m e t r i cr e l a t i o n s h i pa m o n gt a r g e t ，i m a g ea n dr a d a r i sa n a l y z e d l a t e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e a - s u r f a c er e f l e c t e d ( i n c l u d i n gs p e c u l a ra n d d i f f u s e ) c o e f f i c i e n t sa r ei n v e s t i g a t e da sw e l la st h ei n f l u e n c ef a c t o ro fm u l t i - p a t h i ns u c c e s s i o n ，s o m ea n g l em e a s u r e m e n ta p p r o a c h e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d ，a n d t h er e s u l t so ft h e mh a v eb e e na n a l y z e d ，f r o mb a s i co n et os u m d i f f e r e n c eb e a m m e a s u r e m e n t sw h i c ha r ep o p u l a ri n p h a s e da r r a yr a d a r t h e nt h e r ei s ad e e p i n v e s t i g a t i o no nt h ea p p l i c a t i o no fs u m d i f f e r e n c ea m p l i t u d ec o m p a r i s o ni nt a r g e t t r a c k i n gi nt h em u l t i - p a t he n v i r o n m e n t f i n a l l y , t h eo r i g i no fm u l t i p a t he f f e c t si s a n a l y z e da n ds o m em e t h o d st oe l i m i n a t et h em u l t i p a t he f f e c t sa r ei n t r o d u c e db r i e f l y t h e n ，t h ea p p l i c a t i o no fa r r a ys i g n a lp r o c e s s i n gt ot h ed o a ( d i r e c t i o no fa r r i v a l ) e s t i m a t i o no fl o wa n g l et a r g e th a sb e e np u te m p h a s i s u p o n f i r s to fa l l ，t h r e e d e c o r r e l a t i o nm e t h o d sa r ei n t r o d u c e df o rt h ep u r p o s eo fd e d u c i n gt h ec o r r e l a t i o n b e t w e e nt h ed i r e c ts i g n a la n dt h er e f l e c t e do n e t h e no n eo ft h e mi sc o m b i n e dw i t h c l a s s i c a lm u s i ca l g o r i t h mt od od o ae s t i m a t i o n b e c a u s eo ft h el o wa n g l ei so f t e n b e y o n dt h ed i s t i n g u i s h i n gr a n g eo fm u s i ca l g o r i t h m ，t og e tb e t t e rd o ae s t i m a t i o n r e s u l t s ，w em a k eu s eo ft h ew e l lp e r f o r m a n c ee l e v a t i o