多徑效應對追蹤體系的作用論文
當無(wú)線(xiàn)電設備跟蹤目標的仰角很低時(shí)，散射信號就會(huì )進(jìn)入天線(xiàn)的主波束范圍內，造成直射信號與反射信號的矢量疊加，從而造成了跟蹤測量誤差的產(chǎn)生。由于多路徑上的信號反射會(huì )使得在地平面以下形成目標的鏡像，對某些無(wú)線(xiàn)電測量設備來(lái)說(shuō)，若其跟蹤目標的仰角過(guò)低，由于鏡面反射信號的影響就容易造成天線(xiàn)的抖動(dòng)，嚴重時(shí)會(huì )發(fā)生天線(xiàn)飛車(chē)問(wèn)題，以致于無(wú)法及時(shí)有效地跟蹤目標。因此，為了能有效地完成好測量跟蹤任務(wù)，就要解決好無(wú)線(xiàn)電測量設備的低仰角跟蹤問(wèn)題。
低仰角跟蹤時(shí)多徑效應對測量設備的影響
大部分無(wú)線(xiàn)電測量系統的跟蹤體制都是單脈沖體制，在進(jìn)行目標跟蹤測量時(shí)都是利用天線(xiàn)的和、差方向圖函數來(lái)測量目標方向的。用ε表示目標相對于天線(xiàn)瞄準軸的偏轉角，設在自由空間天線(xiàn)和波束電壓增益為Ｆ（ε），差波束電壓增益為ＦΔ（ε），經(jīng)過(guò)跟蹤接收機的信號接收解調后送給伺服系統的誤差控制信號為Ｕｅ（ω）＝ＦΔ（ε）／Ｆ（ε），伺服系統在誤差信號的控制下會(huì )驅動(dòng)天線(xiàn)向差方向圖為零的'方向運動(dòng)而實(shí)現對目標的跟蹤［３］。在低仰角或負仰角條件下，天線(xiàn)接收的不僅有來(lái)自目標的直射波，而且有經(jīng)地面、海面的鏡面反射波，還有經(jīng)各種途徑到達天線(xiàn)的漫反射波。圖１為低仰角條件下的跟蹤幾何關(guān)系�？紤]到地面反射波的影響后，系統的和通道信號強度為：（ε）＝Ｋ［Ｆ（ε）＋ｅｊφＦ（θｒ＋θ－ε）］系統的差通道信號強度為：Δ（ε）＝Ｋ［ＦΔ（ε）＋ｅｊＦΔ（θｒ＋θ－ε）］式中：Ｋ為常數；θ為天線(xiàn)仰角；θｒ為地面反射余角；為地面反射系數的模；φ為接收點(diǎn)處直射波與地面反射波間的相位差。圖１低仰角條件下跟蹤幾何關(guān)系在接收機中和通道信號對差通道信號歸一化并經(jīng)相關(guān)檢測后，將同相分量輸出作為伺服的誤差控制信號，表達式為［４］：Ｕｅ（ε）＝Ｒｅ［Δ（ε）／（ε）］＝｛ＦΔ（ε）Ｆ（ε）＋２ＦΔ（θｒ＋θ－ε）Ｆ（θｒ＋θ－ε）＋ｃｏｓφ［ＦΔ（θｒ＋θ－ε）／Ｆ（ε）＋ＦΔ（ε）／Ｆ（θｒ＋θ－ε）］｝／［Ｆ２（ε）＋２Ｆ（θｒ＋θ－ε）＋２Ｆ（ε）Ｆ（θｒ＋θ－ε）ｃｏｓφ］（１）式中：ε為目標相對于天線(xiàn)瞄準軸的偏轉角；Ｆ為和波瓣電壓增益；ＦΔ為差波瓣電壓增益。
分析式（１）可以看出，由于地面或海面反射波的存在，天線(xiàn)接收到的信號還包括各方向上的多徑信號，所以即使令天線(xiàn)瞄準軸指向目標（ε＝０），跟蹤接收機輸出的角誤差信號也不是零。倘若要讓角誤差信號為零，則必須將天線(xiàn)另外偏轉一個(gè)角度，使之與多徑反射信號相抵消，這個(gè)另外偏轉的角就是多徑效應形成的測角誤差。
