葉 舟，尤祖光，姜 偉，楊文華

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引言

隨著我國低空空域管理改革的深入，低空監(jiān)視雷達對低空飛行器的監(jiān)控和管理將發(fā)揮重要作用。但高度3 000m以下低空小尺度惡劣氣象災(zāi)害時有發(fā)生，對低空飛行器的安全造成嚴(yán)重威脅，亟需氣象探測裝備投入使用。目前國內(nèi)布站的氣象雷達多采用速調(diào)管發(fā)射機，發(fā)射功率大，作用距離遠，站點分布稀疏，且為防電磁輻射傷害通常抬高低仰角波束，無法實現(xiàn)對低空空域的全覆蓋。若設(shè)計專用低空補盲氣象雷達將顯著增大設(shè)備投入及其壽命周期成本，且會增加輻射干擾。因此，一種折中的方案是采用集成化設(shè)計，在低空監(jiān)視雷達上集成氣象探測功能。在同一部雷達上兼容目標(biāo)監(jiān)視和氣象探測功能產(chǎn)生了設(shè)計難點，主要問題有：兩種功能要求的掃描數(shù)據(jù)率不匹配，雷達波形有差異，時間、波束資源調(diào)度策略不統(tǒng)一。這些問題可通過雷達兼容工作模式的優(yōu)化設(shè)計予以解決。

隨著軍用有源相控陣?yán)走_技術(shù)的逐漸成熟，集成目標(biāo)監(jiān)視和氣象探測兩種功能為一體的新一代相控陣?yán)走_已成為空管雷達發(fā)展的重要趨勢。目前的研究一般基于兩維相位掃描的相控陣?yán)走_平臺，因波束可在方位和俯仰自由調(diào)度，工作模式設(shè)計靈活，易于實現(xiàn)目標(biāo)監(jiān)視和氣象探測兼容。美國正在實施多任務(wù)相控陣?yán)走_（MPAR）計劃，擬采用相同型號的MPAR雷達（三面兩維相掃陣列）統(tǒng)一行使空中交通管理、氣象探測和空域安全保障等多項職能［1］。針對民用領(lǐng)域應(yīng)用，一維相掃相控陣?yán)走_具低成本優(yōu)勢，在該平臺上集成氣象探測功能更具實用價值。但方位旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_僅在俯仰相位掃描，波束調(diào)度自由度降低，兼容工作模式設(shè)計難度顯著增加，相關(guān)研究尚未見報道。美國海軍研究生院MWR－05XP項目研究了方位旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_用于氣象探測，設(shè)計了氣象模式下的波束掃描策略，但未考慮目標(biāo)監(jiān)視和氣象探測模式的兼容［2］。為此，本文對多功能相控陣?yán)走_目標(biāo)監(jiān)視與氣象探測兼容模式設(shè)計進行了研究。

1 兼容模式時間資源

氣象目標(biāo)的基本組成單元為大氣介質(zhì)、雨滴、雪花、冰晶等空氣中的微粒，尺寸為微米至毫米量級，因此S、C、X波段測雨雷達一般工作在瑞利區(qū)。單個距離門氣象回波由脈沖空間（如圖1所示）內(nèi)包含的氣象微粒瑞利散射矢量疊加而成，因微粒數(shù)量眾多，且相對位置隨時間變化，故雷達回波具明顯的隨機特性［3－4］。

圖1 脈沖空間Fig.1 Pulse volume schematic diagram

氣象雷達的三種基本產(chǎn)品是反射率因子、平均徑向速度和譜寬，其他三十余種導(dǎo)出產(chǎn)品（如累計雨量、風(fēng)暴單體識別和跟蹤、中氣旋等）均由基本產(chǎn)品反演而得。其中：反射率因子反映降雨強弱，與回波平均功率成正比。氣象速度測量原理與目標(biāo)監(jiān)視雷達多普勒測速類似，但因各微粒運動的隨機性，氣象目標(biāo)速度存在一定的譜寬，故用平均徑向速度和譜寬兩個參數(shù)描述［5］。

統(tǒng)計規(guī)律表明：多個隨機氣象散射體合成回波的幅值近似服從瑞利分布。若對某距離門氣象回波進行N次相互獨立取樣，回波樣本功率取平均后可用于估計平均回波功率。當(dāng)N＞10時，平均功率分布曲線近似于高斯分布［3］。反射率因子估計的標(biāo)準(zhǔn)差