nd i s t i n g u i s h i n go ft h et r a n s f o r m b a s e dc o v a r i a n c ed i f f e r e n c i n ga l g o r i t h m ，i m p r o v ea n da p p l yi tt od o a e s t i m a t i o n ， w h i c hc a nb o t hr e d u c et h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ns i g n a l sa n di m p r o v et a r g e t se l e v a t i o n d i s t i n g u i s h i n g s u c ha p p r o a c h e sm e n t i o n e da b o v ec a n n o te l i m i n a t et h em u l t i p a t he f f e c t st o t a l l y t og e tw e l lt r a c k i n gr e s u l t s ，t h ei m m ( i n t e r a c t i n gm u l t i - p a t hm o d e l ) o n c eu s e di n m a n e u v e r i n gt a r g e th a sb e e na d o p tt r a c k i n gt ot h et r a c k i n gi nm u l t i - p a t h t h i sa l g o r i t h m i i a b s t r c t c o n s i s t so ft w ok a l m a nf i l t e r s ，m a k e st h et r a c k i n gp r o c e d u r a lc h a n g eb e t w e e nt h e m o d e l sb a s e do nw h e t h e rm u l t i p a t hi sp r e s e n to rn o t ，a n dc o n v e r t st h em u l t i - p a t h e f f e c t st ot h et a r g e t sn o i s ei nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o nt of i l t e ro u t i na d d i t i o n ，t h e c o m b i n a t i o no ft h ei m ma l g o r i t h mw i t hc o r r e l a t ee l i m i n a t i o nm e t h o d a n dt h e a p p l i c a t i o no fd o u b l ef r e q u e n c i e st r a c k i n gf u s i o ni ni m ma r e a l s od i s c u s s e d t h e f o r m e rc a nd e c r e a s et h ec o m p u t a t i o n a ll o a da n de l i m i n a t et h es i t u a t i o nw h i c ht h e c o v a r i a n c em a t r i xi ss i n g u l a r w h i l et h el a t e rc a ng e tl e s se r r o rd u r i n ge a c ht i m ei n t e r v a l i nc o m p a r i s o nw i t hc o n l i t l o ni m ma l g o r i t h m ，t h u sw i l li m p r o v et h ef i l t e r i n gr e s u l t st o g e tb e t t e rt r a c k i n gc a p a b i l i t y k e yw o r d s ：m u l t i - p a t h ，d o a ，t r a c k i n g ，l o wa n g l et a r g e t ，i m ma l g o r i t h m 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：建丛日期：2 印6 年牛月乃日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 丝塑。 