由圖１分析低仰角條件下跟蹤幾何關(guān)系得到接收點(diǎn)處直射波與地面反射波間的相位差為：φ＝（２π×２ｈ１ｈ２）／（λ×ｒ）＋φｏ式中：φｏ為地面反射系數的相角；ｒ為天線(xiàn)和目標在地面的投影間距離；ｈ１，ｈ２為天線(xiàn)、目標相對于反射面的高度。經(jīng)過(guò)分析可以看出，式（１）分子的第３項ｃｏｓφ［ＦΔ（θｒ＋θ－ε）／Ｆ（ε）＋ＦΔ（ε）／Ｆ（θｒ＋θ－ε）］不僅取決于天線(xiàn)波束及其指向、地面反射性質(zhì)，而且還取決于直射波和地面反射波的相位差。所以角誤差控制信號與φ是緊密相關(guān)的，即目標運動(dòng)過(guò)程中隨著(zhù)ｈ２和ｒ的變化，φ將連續、迅速的變化，這將引起天線(xiàn)仰角方向的劇烈抖動(dòng)，使得天線(xiàn)跟蹤軸大幅度擺動(dòng)，嚴重時(shí)會(huì )引起天線(xiàn)飛車(chē)，從而導致目標的丟失。因此，必須采取措施以解決多路徑存在時(shí)的穩定跟蹤問(wèn)題［５］。
多徑反射信號進(jìn)入天線(xiàn)主瓣時(shí)，信號較強，它既影響差方向圖信號，也影響和方向圖信號，多徑效應的影響不能只用Δ／曲線(xiàn)的線(xiàn)性段來(lái)估計，而必須考慮反射對和波束、差波束的向量關(guān)系綜合求解。
多徑效應使得在天線(xiàn)接收點(diǎn)處直射波與地面或海面反射波之間存在相位差。相位差越大，和差信號的衰落越大。當天線(xiàn)處于負仰角工作狀態(tài)時(shí)，目標和鏡像相對于觀(guān)察點(diǎn)的張角很小，兩者實(shí)際構成了密不可分的二元目標。目標直射信號和鏡像反射信號強度是等量級的，因而信號衰落嚴重。若地面反射系數較小，如＜０．５，二元目標的視在角將繞實(shí)際目標位置上下波動(dòng)；若＞０．５，對大多數相對相位而言，目標視角仍停留在二元目標“中心”附近，但若相對相位接近１８０°，則信號衰減嚴重，最終可能使跟蹤不穩定或丟失目標［６－７］。
解決低仰角跟蹤問(wèn)題的措施
無(wú)線(xiàn)電跟蹤系統在低仰角跟蹤目標時(shí)，多路徑反射誤差分量將成為最主要的誤差根源。無(wú)線(xiàn)電跟蹤系統的低仰角跟蹤問(wèn)題也備受關(guān)注。為提高無(wú)線(xiàn)電跟蹤系統在低仰角下的跟蹤性能，結合無(wú)線(xiàn)電測量設備的特點(diǎn)采取以下幾方面措施：
目標離跟蹤設備距離較近時(shí)，由于目標角速度相對較大，可采用寬帶伺服系統跟蹤來(lái)改善系統動(dòng)態(tài)特性，這樣可提高系統的近距離跟蹤穩定性。當目標距離設備逐漸變遠時(shí)，天線(xiàn)的跟蹤仰角越來(lái)越低，因此目標的角速度會(huì )隨目標遠離無(wú)線(xiàn)電設備而減小，這時(shí)伺服系統可采用窄帶跟蹤，以此來(lái)提高測角精度［８］。采取方位與俯仰兩個(gè)角支路既可以同時(shí)閉環(huán)跟蹤也可以單軸獨立跟蹤，仰角支路既可以閉環(huán)跟蹤，也可以引導跟蹤。當本站多路徑影響嚴重時(shí)，方位自動(dòng)跟蹤而仰角處于引導狀態(tài)，渡過(guò)盲區后再轉入閉環(huán)跟蹤。
