雷達在跟蹤低空目標時，由於地面或海面對電磁波反射，從目標返回的信號通過不同路逕到達雷達天線，使得雷達跟蹤系統工作不穩定，產生所謂多徑效應。多徑效應的存在，使雷達跟蹤目標的精度降低，甚至使跟蹤失效。
基本介紹
- 中文名：波束不穩定性
- 時間：20世紀50年代
- 方法：抑制背景雜波和減小多路徑影響
- 跟蹤方法：空間譜估計技術自適應對消技術等
雷達在跟蹤低空目標時，由於地面或海面對電磁波反射，從目標返回的信號通過不同路逕到達雷達天線，使得雷達跟蹤系統工作不穩定，產生所謂多徑效應。多徑效應的存在，使雷達跟蹤目標的精度降低，甚至使跟蹤失效。為了適應對現代飛行器測控的需要，在研製新設備時，應對低仰角高速目標跟蹤測量的多徑問題予以重視。
早在20世紀50年代，雷達的背景雜波和多徑效應就已受到重視，人們已對海面和地面的前向微波散射特性進行了大量的研究。60年代到70年代中期，人們提出了各種抑制背景雜波和減小多路徑影響的方法，如動目標顯示、多陣列天線、對稱單脈衝、非對稱單脈衝、偏軸跟蹤及復角跟蹤等技術。70年代中期以後，特別是微波技術、大規模積體電路和微型電子計算機的發展，對雷達的信號形成、信號處理和數據處理等技術提供了極大的推動力。90年代以來，出現了不少新的低角跟蹤方法，如空間譜估計技術和自適應對消技術等。但目前還沒有通用有效的方法能解決不同場合低仰角跟蹤多徑效應問題。因而，對於不同的飛行目標應根據其飛行特點，採取相應的方法和措施，最大程度地消除多徑干擾。
一、 雷達多徑效應影響
當雷達以很小的仰角跟蹤地面或海面的目標時，地面或海面對目標回波的反射和散射的存在會引起雷達角跟蹤系統抖動，出現角度誤差，以致無法穩定跟蹤，甚至丟失目標。雷達對目標進行低仰角跟蹤和測量時，所接收到的信號是由2部分組成：直達信號分量和經地面反射後的多徑反射分量。多徑反射分量也分為2部分：一部分是鏡面反射分量，指反射信號的相干部分，其相位是隨目標或雷達的位置變化而有規律的變化；另一部分是散射分量，指反射信號的非相干部分，當目標運動時其相位變化是隨機的。從圖1中可以看到目標的電磁波一部分直接進入雷達天線，另一部分會經過地面的反射進入雷達天線。
在最簡單的情況下，直達回波與相干的散射回波將混合在一起。散射信號與直達回波的疊加取決於目標、地面和雷達天線之間精確的幾何關係。當雷達波束的仰角很低時，散射信號就會落在雷達主波束範圍內，從而發生這種情況。實際上，散射信號是一種多路徑回波，它在低於水平面的地方產生目標鏡像。對單脈衝角跟蹤體制的雷達系統來說，當跟蹤低目標時，天線將可能始終對準水平位置或發生抖動變得不穩定，發生哪種情況取決於多路徑信號與雷達直達回波信號的精確相位關係。有時侯，單脈衝雷達甚至會去跟蹤目標在地下的鏡像，這會導致跟蹤失敗。對於低空快速目標，有時目標相對雷達位置來說是負角，若目標是垂直彈道飛行，俯仰角速度變化將會很大，即使能在近距離低仰角發現目標，雷達也很難有充裕的反應時間。為此，在相干解調雷達研製中，必然要考慮多徑的相干干擾的影響，滿足對高速目標快速捕獲的要求。為了有效地跟蹤彈道、巡航飛彈的飛行，精確測量其軌跡，一個重要的任務就是解決好雷達的低空問題,即在背景雜波和多路徑的強烈干擾下，對低空飛行目標能夠快速發現和穩定跟蹤，保障系統捕獲。
二、 低仰角跟蹤簡介
對低仰角飛行目標的測量主要有3種手段：光學測量、無線電測量和光電測量。光學測量方法不受目標仰角的影響，測量精度高，但操作複雜，數據處理時間長，測量距離短，易受氣象影響。無線電測量可以全天候工作，作用距離遠，可以做到實時數據處理，全自動化，但是其測量精度不及光測。光電測量雖不受多徑反射影響，但受氣象條件的限制，工作範圍有限。
毫米波具有頻頻寬、波束寬的特點，所以有較強的抑制海雜波和抗多路徑傳輸的能力，用它對付巡航飛彈、超低空飛行飛機、地面目標有很好的效果，這一優點是微波段所不具備的。所以應將毫米波段和微波波段結和套用，互為補充。用X或C波段實現捕獲，用毫米波段，如Ka或Ku,實現對目標的精確測量。TRAKX是美國海軍雙頻雷達的代表，1976年研製成功。這部雷達采X波段與Ka波段，由2部接收機和2部發射機、一付雙反饋天線組成，計算機則負責實時控制跟蹤、顯示和數據處理。該雷達在低仰角情況下，Ka波段時對高度約30 m的目標跟蹤，跟蹤距離超過27.4 km，這是X波段達不到的。在Ka波段，信噪比為0 dB時，最大作用距離約172 km；信噪比為13 dB時，最大作用距離約81 km。
低仰角目標跟蹤的另一有效途徑是採用紅外、電視、雷射組成的光電跟蹤測量，這種方法兼有抗有源干擾的功能。此技術在國外發展很快，如美國的“海射手-I”、“海射手-II”、法國的“托當”和國內的“755-II”光電跟蹤儀等，但其中的光學部分易受氣象條件的影響，尤其“日光電視”受的限制最大，不能在夜晚和多雲多霧情況下工作。比較有前途的方法是將紅外、雷射、電視與微波雷達組成在一起，可以較好地解決目標搜尋和跟蹤及抗雜波、抗多徑相兼容的問題。
