地面战场侦察雷达穿树衰减试验研究.pdf
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1、第5期2023年10月Vol.21 No.5October 2023雷达科学与技术Radar Science and TechnologyDOI:10.3969/j.issn.16722337.2023.05.012地面战场侦察雷达穿树衰减试验研究王胜国,周鹏,王兰,吴霞飞(中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南郑州 450047)摘要:地面战场侦察雷达因能够提高远距离移动目标的检测能力,提高战场透明度而备受关注。本文主要针对地面战场侦察雷达在存在树木遮挡环境下的信号穿透能力进行试验研究,并重点关注了高频段(S/C/X/Ku)电磁波穿透树林的能力。通过采集H/V极化电磁波穿透不同树林、传播位
2、置、树林/叶簇密度的信号进行处理,对由上述条件变化引起的传播损耗进行了对比分析。试验结果表明,穿树信号受频率和树林/叶簇的密度影响较大,设计时应充分考虑。试验数据对未来战场侦察雷达的工程化设计具有一定的参考价值。关键词:地面战场侦察雷达;穿透能力;丛林障碍;传播损耗中图分类号:TN959.1文献标志码:A文章编号:16722337(2023)05055504An Experimental Research on Tree Penetration Attenuation of Ground BattlefieldReconnaissance RadarWANG Shengguo,ZHOU Pen
3、g,WANG Lan,WU Xiafei(The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Zhengzhou 450047,China)Abstract:Ground battlefield reconnaissance radar has attracted much attention because of its ability to improvelongrange moving target detection and battlefield transparency.This
4、 paper mainly studies the signal penetration abilityof ground battlefield reconnaissance radar in the environment of jungle obstacles,and focuses on the penetration abilityof high frequency(S/C/X/Ku)electromagnetic waves.By collecting and processing the signals of H/V polarized electromagnetic wave
5、penetrating through different forests,propagation positions and forest/leaf cluster densities,the propagation losses caused by the above conditions are compared and analyzed.The experimental results show that the tree penetration signal is greatly affected by frequency and density of forest/leaf clu
6、ster,which should be fully considered in thedesign.The experimental data have certain reference value for the engineering design of future battlefield reconnaissance radar.Key words:ground battlefield reconnaissance radar;penetration ability;jungle obstacles;propagation loss0引言在现代化高科技战争中,信息化侦察装备可以辅助
7、部队更快、更好地获取实时的战场情报,监视战场态势。地面战场侦察雷达是现代陆地战场上不可或缺的侦察装备,主要用于侦察战场上敌方地面或低空目标,监视敌方动向,及时掌握战场态势的变化,为侦察部队提供情报支援12。为了获取己方战场优势,各国的战场侦察雷达不断推陈出现,新体制侦察雷达不断涌现,应用频段逐渐向高频拓展。当前,国内外对战场侦察雷达的设计多是针对通视条件下的裸露目标,而对受丛林等障碍遮挡的目标,由于其特定的雷达工作频率、工作模式、功率孔径积限制,不利于发挥其效能。基于VHF 和 UHF 频段的地面战场监视雷达虽然对叶簇、树林等的透视能力更强,但往往体积过大,机动性差,不具备隐蔽特性和便携特性。