式中：為反射率因子估值?？梢姡ㄊv留時間越長，N值越大，反射率因子估計誤差越小。一般取N≥30，此時估計出的回波功率誤差為－1～1dB的概率大于80%。

值得注意的是，用于反射率因子估計的有效獨立樣本數(shù)N不等于采樣脈沖數(shù)，而是與脈沖重復(fù)周期T、多普勒速度譜寬σv和雷達波長λ均有關(guān)的量。設(shè)采樣脈沖數(shù)為K1，則有

式中：α為獨立指數(shù)，且

當(dāng)一個距離單元獲得的有效獨立樣本數(shù)不夠時，還可對連續(xù)多個距離單元進行平均，以增加有效獨立樣本數(shù)。設(shè)選用的距離門個數(shù)為K2，最終可得有效獨立樣本數(shù)

采用距離平均方法時，距離門個數(shù)受距離分辨力的限制［3］。

利用多普勒相移，用脈沖對法或FFT法可估計平均徑向速度和速度譜寬，估計方差分別為

式中：M為相干樣本的個數(shù)；T為樣本的采樣間隔時間（脈沖重復(fù)間隔）［1］?？梢?，波束駐留時間越長，平均徑向速度和譜寬估計誤差越小。平均徑向速度和譜寬估計要求相鄰回波有一定的相關(guān)性，采樣時間間隔應(yīng)滿足

另一方面，空管雷達目標(biāo)監(jiān)視全空域數(shù)據(jù)率應(yīng)控制在0.1～0.25Hz內(nèi)，才能滿足民航飛行間隔控制所需的誤差要求，保障飛行安全。因此，須在規(guī)定時間內(nèi)完成一次體掃描，這對波束駐留時間提出了嚴(yán)格的限制。為解決上述時間資源矛盾的問題，需設(shè)計精巧的雷達波束掃描策略。

2 基本兼容工作模式設(shè)計

假設(shè)雷達工作頻率為5GHz，波長6cm，方位和俯仰波束寬度均為3°，天線方位向機械旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)360°全覆蓋，旋轉(zhuǎn)周期6s，俯仰向電子掃描，氣象探測俯仰范圍0°～15°。對氣象的探測具體要求為：反射率因子Z＾測量范圍15～75dBz，均方根誤差±1dBz；平均徑向速度v＾測量范圍－40～＋40m／s，均方根誤差±1m／s；徑向速度譜寬σ＾v測量范圍1～6m／s，均方根誤差±1m／s。因目標(biāo)監(jiān)視的具體要求對結(jié)果無影響，本文不詳細討論。將上述參數(shù)代入式（1）～（7），可算得雷達目標(biāo)監(jiān)視和氣象基數(shù)據(jù)測量要求的駐留時間和脈沖間隔見表1。

表1中反射率因子測量要求的波位駐留時間計算較復(fù)雜，且在T等參數(shù)確定前無法精確計算。本文取T＝400μs，用于平均的距離門數(shù)2～4進行估算，波位駐留時間為數(shù)十至上百毫秒。具體掃描模式設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計參數(shù)進行精確計算。

目標(biāo)監(jiān)視要求在6s內(nèi)完成一次體掃描，平均波位駐留時間（4.2ms）遠小于氣象平均徑向速度測量要求的駐留時間（25.4ms），也遠小于反射率因子測量要求的駐留時間。因此，采用同一組波束，無法同時實現(xiàn)目標(biāo)監(jiān)視和氣象探測，同時滿足兩者的測量要求（數(shù)據(jù)率、測量范圍、誤差等）。

因此，目標(biāo)監(jiān)視和氣象探測應(yīng)采用時分復(fù)用方式工作，兩者交替進行。時分復(fù)用設(shè)計需考慮以下問題：

a）天線轉(zhuǎn)速對目標(biāo)監(jiān)視和氣象探測盡量保持一致，避免頻繁加減速過程，對探測性能和系統(tǒng)可靠性均有益處。

b）對目標(biāo)監(jiān)視來說，插入氣象探測必然破壞目標(biāo)監(jiān)視連續(xù)性，等價于降低目標(biāo)數(shù)據(jù)更新率，反之亦然。一般目標(biāo)數(shù)據(jù)率要求較高（秒量級），氣象數(shù)據(jù)率要求較低（分量級）。因此，目標(biāo)監(jiān)視中斷氣象探測連續(xù)性造成的影響基本可忽略，而因氣象探測中斷目標(biāo)監(jiān)視連續(xù)性則須認(rèn)真考慮。