美國PATS雷射雷達布置成網，對低角目標跟蹤測量有效。PATS雷達測角精度為0.1 Mrad；距離為20 km時，測距誤差為0.6 m,最大作用距離為30 km。雷射雷達的優點是波束窄，測量精度高，可以在低仰角下工作，沒有多徑誤差影響，因為地面粗糙，產生散射信號而不是反射信號。當距離為30 km時，大氣折射修正後的殘差只有0.3 m，折射修正可以消除90%的偏移誤差，但是瞄準線上大氣結構的不穩定性將限制系統的準確度。由於雷射雷達波束窄，捕獲目標是一個問題，所以特別需要可靠的引導手段。美國成功地使用了電視攝像機捕獲目標，使目標落在螢光屏的中心，然後使用雷射雷達自動跟蹤目標。
三、 克服多徑效應的措施
低仰角跟蹤的主要困難在於目標和影像實際上是相關的，並且它們的相對相位只有緩慢的變化。直達波和反射波的路徑相差不大，在海面上，它們僅在俯仰角坐標上是分開的，因此絕大部分誤差出現在仰角跟蹤通道中。在誤差比較嚴重的情況下，雷達中的殘餘竄擾可能在方位角通道中引起一些誤差。地面不平坦或有建築物都可能在方位跟蹤通道中產生很大的誤差。歸納起來，改善雷達低角跟蹤性能的方法大體可分為3大類：第一類是設法防止多徑信號進入天線，這種方法所採取的主要手段有天線窄波束，雙零點及空域濾波等；第二類是設法削除多徑信號的影響，主要有斜視和波束對，空間平滑，分集接收等；第三類是設法估計出目標參數。在這3類方法中，第一類方法最為直接，然而它往往受到特點雷達的限制。要獲得天線窄波束，無非有2條途徑：一是提高工作頻率，二是加大天線口徑。然而，這兩條途徑都受雷達探測距離和裝載尺寸的限制。第三類方法從理論上講是可行的，但由於其估值模型相對於實際情況而言有這樣那樣的局限性，並且這些算法的實時性通常較差。相比之下，第二類方法由於受雷達體制限制較少，容易實現，實時性也較好，因此被國外一些雷達所採用。
地面反射波對跟蹤系統的影響主要表現在俯仰支路。改善低仰角跟蹤性能常用的一種方法是分集技術，主要有頻率分集接收、不同高度天線分集接收、信號極化分集合成接收方法。低角測量誤差與雷達的工作波長有關，可以採用多個工作頻點，對每個工作頻點，可以獲得一組目標的角度估值，通過多個頻點測得的值平均就得到該仰角的估值。或者每一組測得的角度值乘以適當的加權係數求後再一常數，可以得到比簡單平均法更接近角度真值的估值。由於多徑效應的存在，跟蹤接收機接收到的信號電平有很大的起伏，採用雙通道接收機接收兩種相互正交的極化分量，然後進行合成，提高了信噪比，能有效地減小由於多徑效應引起的信號衰落。
近來人們普遍對自適應系統更感興趣，原因主要在於這種系統既具有自動感知存在著的干擾源並抑制其影響的能力，又具有增強所需接收信號的能力。在此過程中，並不需要有關所需信號和干擾環境的先驗信息。自適應系統是一種結構可以改變或調整的系統，而且這種改變與調整是通過系統本身與外界環境的接觸，按照某個期望的準則來改善系統自身的性質或性能的。自適應系統最基本、最主要的性質是它的時變自調整性。在很多情況下，輸入條件的整個範圍，哪怕是在統計意義下，也可能是不知道的，或者是隨時間而設定的。對於這樣的環境，採用一種有序的搜尋過程，在一類允許的可能範圍內，不斷地尋找最佳值的自適應系統比固定設計的系統將顯示出更優越的性能。就其本性而言，自適應系統必須是時變、非線性系統。然而，自適應系統仍具有2個明顯的特徵以區別於一般非線性系統。第一，自適應系統是可以調整的，它們的調整通常是與有限長度信號的時間平均特性有關，而不是取決於信號或內部系統狀態的瞬時值。第二，自適應系統的調整是有目的，通常是為了最佳化某個確定的性能測度。
自適應系統一般分為開環自適應與閉環自適應。開環自適應系統對輸入信號進行測量，用測量得到的信息形成一個公式或算法，用此結果去建立自適應系統的調整。閉環自適應則包含有用這些調整和結果的有關知識去最佳化一個可量度的系統性能的自動試驗。對於開環系統，準則僅僅是輸入信號或其它一些數據的某個示性函式。但是，閉環系統還與輸出信號有關。自適應系統按照預先選定的性能準則調整處理器以保持輸出最優。閉環系統的優點在於它可以套用於解析的綜合方法或者不知道、或者不存在的一類工作中，它既可以適用於平穩信號，也可以適用於非平穩信號。
在實際的電磁環境中，如果目標很低，不可避免地會產生干擾，而且干擾往往落在主瓣內。分集技術是一種比較理想的措施，如果將自適應的思想與分集技術結合起來，則可以有效地抑制相干干擾與非相干干擾，在一定程度上克服多徑效應，特別是對入射於主瓣內的相干干擾有很好的抑制。
四、 結束語
單台設備除了自身採取抗多徑干擾措施外，還應利用數據融合技術把同站點其它設備，如光測、引導設備、GPS、遙測等設備數據進行數據融合處理，得到最佳的估值做為引導數據，這也是一種值得研究的辦法。
