莊 健,朱岱寅

(中航雷達(dá)與電子設(shè)備研究院，江蘇無錫214063)

0 引言

機(jī)載氣象雷達(dá)具有氣象目標(biāo)檢測(cè)、氣象預(yù)警等功能，它極大地提高了氣象預(yù)警的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性[1]。在機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)中，氣象檢測(cè)面臨的最主要問題就是地雜波的干擾。由于機(jī)載雷達(dá)工作時(shí)一般處于下視模式，波束必然會(huì)照射到地面目標(biāo)，面臨著比地基氣象雷達(dá)更嚴(yán)重的地面雜波，雜波范圍分布廣且強(qiáng)度大，特別是在丘陵和山區(qū)地帶，雜波強(qiáng)度將達(dá)到60～90 dB[2-3]，這將給區(qū)分降水類型和分析氣象條件等帶來極大的困難。因此有效地抑制地雜波，不僅能改善機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)性能，而且對(duì)提高機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)目標(biāo)的能力具有十分重要的意義[4]。

早期的氣象雷達(dá)抑制地雜波方法有雜波圖法，缺點(diǎn)是需要存儲(chǔ)的地物信息量較大。相參動(dòng)目標(biāo)顯示法通過氣象與地物的頻譜差異抑制地雜波，當(dāng)無風(fēng)或載機(jī)運(yùn)動(dòng)帶來多普勒頻率時(shí)抑制效果也不好。多掃描方法是通過多掃描，利用氣象和地物位于空間上不同距離位置從而改變天線俯角減少地面回波信號(hào)[5-6]，這種方法對(duì)于近距離和遠(yuǎn)距離處雜波抑制是有效的，在中距離處兩者混合很難區(qū)分，抑制效果不好。為此提出和差波束方法抑制地雜波，在雷達(dá)波束照射到的某一距離處，每個(gè)氣象目標(biāo)與波束中心夾角并不相同，而地雜波與波束中心夾角總是一致，通過和差信號(hào)轉(zhuǎn)換處理，地雜波的差信號(hào)反演得到的和信號(hào)與天線接收到的和信號(hào)差別不大，兩者相減后雜波大部分被抑制，而氣象的差信號(hào)反演得到的和信號(hào)與天線接收到的和信號(hào)差別很大，相減并不會(huì)損失氣象信息，因此提出基于和差波束的地雜波抑制方法。

本文介紹了和差波束的原理，給出了基于和差波束的機(jī)載氣象雷達(dá)下具體的地雜波抑制實(shí)施步驟，并提出了波束中心干擾解決方法。通過對(duì)機(jī)載氣象雷達(dá)的仿真數(shù)據(jù)分析結(jié)果，驗(yàn)證了該算法的有效性。

1 單脈沖和差波束原理

假設(shè)在θ方向有一遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)，則到達(dá)接收點(diǎn)的目標(biāo)所反射的電波近似為平面波。由于兩天線間距為d，故它們所收到的信號(hào)由于存在波程差ΔR而產(chǎn)生相位差φ，由圖1可知:

圖1 和差波束相位差關(guān)系圖

和差波束單脈沖測(cè)角原理如圖2所示，φ為波程差引起的相位差，兩天線接收到的回波信號(hào)為E，則和差信號(hào)分別為

和差信號(hào)之間關(guān)系為

差信號(hào)的振幅大小表明了目標(biāo)誤差角的大小，即目標(biāo)偏離天線軸的程度，其相位則表示目標(biāo)偏離天線軸線的方向[7]。和信號(hào)的相位與目標(biāo)偏離天線軸線的方向無關(guān)，主要用于目標(biāo)檢測(cè)和作為差信號(hào)的相位基準(zhǔn)。和、差信號(hào)的相位相差90°。