為解決上述問題，本文提出一種新型X＋1兼容掃描模式，如圖2所示。其基本原理如下：

a）天線方位旋轉(zhuǎn)1圈時間保持為TU0。

c）在每一圈目標(biāo)監(jiān)視中均實現(xiàn)完整體掃描。

d）在1圈氣象探測中，每個方位的波束均指向一個固定俯仰角，在下一循環(huán)的氣象探測中，波束調(diào)整至另一個俯仰角。通過多次循環(huán)，完成俯仰空域覆蓋。

e）在氣象探測時，可通過外推保持對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。

定義目標(biāo)監(jiān)視等效平均數(shù)據(jù)更新時間

氣象探測等效數(shù)據(jù)更新時間

式中：Kφ為氣象俯仰掃描波位數(shù)。X越大，目標(biāo)監(jiān)視被中斷的頻次越低，等效數(shù)據(jù)更新時間越短，目標(biāo)檢測和跟蹤效果越好，但氣象探測數(shù)據(jù)更新時間變長。X越小，氣象數(shù)據(jù)更新時間越短，目標(biāo)跟蹤效果會變差。因此，X值的確定是兼容掃描模式設(shè)計的關(guān)鍵，需折中考慮。

表1 雷達測量要求的脈沖間隔時間和波位駐留時間Tab.1 Pulse interval time and beam dwell time requirements for radar estimation

圖2X＋1兼容模式Fig.2X＋1compatible mode

本文中，TU0＝6s，若X＝1，則目標(biāo)和氣象簡單交替工作，TUtarget＝12s，不能滿足民航標(biāo)準(zhǔn)要求。令X＝5，TUtarget＝7.2s，氣象探測時對目標(biāo)監(jiān)視數(shù)據(jù)通過外推處理，可滿足民航標(biāo)準(zhǔn)。對氣象探測，取俯仰波束交疊系數(shù)為0.15，則Kφ＝6，可得TUweather＝216s，滿足氣象探測數(shù)據(jù)率要求（＜300s）。

據(jù)《曲藝志》的說法，這個被很多人忽略的版本，影響了徐嘉瑞后來主持的梅葛調(diào)查。在1957年的條目下，有這樣的話：

綜合考慮量程和波形占空比因素，氣象探測中取T＝400μs，能滿足徑向速度和譜寬測量所需的相關(guān)時間（≤795μs）要求?？紤]方位波束交疊系數(shù)為0.2，一個方位的駐留時間約為3°×（1－0.2）×6／360°＝40ms。

對應(yīng)一個方位的平均脈沖數(shù)為100，全部用于一個俯仰波束的氣象基數(shù)據(jù)測量，能滿足平均徑向速度測量要求（≥25.4ms）和譜寬測量要求（≥9.5ms）。

對反射率因子測量，需確定獨立樣本數(shù)，具體步驟如下：

a）依據(jù)式（2）、（3），可得單個距離單元有效采樣點數(shù)為9.6；

b）需進行距離平均，由式（4）可得，3個距離單元進行平均后的有效樣本數(shù)為49，滿足要求（≥30）。

3 兼容氣象快速掃描模式

上述X＋1掃描模式，主要針對目標(biāo)監(jiān)視和氣象探測在數(shù)據(jù)更新率和波束駐留時間要求的差異而提出。目標(biāo)監(jiān)視數(shù)據(jù)更新率高、波位駐留時間短，氣象探測數(shù)據(jù)更新率低、波位駐留時間長，本文方法將不同俯仰角度的氣象探測，“化整為零”地分散到多輪目標(biāo)監(jiān)視功能間，滿足兩者數(shù)據(jù)更新率和測量精度要求。