分集技術(shù)是改善低仰角跟蹤性能常用的一種方法，主要有頻率分集、信號極化分集等。某些無(wú)線(xiàn)電跟蹤設備采用的跟蹤接收機數量多，而由于多徑效應的影響，各接收機接收到的信號幅度有很大的差別，采用多臺接收機接收兩種相互正交的極化分量，然后進(jìn)行合成，這樣就能提高信噪比，可有效減少多徑造成的信號衰落影響。由誤差表示式分子的第３項可知，角抖動(dòng)誤差含因子ｃｏｓφ。雷達站址一定時(shí)，φ值隨目標距離ｒ、高度ｈ２變化。對運動(dòng)目標而言，亦即隨時(shí)間變化，因而對送往伺服的誤差信號作適當的時(shí)間平滑，就可以減小其影響。單從減小高頻抖動(dòng)誤差考慮，希望平滑周期大于天線(xiàn)抖動(dòng)周期。但實(shí)際上天線(xiàn)抖動(dòng)周期是隨目標距離ｒ、高度ｈ２變化的，當ｒ較小時(shí)，角抖動(dòng)頻率較高；而當ｒ很大，目標接近水平方向時(shí)，角抖動(dòng)頻率較低［９］。目標高度不同，仰角抖動(dòng)情況差別很大，因此要想使平滑周期在任何條件下都大，對于天線(xiàn)角抖動(dòng)周期是難于實(shí)現的。盡管如此，通過(guò)實(shí)踐表明，平滑濾波仍然明顯改善了天線(xiàn)的抖動(dòng)。
多信息源的目標測量模型建模、數據融合與最優(yōu)估計低仰角跟蹤時(shí)多徑反射對俯仰支路的影響表現得更加明顯，綜合利用多個(gè)信息源數據，可對天線(xiàn)的低仰角跟蹤起到積極作用。利用這些“多信息源”的優(yōu)勢，在實(shí)時(shí)漸消記憶遞推最小二乘估計的基礎上，根據不同信息源的狀態(tài)，對不同信息源實(shí)時(shí)地進(jìn)行不同的加權，然后對數據進(jìn)行融合并對多信息源進(jìn)行最優(yōu)估計，可在統計意義上進(jìn)一步減小多徑反射形成的偏差［１０］。如圖２所示。計算機將采集到的三組目標測量信息與天線(xiàn)實(shí)時(shí)指向角一起進(jìn)行目標測量模型建模、數據融合與最優(yōu)估計處理，得到目標視在角估計值，送給天線(xiàn)指向跟蹤伺服系統，天線(xiàn)指向伺服系統保證天線(xiàn)運行到目標視在角估計值位置。由于目標視在角估計值是去掉多徑反射影響而相對真實(shí)反映目標視在角的，因此，天線(xiàn)將跟著(zhù)目標視在角而運行，即跟隨目標而運行，從而達到了平穩準確跟蹤目標的目的。
結語(yǔ)
在低仰角條件下跟蹤，無(wú)線(xiàn)電跟蹤系統的跟蹤精度及穩定性會(huì )受到嚴重影響，鑒于飛行目標所在的環(huán)境比較復雜，通常只能盡量減少低仰角時(shí)多路徑效應帶來(lái)的影響。本文分析了低仰角跟蹤時(shí)多路經(jīng)效應對跟蹤系統的影響，提出了基于多信息源的目標測量模型建模、數據融合與最優(yōu)估計算法的多種低仰角跟蹤措施，這一系列措施能較明顯地減小低仰角跟蹤過(guò)程中多徑效應的影響，并提高跟蹤系統的跟蹤精度及穩定性。
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