导师签名： 日期：文6 年4 - 月必日 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 现代战争中飞机或导弹( 包括战术导弹和战略巡航导弹等) 利用低空、超低空 实施入侵。低空突袭的有效性在于目标的飞行高度大多在5 0 0 以下的低空、超低 空领域，具有飞行高度低、飞行速度快、雷达反射面积小、机动性强等特点，从 而给对方的地面和海面目标构成极大的威胁。而且低空目标可以利用地球曲率和 地形造成的遮挡与地对空防空设施的盲区作掩护，以及利用防空武器所需的调度 时间等有利条件，使低空飞行器能够快速隐蔽地深入敌区进行突袭。而且常规雷 达在对低空目标进行探测和跟踪时，战术指标大为下降，甚至不能完全发现或跟 踪目标。 除此之外，在雷达工作环境中，还受地球曲率、强烈的背景杂波( 海浪、地物 和气象杂波等) 和电波多径效应的影响。当雷达在探测和跟踪低空掠海飞行的目标 时，雷达发射的电磁波可能直接到达目标，也可能先到达海面，经过海面反射后 再到达目标；而发射波经目标反射后同样可能从两条路径，即直接或者经过海面 反射之后回到雷达天线。因此，雷达接收到的回波信号中除了直接被目标反射回 到雷达的直射信号外，还有通过海面反射回来的反射信号，以及部分通过海面散 射的信号。由于直射信号与反射信号可以看作是由同个信号源发出的，两个信 号高度相关甚至相干，常规雷达难以区分出目标的真实回波信号。这种在雷达低 空测角及跟踪时，由于地面或海面反射，反射信号与直接信号一起( 矢量相加后) 进入雷达天线，而引起回波信号在幅值和相位上的变化，造成的误差称为多路径 误差，这种现象则称作雷达多路径效应 2 ( 以后简称多径效应) 。 在海面低空目标的测向与跟踪中，多径效应严重影响了雷达对目标真实位置 信息的获取，造成雷达测向与跟踪性能的下降。因此，针对雷达在较远的距离上 对又低又小的目标“保证发现”和“精确定位”较为困难的特点，需要做几方面 的工作。一方面是研制新型雷达，提高雷达的工作性能，另一方面是解决雷达的精 确定位，研究性能更好的信号处理技术。 在2 0 世纪6 0 年代随着数字移相器和相位一相位扫描体制的采用发展起来的 相控阵雷达1 3j 具有波束捷变( 包括波束空间位置捷变及波束方r q 图形捷变) 能力等 电子科技大学硕士学位论文 独特的优点，因而可以满足对高性能雷达系统日益增长的需要，诸如多目标跟踪、 远作用距离、高数据率、自适应抗干扰、快速识别目标、高可靠性以及同时完成 目标搜索、识别、捕获和跟踪等多种功能。为了探测远距离低空目标，可以充分 利用相控阵雷达探测和跟踪低仰角时目标信号的特点，采用近年来阵列信号发展 出来的新理论和新方法，正确地分离和估计出低仰角时各个目标角度，提高新型 相控阵雷达在低仰角时对仰角的测量精度。因此，针对海面上掠海飞行的低空目 标，采用相控阵雷达进行跟踪。与其他的雷达相比，在低空防御领域，相控阵雷 达具有强大的生命力。 1 2角度估计与跟踪的发展及现状 多径效应是非自由空间最重要的效应，它对低空目标俯仰角估计与跟踪的影 响问题，已经有许多的学者做了大量的研究工作。早在2 0 世纪5 0 年代，雷达的背 景杂波和多径效应就已受到重视，人们已对海面和地面的前向微波散射特性进行 了大量的研究。6 0 年代到7 0 年代中期，人们提出了各种减小多路径影响的方法， 如动目标显示、多阵列天线、对称单脉冲、非对称单脉冲、偏轴跟踪及复角跟踪 等技术。理论方面，b a r t o n 在1 9 7 4 年发表的文章【1 中对多径效应的产生以及对低 空目标跟踪的影响做了深入研究，详细阐述了多径效应下的低空目标跟踪模型、 反射与散射现象以及多径效应的消除技术等。7 0 年代中期以后，微波技术、大规模 集成电路和微型电子计算机的发展，对雷达的信号形成、信号处理和数据处理等技 术提供了极大的推动力。9 0 年代以来，出现了不少新的低仰角估计方法，如空间谱 估计技术和自适应对消技术f 4 】等。 相控阵雷达中主要的测角方法是和差波束单脉冲法 2 ，包括比相单脉冲测角和 比幅单脉冲测角。这些方法目前已经发展的非常成熟，在实际工程中也有广泛的 应用。在满足一定的精度要求的情况下，单脉冲测角方法工程实现简单。但是对 于多径效应下的目标测角和跟踪，却不能起到应有的效果，造成测角和跟踪的失 效。