在氣象探測中，反射率因子測量與多普勒參數(shù)（平均徑向速度和譜寬）測量對波束駐留時間、脈沖重復(fù)時間的要求也有較大差別?？衫眠@種差別，進一步發(fā)揮相控陣?yán)走_波束掃描靈活的優(yōu)勢。由表1可知：反射率因子測量要求波位駐留時間長，多普勒參數(shù)測量要求相鄰脈沖相位相關(guān)，設(shè)計一種基于多路波束轉(zhuǎn)換原理的氣象快速掃描方式，可進一步提高兼容模式下的氣象數(shù)據(jù)更新速率［6］。

設(shè)雷達俯仰各波束仰角中心分別為θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6，如圖3所示。多路波束轉(zhuǎn)換掃描采用圖4方式，在同一方位的多個仰角波位間輪流間隔發(fā)射脈沖（圖4采用三個波位組成轉(zhuǎn)換掃描波位組，其中θ1～θ3為一組，θ4～θ6為一組），直至分配完波束在該方位的駐留時間。對同一俯仰波位，如按前文設(shè)計參數(shù)，相鄰發(fā)射脈沖間隔將達1 200μs，波位脈沖數(shù)約33，由式（4）可知反射率因子估計精度不變，但由于相鄰樣本間隔變大，樣本間相關(guān)性降低，對速度譜寬大于4m／s的劇烈氣象，其多普勒信息測量誤差較大。

圖3 不同轉(zhuǎn)換掃描波位組的時分多路掃描的俯仰波位設(shè)置Fig.3 Elevation beam position setting of multiplexed beam scanning strategy with different multiplexed beam groups

圖4 時分多路掃描脈沖發(fā)射順序Fig.4 Pulse transmitting sequence of multiplexed beam scanning strategy

快速多路波束轉(zhuǎn)換掃描方式的優(yōu)點是利用同樣的波位駐留時間實現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)的快速更新，不會降低反射率因子的估計精度，且可測量一定速度譜寬的氣象多普勒參數(shù)。但這種方式無法準(zhǔn)確測量大譜寬氣象的多普勒參數(shù)，故適于時間尺度小、內(nèi)部切變不嚴(yán)重的氣象探測。此外，快速多路波束轉(zhuǎn)換掃描方式存在旁瓣二次回波，需采取抑制處理。

4 旁瓣二次回波抑制

對圖4，若僅關(guān)注某一波位的發(fā)射波形，其脈沖重復(fù)周期為Tmax，故其二次回波是在Tmax以外的回波，這屬于經(jīng)典的二次回波問題，在常規(guī)多普勒氣象雷達中已有廣泛研究，可采用相位編碼方法進行抑制。

對多路波束轉(zhuǎn)換掃描方式，波位1、2間存在相互影響。對波位1的第一個脈沖周期，其Tmax／3～Tmax間的回波會進入波束2的旁瓣，2Tmax／3～Tmax間的回波會進入波束3的旁瓣，本文稱旁瓣二次回波。與之對應(yīng)，經(jīng)典二次回波問題可稱為主瓣二次回波。

抑制旁瓣二次回波方法主要有以下兩種：

a）對交替掃描的脈沖進行統(tǒng)一相位編碼，利用編碼后不同波位回波相位的正交性進行抑制［7］。

b）綜合考慮所有的待掃描俯仰波位，采用跳躍式多路波束掃描方式。分析各波位天線俯仰方向圖，合理設(shè)置波位仰角及掃描次序，發(fā)射相鄰脈沖的波位應(yīng)避開各自方向圖的強副瓣區(qū)，采取間隔的掃描波位設(shè)計減輕從旁瓣進入的回波［8］。如圖5所示，在θ1～θ3轉(zhuǎn)換掃描波位組內(nèi)，3個波位間隔排列，通過優(yōu)化波位設(shè)置，使組內(nèi)各波位仰角均不在其他波位方向圖強副瓣區(qū)。

圖5 減輕旁瓣二次回波的波位設(shè)置及掃描次序Fig.5 Beam position setting and scanning sequence for reducing second trip echo from sidelobe

5 兼容模式工程實現(xiàn)

