二次雷达由于反射造成的假目标的原因分析

广汉机场二次雷达由于反射造成的假目标的原因分析

摘要:二次雷达是现代空中交通管制系统的关键设备之一，雷达站周围的环境对二次雷达的探测性能有着显著的影响。本文对二次雷达由于反射造成的虚假目标的原因进行了详细分析，对于二次雷达的日常观测及维护具有一定的指导意义。

中国民航飞行学院广汉机场二次雷达站是国家重点建设工程项目（3号工程）。其二次雷达设备是中国民航使用的第一部国产二次雷达，由中国电子科技集团公司第十四研究所生产。该二次雷达在设备调试与试运行过程中，一些区域产生假目标较多。

该雷达站位于成绵高速边上，距广汉市区5公里，往金堂方向的龙泉山脉20公里左右。通过分析其地理位置及其周边环境影响，我们得出其假目标主要由山体及周围高大建筑物发射引起。

1.天线俯仰波束分裂造成丢点

由地面反射引起的多路径效应一直是影响雷达性能的主要因素之一，导致雷达接收

信号的起伏，影响二次雷达的检测和解码性能；而雷达站周围环境中的高大建筑物引起

的反射会在建筑物的后面产生虚假的目标幻象。

当雷达天线俯视镜面反射的表面（如水面）时，会产生多路径干涉现象。镜面反射

体是指服从反射定律的光滑（镜面似的）表面。当天线照射给定几何关系和电特性的镜

面反射表面时，反射波前相对于入射波前的方向和相位是可以预测的。图1所示出多路径

干涉的几何关系。图中假设反射表面为平面，尽管有时还要考虑地球的曲率，但这个假

定一般还是可行的。

图1 平面地面反射的几何图

如图1所示，若发生镜面反射，从天线到目标的雷达电磁波有两个不同的路径：直射路径

和反射路径。

由图1可知，两条路径传播的距离是不相同的，这就导致了直射波和反射波之间的相

位差，而它是产生多路径效应的主要原因。根据电磁波传播的基本原理，若距离差δ，

则对应的相位差等于2πδ/λ。其中，λ是雷达波长。

附加相位差是由反射表面的反射系数引起的，有时是由天线在直射方向和反射方向上传播因子的相位差引起的。由于相位差，直射波和反射波在目标处要么干涉相加，要么干涉相消。

干涉波的电场一般是基本平行的，因此干涉的矢量方向起主要作用，某些微小的矢量不平行度通常都被忽略。

假定自由空间（F ＝l ）的雷达距高用 R0表示，二次雷达是收发共用一个天线的单基地雷达，则有：

F R R 0max = （1）

F 表示方向图传播因子（假定无大气损耗）。因此，排除大气损耗的影响，非自由空间距离正比于F 。

如果直射波和反射波正好等幅且同相，则合成的接收电压将是自由空间传播时的4倍，根当于信号功率增大了16倍。而距离方程式右边开4次方，则目标探测距离是自由空间探测距离的2倍。但是如果直射波和反射波恰好反相，那么合成电压和最大距离都为0。根据式（1），这意味着在直射、反射多路径情况下，F 可能的变化范围为0～2。所以，相对于自由空间而言，多路径效应会使雷达探测距离发生巨大的变化。

从干涉的角度看，当相位差为2π弧度的整数倍时，干涉是等效的。那么当动目标以恒定高度接近雷达时（仰角增加），方向图传播因子将在最大值和最小值之间周期地变化。图2表示出这种多路径效应，它是0max /R R 随目标高度或仰角变化的曲线。在这种假定条件下，干涉波瓣最大值处和天线方向图最大值处的探测距离0max 2R R =（实际上是直射波和反射波的完全相加），干涉波瓣最小值处的探测距离Rmax ＝0（实际上是直射波和反射波的完全抵消）。海面的起伏、地球表面的曲率及大气损耗通常会改变这个结果，因此在最大值处0max 2R R <，最小值处0max >R 。所以最终方向图如图3所示。

图2 理论地面反射俯仰方向图

图3 现实运用中的二次雷达天线方向图

对于二次雷达来说，出现最小值的仰角为： })

(492{sin )2(sin 11min h f h n λλθ--== 出现最大值的仰角为：

})

()12(246{sin }4)12({sin 11max h f n h n λλθ+=+=-- 其中n=0,1,2,3….，f 单位为MHz 。

当飞机处于天线低仰角时，比如飞机距离雷达站较远，受地面曲率影响，该飞机处于低仰角，或者飞机距离雷达较近，雷达位置较高，但是飞机飞的较低。则天线不断从高增益区到低增益区不停穿梭，在低增益区则造成目标丢点。如图4所示。

图4 二次雷达原始视频

2.波束分裂导致目标分裂或飞点

由于地球水平面并不完全水平，如果地面倾斜则会造成副瓣穿刺，形成波束分裂。

（H ：飞机高度 R ：距离 D ：幻影目标偏离

：地面斜角 α：幻影目标偏离角

Φ：飞机仰角 θαΦ035.0＝）

图4 幻影目标的产生

在倾斜地面情况下会出现幻影，其根本原因是倾斜地面造成的天线副瓣穿刺造成的。在地面反射情况下，倾斜地面造成右侧波束与左侧波束幅度相位叠加，形成左侧波束的分裂，从而导致幻影目标的产生。

但是地面反射率随着入射角的增大而减小，当入射角增大到Brewster 角时，反射率接近零，因此低空目标容易造成波束分裂，而高空目标则一般不会。

由于雷达波束宽度为2.45度，近处的倾斜屋顶，山体边缘都会导致这种情况的发生，从而造成目标分裂或者产生飞点。

3 结束语

本文详细分析了二次雷达目标丢点和分裂的产生原因，通过实践证明逐步完善雷达的数据处理算法可以有效地识别和剔除由于反射原因形成的虚假目标报告，并可以形成二次雷达周围反射物的分布图，采用单脉冲技术和改进的大垂直口径阵列天线可以有效减轻多路径效应的影响。

参考文献：

《单脉冲二次雷达培训讲义》中国电子科技集团公司第十四研究所

《二次雷达假目标及其消除方法》民航空管技术装备发展有限公司

《雷达目标特性》电子工业出版社

《雷达环境与电磁波传播特性》电子工业出版社 D 幻影目标 真实目标 R 目标高度 H

雷达站 真实目标

地面 水平面 R