对此问题，国内外提出了一些有效的解决方法，比如低角度倾斜 5 】等等。这种 方法目前已经被应用于t p s 5 9 g e 一5 9 2 f p s 1 1 7 固态雷达【5 中。 除了和差波束方法，在低空目标跟踪中，还可以应用阵列信号处理的方法来 做d o a ( d i r e c t i o no f a r r i v a l ) 估计。主要包括a r m a 谱分析【6 1 、最大似然法【7 】、熵谱 分析【8 1 和特征分解法四种。虽大似然算法是一种典型和实用的估计方法，除了最基 本的最大似然法外，还有确定性最大似然算法( d m l ) 【9 】和随机性最大似然算法 第一章绪论 ( s m l ) ，但最大似然算法的计算量较大，可能的解决方法有迭代或者利用多普勒 频率的时空二维估计。特征分解法的典型代表就是m u s i c ”( m u l t i p l es i g n a l c l a s s i f i c a t i o n ：多信号分类) 算法，于1 9 7 9 年由s c h i m i d t 提出。其后b a r a b e l l 又提出 了一维r o o t - - m u s i c 【l 刊算法，减小了m u s i c 算法的计算量。1 9 8 6 年r o y 等人提 出的e s p r i t l l 4 1 算法，建立在子空间旋转不变技术的基础上，它不需要全空间搜索， 减少了运算量。除此之外，还有f b l p 1 5 1 1 6 1 算法等。 当接收信号不相关时，以上的d o a 估计算法能够很好的分辨出信号的到达 方向。但是雷达在跟踪低空飞行目标时，存在严重的多径效应，接收到的回波信 号中含有高度相关甚至相干的直射信号和镜面反射信号成分，还有部分的散射信 号( 在平静的海面，可以不考虑散射信号) 。此时，常规的d o a 估计算法失效，不 能分辨出相关信号源的到达方向。解决相关信号源d o a 估计问题，传统的方法有 空间平滑【1 “，即将接受阵分成子阵，分别求出这些子阵的相关矩阵，再进行平均， 实现去相关。还有对信号协方差矩阵进行修正 1 8 】的方法，能够减小信号问的相 关性，从而达到减小多径误差的效果。 除了对d o a 估计算法进行改进外，还有其他的一些技术也能够获得较好的多 径消除效果。比如：频率分集【2 ，即采用几部发射机来发射不同频率或者波段的 信号，由于接收到的是不同频率的回波叠加，可以克服多径效应的影响；频率捷 变【2 ，即雷达发射得脉冲载频快速( 脉内、脉问或脉组间) 变化，能够改善雷达的 角度分辨力，减少多径干扰；采用毫米波雷达 2 ”，由于波束主瓣变窄，反射信号 不会进入主瓣，从而消除了多径效应。另外，滤波技术也可以较好的降低多径效 应的影响。b a r - s h a l o m y 提出的i m m 【2 纠( i n t e r a c t i n gm u l t i p l em o d e l ：交互多模) 算法， 采用两个模型( 含多径误差与不含多径误差) 交替进行，来减小低空目标测量中的 多径误差。 虽然现在针对低空领域的d o a 估计算法已经发展得比较成熟，但是目前还没 有通用有效的方法能解决不同场合低空目标仰角估计和跟踪中的多径效应问题。 因而，对于不同的飞行目标应根据其飞行特点，采取相应的方法和措施，最大程度 地消除多径干扰。 1 3 本文结构及主要内容 相控阵雷达应用于低空目标跟踪，涉及的俯仰角估计技术和角度跟踪滤波技 术非常宽广，本文只是就其中的一部分方法进行了研究，主要针对多径效应存在 电子科技大学硕士学位论文 的情况下相控阵雷达跟踪海面低空单个目标的问题。研究的方法是选择适合的算 法，根据实际的研究课题背景，对已有的经典算法做适合的改进。具体内容如下。 第二章主要介绍相控阵雷达跟踪海面低空目标的几何模型；海面的几种多径 反射和反射系数，以及影响它们的因子。 第三章着重研究了相控阵雷达主要的测角方法。先从相控阵雷达基本的测角 方法开始，介绍了比幅法和比相法。然后引申到目前相控阵常用的单脉冲测角方 法：和差波束法( e l 幅和比相) ，分析了各自的测角性能以及几种方法测角的精度。 最后研究了多径效应下的比幅和差波束法测角，分析了多径效应对测角的影响， 以及一些常用的多径消除技术。 第四章将常用的d o a 估计方法如m u s i c 算法等用于多径环境下低空目标仰 角的估计中。由于传统的m u s i c 算法不能分辨相关信号源的到达方向，因此本章 先研究了三种去相关的方法：一种是t o e p l i t z 算法【2 3 2 4 1 ，一种是频率捷变 2 5 ，一 种是对天线接收到信号的协方差矩阵进行修正。