圖2 和差波束原理圖

2 基于和差波束的機(jī)載雷達(dá)地雜波抑制

2.1 機(jī)載雷達(dá)的和差波束抑制地雜波原理

由于地物雜波屬于面目標(biāo)，相同距離門內(nèi)所有目標(biāo)在雷達(dá)波束垂直方向內(nèi)，相對(duì)于波束中心的夾角大小和所處波束中心上下位置都是一致的，目標(biāo)回波功率可以進(jìn)行相加，最后通過差信號(hào)反演出的和信號(hào)與天線接收到地雜波的和信號(hào)基本沒有差別，兩者相減后，地雜波會(huì)被大部分抑制;而氣象目標(biāo)屬于體目標(biāo)，相同距離門內(nèi)的所有目標(biāo)在雷達(dá)波束垂直方向內(nèi)，相對(duì)于波束中心的夾角大小和所處波束中心上下位置都不是一致的，目標(biāo)回波功率相差很大，所以差信號(hào)反演出的和信號(hào)與天線接收到氣象回波的和信號(hào)相差很大，兩者相減后，氣象回波不會(huì)被衰減得厲害?；谝陨戏治?，提出了利用單脈沖測(cè)角系統(tǒng)中的和、差波束，進(jìn)行自適應(yīng)地雜波的抑制。

如圖3中，在波束范圍內(nèi)距雷達(dá)R處有兩目標(biāo)，目標(biāo)1為氣象信號(hào)，與波束中心夾角為θ1;目標(biāo)2為地雜波，與波束中心夾角為θ2。通過氣象雷達(dá)方程計(jì)算目標(biāo)1的氣象回波功率為P1，地雜波回波功率為P2，得到和信號(hào)功率為

差信號(hào)功率為

其中由式(1)可知:

由式(4)知差信號(hào)反演得到的和信號(hào)為

前后兩次和信號(hào)相減得到

這樣便只留下了氣象的信息，而地雜波被抑制了。這就是和差波束抑制地雜波的原理。

圖3 機(jī)載雷達(dá)下和差波束原理圖

2.2 和差波束方法步驟

和差波束方法步驟如下:

第一步，設(shè)置大地坐標(biāo)系下的飛機(jī)的初始位置及波束掃描的俯仰角度。建立氣象信號(hào)云層大小位置和地雜波模型。

第二步，根據(jù)飛機(jī)掃描的波束范圍，計(jì)算相同距離內(nèi)云層和地面的回波功率，分別得到和信號(hào)、差信號(hào)。

第三步，數(shù)據(jù)處理，根據(jù)雷達(dá)地面間直線與波束中心所成夾角計(jì)算差信號(hào)反演出的和信號(hào)，再與天線接收到的和信號(hào)兩者相減，以此來抑制地雜波。

第四步，去除波束中心與地面相交處的地雜波，計(jì)算處理前后信噪比大小。

2.3 和差波束方法缺陷

和差波束方法是基于氣象和地物雜波所處雷達(dá)掃描波束中心位置不同而抑制地雜波的原理。在波束中心觸底位置，該處地雜波與波束中心的夾角為零，地雜波的差信號(hào)幅值為零，反演得到的和信號(hào)很大，前后兩次和信號(hào)相減會(huì)引起功率過大，帶來失真，在該位置地雜波不能被很好地抑制，只能人為地剔除該處的回波功率。也可改變波束下俯角進(jìn)行第二次掃描后與第一次的回波功率圖相比較，便能排除波束中心的干擾。

3 仿真數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

3.1 氣象回波模擬

為了模擬氣象云層信息，查閱資料[8]，我們選擇雷暴云的水平最大直徑為6 km，云層高度為5 km。然后根據(jù)云層大小，將云層分解成多個(gè)100 m×100 m×100m的立體單元。按照介電常數(shù)和反射率因子的不同給每一個(gè)立體小單元賦予不同的反射率數(shù)值。考慮到云層是環(huán)繞地球的表面分布，在模擬氣象信息時(shí)，云層在大地坐標(biāo)系中應(yīng)有傾斜角度。氣象參數(shù)如表1所示。

表1 氣象參數(shù)

根據(jù)氣象雷達(dá)的基本方程:

式中，

代入式(10)可求得云層中的某一個(gè)小單元雷達(dá)回波的平均功率為

為了驗(yàn)證仿真的云層回波的正確性，我們對(duì)氣象回波功率譜的仿真結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行比較，云的速度標(biāo)準(zhǔn)差為2 m/s，雷達(dá)發(fā)射功率為150 W，脈沖重復(fù)頻率為2 000 Hz，圖4為氣象回波功率譜的仿真值與理論值。