8、因此具有隐蔽性和一定的叶簇穿透功能的高频段地面战场监视雷达应用备受关注3。本文主要是模拟地面战场侦察雷达探测地面目标和低空目标进行高频段电磁波穿树损耗试验,对外场试验数据进行分析、总结。根据不同频段、不同极化、不同树丛厚度等变量条件对电磁波穿透信号的影响,总结出在树林中的传播损耗特性与雷达频率、极化方式、树丛厚度等参数之间的收稿日期:20230403;修回日期:20230614雷达科学与技术第 21 卷 第 5 期关系,为宽带地面战场便携侦察雷达兼顾裸露和遮挡目标、地面和低空目标的设计提供参考依据,为进一步的研究奠定基础。1植被对雷达性能的影响当前,国内外针对丛林和叶簇对电磁波的衰减效应研究多
9、属于理论研究47,叶簇穿透试验主要集中在VHF和UHF波段,其中最全面的外场试验为美国在 20 世纪 80 年代开展的叶簇穿透试验810。1992年到1993年中原电波传播研究所在中牟林场开展的试验频段也在UHF和VHF波段,由于当时雷达应用需求的局限,都没有对更高频段展开研究11。然而随着电子技术的进步,综合分辨率、尺寸等的需求,雷达应用逐步向高频率发展,上述的试验结果对高频段的适用性已未可知。雷达探测信号穿透植被或树林导致的信号电平衰减主要为穿透衰减和后向散射特性,此外受到自由空间的杂波和地面、建筑物的多径信号影响。根据既有的研究可知,穿透电磁波能量的衰减与频率、极化、入射角度和树木的种类
10、、密度也都有关系,很难准确分析它们之间的定量关系。根据已有的国外试验数据和研究成果,对叶簇 类 植 被 穿 透 的 衰 减 理 论 计 算 主 要 有 以 下两种12:A()dB m=0.25 f0.75(1)式中,A为衰减系数,f为工作频率,单位是 GHz。该公式根据VHF和UHF频段的试验得出,仅考虑了衰减系数随频率的变化,没有考虑穿透深度、极化等的影响。考虑到穿透路径深度对衰减系数的影响,可认为衰减率随穿透深度的增加而减小,基于这一假设,上式被修正为13Lf()dB=1.33 f0.284d0.588,14 m d 400 mLf()dB=0.45 f0.284d1.0,1 m d 14
11、 m(2)信号经过树林时引起的衰减Lf是频率f(GHz)和在树林中的传播距离d(m)的函数。可以看出公式(1)、(2)均是国外根据VHF和UHF频段试验研究得出,对于更高频段的适用情况并不清楚,也没有实测数据支撑。因此,急需开展高波段电磁波穿透树丛试验,为全面设计战场侦察雷达在各种应用场景的性能提供参考。2穿树试验情况2.1试验概述为了全面准确地采集穿树试验数据,本试验设计采用L/S/C/X/Ku五个波段、H/V两种极化的电磁波测试,树丛选取了不同高度、不同密度、不同厚度、不同环境下同种类乔木。2.2小乔木树干穿透试验小乔木树干穿透试验在某空旷野外进行,天气晴,温度16,微风;树高10 m,叶
12、子较密,树与树之间间隙为1.5 m,树丛厚度为100 m;发射天线与接收天线距离200 m,发射天线架到空旷处,与树丛边缘间隔100 m,接收天线架到树丛另一边缘处,两天线架设高度相同,均为1.5 m。试验设置及树丛情况如图1所示,其中路径1表示通视情况下的信号传播路径,路径2表示正对树干情况下的传播路径,路径3表示沿两排树间隙的传播路径,路径4表示沿三排树木斜线方向的传播路径。%C1C2C3C4%100 m100 m(a)试验俯视示意图(b)树林情况图1小乔木树干穿透试验情况试验过程主要是沿着图中所示4条传播路径方向进行收发信号试验,将路径 2、路径 3、路径 4条件下接收电平与路径1条件下
13、接收信号电平作比对,以此去除空气损耗与空间噪声影响,得出不同频段的衰减曲线,试验数据如图2所示。556王胜国:地面战场侦察雷达穿树衰减试验研究2023 年第 5 期2.302.402.50 5.205.455.70 8.509.009.50-35-30-25-20-15-10-50=dBM(GHzCCC(a)水平极化-35-30-25-20-15-10-50CCC2.302.402.50 5.205.455.70 8.509.009.50=dBM(GHz(b)垂直极化图2小乔木树干穿透试验结果从上述试验数据可以看出不同频段斜线方向信号电平衰减值都相对较大,低频段水平极化比垂直极化稍微要好,这是
14、符合理论实际的,但是极化方式、树叶树干的测试没有明显的规律,而且存在比较大的起伏。通过分析,雷达发射段前面存在一段水泥路面,发射时存在多径现象,还有采用的是喇叭口发射信号,衰减跟波束宽度也有一定的关系。所以地面战场雷达在侦察时不仅要考虑穿树的损耗影响、树干的反向散射影响,还需要对地面环境进行分析总结来应对复杂的特殊地形地貌。2.3小乔木有序分布叶簇穿透试验小乔木有序分布叶簇穿透试验在某野外防护林进行,天气晴,温度7,大风。穿透对象为15 m高法桐树,有部分叶子,树与树之间间隙约为2 m。试验分为近距离和远距离两次,近距离树丛厚度为35 m,接收天线架设到树丛边缘,高2 m,发射天线架设到一个高
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