然后本章采用修正的m u s i c 算法 做d o a 估计，虽然修正m u s i c 算法虽然能够分辨相关信号源的到达方向，但是 在低空领域，目标的俯仰角常常会低于m u s i c 算法的角度分辨极限，因此本章利 用基于变换的协方差对消算法 2 卅角度分辨率较高的特点，结合修正去相关，将协 方差对消算法做改进，应用于多径效应下的d o a 估计，达到了去相关和提高角度 分辨率的双重功能，获得了良好的角度估计结果。仿真实验结果验证了该方法的 有效性。 第五章则介绍了在多径效应存在下的低空目标跟踪滤波算法，主要研究了基 于k a l m a n 滤波的i m m 及其改进算法。由于多径效应，雷达在跟踪低空目标的跟 踪曲线上会出现尖峰误差，采用i m m 算法可以滤除误差，获得比较准确的跟踪曲 线。b a r - s h a l o m 提出的i m m 算法根据尖峰间的相对位置来进行滤波，误差较大； 由于多径噪声具有自相关性，先去掉滤波增益的相关性，再用i m m 算法滤波怛”， 较之前一种方法，更为准确；然后还研究了将双频跟踪融合与i v i m 算法结合【2 8 的方法，使用双频跟踪，再数据融合，也能达到较好的跟踪效果。 1 4 作者的主要工作 本文主要研究多径环境下，相控阵雷达跟踪海面低空单个目标的角度估计和 跟踪滤波算法。主要做了以下工作： 1 海面多径效应的成因以及几种反射的形成，反射系数的影响因子等问题的 4 第一章绪论 研究。 2 多径环境下，相控阵雷达单脉冲测角方法，包括基本的比幅法、比相法、 相位和差单脉冲法及幅度和差单脉冲法。多径效应对单脉冲测角方法的影响。 3 多径环境下，去掉信号间相关性的t o e p l i t z 方法、频率捷变方法和协方差 矩阵修正方法。 4 低空目标d o a 估计的m u s i c 算法和基于变换的协方差对消算法研究，分 析了低空环境下基于变换的协方差对消算法在角度分辨上的优势。 5 研究了跟踪滤波阶段的i m m 算法以及i m m 与多径噪声去相关、双频跟踪 融合相结合进行跟踪滤波。 电子科技大学硕士学位论文 第二章海面目标信号的多径传播 2 1 多径几何模型 相控阵雷达在探测低空掠海飞行的目标时，其天线就具有一定的俯角。雷达 波束照射目标的同时也必然会照射到一定区域的海面，回波信号有可能直接到达 接收天线，也有可能经过海面反射后再回到雷达。因此，雷达除了接收到直达波 外，还接收到反射波，而且直射波与反射波在被雷达接收时相互干涉，将使接收 信号发生变化。这种在雷达低仰角测量时，由于地面或海面反射，反射信号与直 接信号一起( 矢量相加后) 进入雷达天线，从而引起测角误差信号在幅值和相位上 的变化，造成的误差称谓低仰角误差或多路径误差，这种现象称为雷达多路径效 应( 以后简称多径效应) 。 当雷达跟踪地面或海面上飞行高度非常低的目标时，会受到多径效应的影响， 因为地面或海面对目标回波的反射和散射的存在会引起雷达角跟踪系统抖动，出 现角度误差，以致无法稳定跟踪，甚至丢失目标。为了适应对现代飞行器测控的需 要，在研制新设备时，应对低空高速目标跟踪测量的多径问题予以重视。9 0 年代以 来，出现了不少新的低仰角估计方法，如空间谱估计技术和自适应对消技术等。但 目前还没有通用有效的方法能解决不同场合低仰角估计多径效应问题。因而，对于 不同的飞行目标应根据其飞行特点，采取相应的方法和措施，最大程度地消除多径 干扰，提高目标d o a 估计和跟踪的精度。 本文针对相控阵雷达跟踪海面低空目标进行研究，在低空范围内，多径效应 主要是对目标的俯仰角测造成干扰，而对目标的方位角没有影响，并且在平静的 海面多径效应尤其严重，此时海面的反射主要以镜面反射为主。所以，本文主要 针对平静的海面多径环境进行研究。 首先建立跟踪的几何模型，为了方便分析问题，假定目标从距离雷达5 0 k m 的 地方向雷达飞近。二者距离大于1 0 k i n 的范围都应当考虑成球面几何模型，考虑地 球曲率的影响，地球半径为r 。“6 3 7 9 * 4 3 m8 3 4 9 ( k m ) 。如图2 1 所示为多径球面模 型”。 目标( 高为一) 和一个含有m 个阵元的均匀接收天线阵( 高为h ，) 的直线距 离为风，线阵接收到目标直射信号和经过镜面反射后的信号，其到达角度分别是吼 第二章海面目标信号的多径传播 和矿。直接路径与反射路径的路程差为 民= r 1 + 尺：一r( 2 - 1 ) 其中，r 1 为目标到反射点a 的距离，r ：为雷达到反射点4 的距离，y 为擦地角。 