3.2 地物回波模擬

為了簡(jiǎn)便模型，將機(jī)載雷達(dá)下方地面分成多個(gè)100 m×100 m的平面單元，地雜波范圍為一矩形，寬為54 km，長(zhǎng)為630 km。然后根據(jù)地雜波的線性模型，賦予每個(gè)單元不同的散射系數(shù)[10-11]。地面雜波散射因子參數(shù)如表2所示。

圖4 氣象回波功率譜的仿真值與理論值

表2 地面參數(shù)

地面上單位單元反射的雷達(dá)回波功率的計(jì)算公式如下:

3.3 和差波束方法仿真

下面通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和差波束抑制雜波的性能，仿真中采用的系統(tǒng)參數(shù)如表3所示，其中云層離地高度為1 km，波束下俯角為5°，飛機(jī)距云層中心距離為50 km。當(dāng)機(jī)載雷達(dá)探測(cè)正前方云層時(shí)，氣象回波和地雜波混疊在一起。橫坐標(biāo)表示目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離，表3為仿真時(shí)機(jī)載雷達(dá)參數(shù)。

仿真結(jié)果分析如下:圖5為仿真的氣象和差功率圖，圖6為仿真的地雜波和差功率圖，可知雷達(dá)接收到的氣象信息會(huì)淹沒在地雜波中。圖7為采用和差波束方法抑制地雜波前后功率對(duì)比圖。抑制雜波后在距離為50 km處有氣象信號(hào)，距離60 km處有回波干擾。通過機(jī)載雷達(dá)高度，地球半徑和下俯角度的參數(shù)可計(jì)算出雷達(dá)波束中心到達(dá)地面距離約為60 km。分析和差波束抑制地雜波的缺陷可知，波束中心處會(huì)帶來信號(hào)的失真。因此圖7中抑制地雜波后會(huì)在該處距離單元上出現(xiàn)雜波干擾信息。為了排除波束中心處的干擾，可通過改變下俯角進(jìn)行二次掃描，并與第一次結(jié)果相比較。圖8為下俯角分別為5°和4°時(shí)抑制地雜波后雷達(dá)回波功率對(duì)比圖，為了比較波束中心的變化，我們觀察雷達(dá)前方100 km內(nèi)的回波功率圖，由圖8可知，下俯角為5°時(shí)距離60 km處有一波峰，當(dāng)下俯角為4°時(shí)距離為80 km處也有一處波峰，而距離為50 km處的信號(hào)強(qiáng)度沒有改變，由此可知，第二個(gè)波峰為波束中心帶來的失真，進(jìn)行氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)加濾波器加以濾除。

圖5 氣象的和信號(hào)與差信號(hào)回波功率圖

圖6 雜波的和信號(hào)與差信號(hào)回波功率圖

圖7 抑制地雜波前后回波功率圖

圖8 下俯角分別為5°和4°時(shí)回波信號(hào)功率圖

由圖9可知，與雷達(dá)距離從48～54 km之間的氣象信息從雜波中區(qū)分出來了，同時(shí)其他距離上的地雜波強(qiáng)度也大為下降，經(jīng)計(jì)算仿真的信雜比約為-19.3 d B，和差波束抑制雜波后的信雜比為6.6 dB。前后的信雜比改變有25.9 dB。

圖9 和差波束抑制雜波前后雷達(dá)回波功率圖

4 結(jié)束語

本文首先介紹了單脈沖和差波束原理，然后針對(duì)機(jī)載氣象雷達(dá)回波中地雜波與氣象的和差波束特點(diǎn)，提出了基于和差波束下的地雜波抑制方法。通過仿真實(shí)驗(yàn)，利用和差波束對(duì)消地雜波方法是可行的。但是需要根據(jù)氣象目標(biāo)與機(jī)載雷達(dá)之間距離計(jì)算波束中心位置，消除波束中心處的地雜波干擾。該方法在工程實(shí)踐中具有一定的使用價(jià)值。

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