上述兼容工作模式，可由合理的系統(tǒng)資源管理技術(shù)實現(xiàn)。

兼容工作模式系統(tǒng)的實現(xiàn)如圖6所示。資源管理根據(jù)顯控的工作模式切換命令，完成目標(biāo)模式、氣象模式、目標(biāo)／氣象兼容模式切換。在目標(biāo)／氣象兼容工作模式下，按設(shè)計的X＋1工作模式，資源管理控制波形發(fā)生器進行信號波形變換，控制頻率綜合器完成信號中心頻率切換，控制波控機完成波束指向調(diào)度。資源管理還同時對信號處理程序進行切換：在目標(biāo)監(jiān)視模式下采用目標(biāo)信號處理流程，信號處理向數(shù)據(jù)處理傳送目標(biāo)一次點跡，數(shù)據(jù)處理由點跡信息形成航跡信息發(fā)給顯控；轉(zhuǎn)入氣象探測模式后，采用氣象信號處理流程，信號處理向數(shù)據(jù)處理傳送3種氣象基數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理將氣象基數(shù)據(jù)分類比較形成氣象分色顯示信息，并完成對跟蹤目標(biāo)的航跡外推處理，將氣象分色顯示信息和外推的航跡信息同時送往顯控。

在上述基本兼容工作模式設(shè)計，某方位旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_在小雨條件下采集的反射率如圖7所示。其反射率估計精度可滿足航空氣象分級要求。

圖6 兼容工作模式資源管理實現(xiàn)Fig.6 Realization of resource management for compatible mode

圖7 兼容模式下反射率數(shù)據(jù)實測結(jié)果（小雨）Fig.7 Reflectivity data estimation result under compatible mode（light rain）

6 結(jié)束語

針對相控陣低空監(jiān)視雷達集成氣象探測功能的需要，本文對多功能相控陣?yán)走_目標(biāo)監(jiān)視與氣象探測兼容模式設(shè)計進行了研究。分析了兼容目標(biāo)監(jiān)視與氣象探測功能對雷達工作模式設(shè)計要求，討論了氣象基數(shù)據(jù)估計精度、更新率對氣象波束駐留時間、波形參數(shù)的設(shè)計要求，提出了一種目標(biāo)監(jiān)視與氣象探測分時工作的X＋1模式兼容工作模式，同時兼顧兩種功能的實現(xiàn)，初步解決了兩種功能數(shù)據(jù)率不匹配、波形設(shè)計有差異、波位駐留時間不統(tǒng)一等關(guān)鍵技術(shù)。針對時間尺度小但變化不劇烈的氣象現(xiàn)象探測，給出了一種可進一步提高氣象數(shù)據(jù)更新率的波）束掃描方法——多路波束轉(zhuǎn)換氣象快速掃描方式，提出了旁瓣二次回波解決思路。本文設(shè)計的兼容工作模式，在僅增加少量氣象信號處理硬件資源的條件下，通過工作模式設(shè)計和相關(guān)軟件設(shè)計，實現(xiàn)了目標(biāo)監(jiān)視與氣象探測兼容。該技術(shù)易于實現(xiàn)，可滿足兼容工作模式設(shè)計需求，實現(xiàn)成本低，可推廣性較強，對實現(xiàn)低成本的目標(biāo)監(jiān)視和氣象探測多功能雷達有一定的參考意義。

［1］ TORRES S M，HEINSELMAN P L.Multifunction phased-array radar for weather surveillance：The Sixth European Conference on Radar in Meteorology and Hydrology［C］.ERAD 2010.

［2］ Sandifer J B.Meteorological measurements with a MWR-05XP phased array radar［D］.Monterey：Na-val Post Graduate School，2005.

［3］ 張培昌，杜秉玉，戴鐵丕.雷達氣象學(xué)［M］.北京：氣象出版社，2000.

［4］ 焦中生，沈超玲，張 云.氣象雷達原理［M］.北京：氣象出版社，2005.

［5］ SKOLNIK M I.Meteorological radar：radar handbook（second edition）［M］.New York：McGraw-Hill，1990.

［6］ 高玉春，楊金紅，程明虎，等.相掃天氣雷達掃描方式研究［J］.電子學(xué)報，2009，37（3）：485-488.

［7］ SACHIDANANDA M，ZRNIC D S.Systematic phase codes for resolving range overlaid signals in a doppler weather radar［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic technology，1998，16：1351-1363.

［8］ LAI K H，LONGSTAFF I D，CALLAGHAN G D.Super-fast scanning technique for phased array weather radar applications［J］.IEE Proc Radar Sonar Navigation，2004，151（5）：271-279.