巨标 图2 - 1 多径几何模型 由三角形的几何关系，可以得到： r 。( 2 r 。h r + 群一r ；) = 恐( 2 咒鼻+ 霄一砰) 群 ( 月。+ r ) 2 一瑶 = ( 2 r 鱼+ 臂一月；) ( 2 r 岛+ 砰一砰) 解方程组，计算得到r ：，可以求得擦地角y v ：s i n r 2 rh + h ； 、 2 月。r ， 可知，目标对雷达的仰角为 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 岛：。i n - ( 坠芝粤坠掣盔) ( 2 5 ) 4、 2 ( 十h r ) 镜像对雷达的仰角为 只= 一s i n 。( r s i n ( 2 甲) r o )( 2 6 ) 因此，在海面多径模型下，由几何关系就可以确定目标仰角与镜像仰角的真 实值。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 海面反射系数 2 2 1 镜面反射( 相干反射分量) 海面引起的多径反射分为两部分： 反射) 。镜面反射一股指满足瑞利判据 镜面反射( 相干反射) 和漫反射1 1 ( 非相干 即 生 8 s i n v ( 2 7 ) 其中， 为反射面高度的变化量，v 为擦地角，a 为信号波长。一般来说， 镜像目标包含着与目标信号强相关的信号分量，稍有去极化，在目标检测与跟踪 过程中对雷达性能产生极大影响。 海面反射系数定义为反射的电场矢量和入射的电场矢量之比，是一个复数， 它的幅度一般认为从0 到1 之间，相位的变化范围为0 到7 。该系数p 由f r e s n e l 反射系数风、扩散因子d 、镜面因子b 的乘积组成 p = 风d b ( 2 - 8 ) 表面光滑的f r e s n e l 反射系数由反射表面的电磁特性决定，可以通过f r e s n e l 方程得 到： 对于垂直极化p o = 对于水平极化 ( 2 9 ) 风：e , s _ i n v _ t x 尸c c - c o s 2 产v ( 2 1 0 ) s cs i n v + q c c o s v 丘是复介电常数，t = 岛一j 6 0 2 f f ( 2 - 1 1 ) 是自由介电常数，盯是电导率。 反射面的粗糙程度使得镜面反射的幅度有所衰减，由镜面因子b 决定，而镜 面因子通常用其均方根值r i t s 表示。总的镜面反射系数为 p o e x p ( 一8 2 2 f 2 ) 0 r o 1 胪油篇第 q j 2 露 一一+ y y n n虬一豇 t 一 第二章海面目标信号的多径传播 其中，f = o - 。s i n y 旯是海面的粗糙度因子，o i j 为浪高的均方值，由海况决定。 扩散因子d 是考虑地球曲率影响的结果，反射波照到凸起的地球表明引起散 射，使得电磁波能量密度衰减。扩散因子如下式所示 d 。il + ! 型i ( 2 - t 3 ) r e ds i n 妒l d r 、d 1 分别是反射点到雷达和目标在地球表面的垂直投影距离，d = d ，+ 吐。 2 2 2 漫反射( 非相干反射分量) 在粗糙的表面，除了镜面反射，还有漫反射，它随海水的运动而起伏，是一 个前向散射分量。在这方面它与众所周知的海杂波现象的后向散射信号相似。到 达雷达的整个漫反射的能量由漫反射系数来定义： v = p o p d ( 2 - 1 4 ) 其中，p o 如上定义，p e 为漫反射因子，是擦地角y 、浪高的均方值、波长 的 函数。通过理论研究，得到漫反射因子为： f 2 1 p 0 1 3 6 8 f ，0 f o ，1 p j = 4 5 i p o l ( o 4 5 4 - 0 8 5 8 f ) ，o 1 f 0 5 ( 2 一i s ) l 2 p o l o 0 2 5 ，f 0 5 镜面反射因子、漫反射因子与粗糙度因子的关系如图所示 图2 2 镜面反射因子与粗糙度因子 图2 - 3 漫反射因子与粗糙度因子 鱼三型垫奎兰堡圭堂竺堡壅 2 3 仿真实验 现在对镜面反射系数与漫反射系数随着目标距海面的高度以及目标一雷达的 距离变化的情况做仿真。其中，雷达高度为2 0 m ，考虑曲率影响的地球半径为 8 3 4 9 女m ，目标高度从海面上升到6 0 0 m ，它与雷达的距离分别取为5 k m 、l o k m 、 1 5 k i n 、2 0 1 r m ，结果如图2 - 4 所示。 图2 4 a 水平距离5 k n 图2 4 c 水平距离1 5 k n 图2 4 b 水平距离l o k n 图2 ，4 d 水平距离2 0 k n 由上面的仿真可以看出，随着目标高度的增加，镜面反射系数逐渐减小，而 漫反射系数在一定的高度范围内线性递增，而达到极限0 5 后再线性递减。说明在 低空飞行的目标，受到镜面反射多径干扰的影响比较大。目标离雷达越近，随着 第二章海面目标信号的多径传播 目标高度的增加，目标参数估计受漫反射影响增加越迅速。此外，由于漫反射的 能量衰减较快，而镜面反射的能量相对集中，因此，在本文研究的低空领域，只 考虑镜面反射的影响，而忽略漫反射。 下面仿真目标在距离雷达6 0 k m 的地方飞向雷达，在这个范围内，镜面反射系 数与满反射系数随距离变化的关系，结果如图2 5 所示。 一一 一一 i 二嚣薯鐾“l ? f 7 1 一一一 图2 - 5 反射系数随距离变化关系 由上面的仿真结果可以看出，目标在距离雷达越远的低空领域，受镜面反射 影响更为明显，而漫反射基本可以不考虑，此时，反射能量几乎全部集中在镜面 反射，多径效应非常明显，造成目标角度测量与跟踪的困难。 电子科技大学硕士学位论文 第三章多径效应下相控阵雷达测角方法 在进行目标角度跟踪时，测量目标的角度是雷达的主要任务之一。角度测量 的基本原理是利用无线电技术手段决定目标对于雷达的方向。目前相控阵雷达比 较通用的仰角测量技术有两种：顺序波束转换技术和同时波束转换技术。而对相 控阵雷达测角精度的影响包括波束指向误差、方向图误差、通道失配误差、校准、 平台指向和旋转、多路径、杂波误差等等。结合本文的课题背景，主要研究多路 径对相控阵雷达测角的影响以及改进方法。 3 1 相控阵雷达单脉冲测角方法 单脉冲测角技术 3 】是同时波束转换技术的一种，顾名思义就是即指能够在单独 一个脉冲上得到完整得角误差信号。它利用一对同时形成的接收波束中回波的幅 度或相位样本，从单个脉冲发射来估计目标回波的到达角。 3 1 1 相控阵雷达基本测角方法 常用的基本测角方法有振幅法和相位法【3 【29 1 。振幅法包括最大信号法，最小 信号法和等信号法三种，均是利用天线的方向性进行测角。 用最大信号法测角时，天线波束在一定角范围内扫描，在收到的回波信号最 强的时刻，波束轴线所指方向即为目标所在方向。如图3 - 1 所示。 波束最大值冀归 ( a ) 天线波束 图3 - 1 最大信号法测角原理 ( b ) 信号幅度变化 第三章多径环境下相控阵雷达测角方法 等信号法测角采用两个相同的彼此部分重叠的波束，两波束的交轴为等信号 轴，通过比较两个波束回波的强弱情况就可以判断目标偏离等信号轴的方向。最 小信号法是转动天线使方向图零点对准目标时，显示器上的回波信号最小或消失， 由此来读出目标的角坐标。 上述几种基本的测角方法设备简单，易于实现，但是测角精度都不高，没有 广泛应用。目前，相控阵雷达进行目标跟踪时采用单脉冲技术( 同时天线波束转 换) ，主要包括四种：比幅法、比相法、相位和差单脉冲法以及幅度比较和差单脉 冲法。这几种方法都基于通过幅度比较或相位比较来进行角度内插来提高目标角 度位置的测量精度。 3 1 2 比幅测角法和比相测角法 比幅法的基本原理是利用两个波束的幅度比得到角度信息，而且由于幅度比 较过程可以在一个回波脉冲的持续时间内完成，所以这也是一种单脉冲测角方法。 ( b ) 图3 - 2 比幅法测角 相控阵天线系统形成两个互相覆盖的波束巧( 口) 与e ( 臼) ，它们得最大值方向分 别为b 、b ，相交方向为a o 。假设阵列两路接收通道的增益为g 】、g 2 ，则将两路 接收通道输出信号的幅度相比可得 邵，= 器丢 b ， 通过计算，实测校准预先求出，若两路线性接收机的增益相等，则幅度比较器输 出k ( 臼) 与g ( o ) g ( o ) 相等。所以，求出足( 目) ，就可以确定目标所在的位置。另 外一种比幅法是将幅度比值求对数，即是 电子科技= = k 学硕士学位论文 l ( 目) = 1 n 【互( 臼) e ( 口) = h e ( 臼) 一k 五( p ) ( 3 2 ) 这种方法也叫对数比幅，用将除法运算代替减法运算，既简化了运算，又便于压 缩接收机动态范围。 比相法也是相控阵雷达中一种比较常用的角度测量和跟踪方法。图3 2 是相位 比较法测角的原理图。 过；? 过 信号处理接收机 图3 - 3 比相法删角 图中为一个均匀直线阵，分为两个完全相同的子阵，子阵的相位中心间距为 d = r i d 2 ，设天线波束指向为o o ，目标位置在口= o o + p ，a o 小于天线半功率点 宽带的一半，其相位差为 p ：孥ds i n 0 ：孥d s i n ( o o + a o ) ：+ 妒( 3 - 3 ) 其中= ( 2 州2 ) d s i n o o ，且在目标角度很小的低空领域，s i n a 0 “a 0 ，所以 妒“娑d c o s o o a o ( 3 - 4 ) 则 挑刍去c o s o n 卸 2 m d ( 3 5 ) 测出相位差a o 就可以得到目标得仰角a 0 。 仿真比幅法和比相法测角，设定目标的仰角从0 。增大到3 。，不考虑多径效应 的影响，得到仿真曲线如下。其中角度测量中的曲线抖动是由于噪声的影响。 4 第三章多径环境下相控阵雷达测角方法 删l 洲艄 跏 。j 。 堋州】 泓搦 洲“ 删”“1 洲 1 l ， j 测 “。1獬 。蝴潜 铲 图3 4 a 比幅法测角 3 1 ，3 和差波束法测角 图3 4 b 比相法测角 相控阵雷达广泛采用的一种测角方法是和差波束法，利用天线形成的两个波 束来产生和差波束，包括相位和差单脉冲与幅度和差单脉冲测角。图3 5 所示是相 位和差单脉冲测角方法原理框图。 图3 5 a 相位和差单脉冲测角图3 5 b 相位和差单脉冲测角 该方法与比相法的差别在于多了一个和差比较器来获得和差波束。 当天线处于扫描状态，波束最大值指向为o o ，目标位置为o = o o + a o 。和通道 场强为县= 巨+ 县，假设两个子阵接收系统增益相同，臣= e ，则 e z = 2 e 1c o s 【( 2 万d 2 ) s i n 0 】z2 巨c o s 【( z d 五) c o s 臼a 0 ( 3 - 6 ) 差通道信号场强为 玩= e 2 一互= 2 e 1s i n ( n d z ) s i n 0 * 2 e , s i n ( d a ) c o s 岛a 0 ( 3 - 7 ) 电子科技大学硕士学位论文 可以得到比值为 匿( 目) 2 瓦e a = t a n ( 三。c 。s 哦，口) 求出k ( o ) 可以得到目标偏离波束中心轴的角度位置为 臼= r e d c l o s 一0 0 a r c t a n ( 世( 口) )， ( 3 8 ) ( 3 9 ) 由于上式是在通道增益一致的假设情况下，如果通道增益不同，则不成立， 可见，相位和差波束测角精度受到接收通道增益的影响。而且利用相位测角时， 定向精度与接收机支路的相位特性的一致性及稳定性有很大的依赖关系。与此相 反，单脉冲幅度比较克服了这种缺点，它对接收机支路特性的要求不严格，因此 它在现代测控系统中广为应用。因此本章将重点研究幅度和差波束法测角。 幅度和差单脉冲方法如图3 - 6 所示，雷达天线在一个角平面内有两个部分重叠 的波束，然后将这两个波束同时收到的信号进行和、差处理，分别得到和信号和 差信号。其中，差信号即为角平面内的角误差信号。 f l 7 7。 0 0 ( a ) t 特i 矗授朱 个八 00 ( b ) 图3 - 6 幅度和差单脉冲测角 芦 i 和辣 | l l 0 口 ( c ) 若目标处于天线轴线上，误差5 = 0 ，目标偏离天线轴线越大，两个波束f ( 目) 、 五( 口) 幅度差越大，从而只( 口) 越大，根据呒( 臼) 的幅度，可以确定目标偏离天线轴 角度的大小，而只( p ) 与五( 口) 之间相位关系是0 。还是1 8 0 。可以确定目标偏离天线 的方向。 波束的方向图f c = i 芝兰铨竺孑名篙竺芝兰爿i c s 一，。， 第三章多径环境下相控阵雷达测角方法 波束2 的方向图 硼，剖裟端渊l b 其中，q 、岛分别是波束1 和波束2 最大值指向。 和通道信号 最( 口) = e ( 口) + e ( 臼) = i f d 0 ) l e x p ( j g ) 差通道信号 只( 口) = e ( 臼) 一e ( p ) = i f a ( 0 ) l e x p ( j d a ) 靴玳b 础) = 篇= 踽川瓯刮 ，。i lj ，。i l l 一一 单脉冲比在雷达波束中一i l , 附近半功率点以内，近似为线性关系 墨盟：七臼 吒( 口) “ ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) ( 3 1 5 ) 建立单脉冲比和目标角度一一对应的表格，通过查表的方法得到目标的角度。 图3 7 a 、3 7 b 分别为两个波束的方向图、和差波束的方向图。两个波束的中 心轴指向分别为o 5 。和一o 5 4 ，波束宽度为1 5 6 。 图3 7 a 两个波束方向图 图3 7 b 和差波束方向图 图3 8 为和差比与偏角的关系图，比例系数b 为2 5 。 图3 - 9 分别是采用相位和差单脉冲和幅度和差单脉冲进行测角的仿真。其中， 雷达高2 0 m ，目标的仰角从0 。增大到3 ，不考虑多径效应的影响