吳維 段士軍 王亞東

（北京敏視達雷達有限公司，北京 100094）

0 引言

風廓線雷達是利用大氣湍流對電磁波的散射作用對大氣風場等物理量進行探測的遙感設備。風廓線雷達的回波信號具有微弱、有明顯起伏漲落和伴有雜波等特點[1]。實際應用中，風廓線雷達經(jīng)常會遇到干擾信號，較強的干擾信號會“遮蓋”目標信號，令接收機飽和從而無法獲取目標信息或者令設備難以得到準確、穩(wěn)定的真實信號。此外，風廓線雷達回波信號在系統(tǒng)內(nèi)部傳輸也會受到噪聲的污染。如何能抑制干擾，降低噪聲，是風廓線雷達生產(chǎn)研發(fā)工作中，極其重要的工作。

基于現(xiàn)有風廓線雷達設備及技術儲備，利用電磁兼容技術來改造風廓線雷達系統(tǒng)，是抑制干擾、降低噪聲的一個途徑，也是提高風廓線雷達探測能力的一種成本低、見效快的方案。

1 電磁兼容技術簡介

所謂“電磁兼容”（EMC），是指電子、電氣設備或系統(tǒng)不會因它的內(nèi)部或外部存在的電磁干擾而影響其正常工作的一種狀態(tài)，這種狀態(tài)也稱為相互共存[2]。從EMC的含義可以看出，電磁兼容性概念比過去的抗干擾概念提高了一步，它不僅要求通信或電子設備（系統(tǒng)）能抵御外來干擾，還要求它自身不產(chǎn)生超過允許值的干擾。電磁兼容技術就是為實現(xiàn)電磁兼容而采用的技術和方案。

和電磁兼容相關聯(lián)的另一個概念是電磁干擾（EMI），它指的是可能對有用信號造成損害的無用信號或電磁噪聲。這里電磁噪聲指的是一種電磁現(xiàn)象，可以是脈動和隨機的，也可以是周期的[3]。一般來說，電磁噪聲是難以消除的，只有設法降低噪聲強度，使其達不到干擾的程度。

所有電磁兼容技術都具有下列特點：抑制電磁干擾源、切斷電磁干擾的傳輸和耦合途徑、降低電磁敏感裝置的敏感性[4]。經(jīng)常采用的方案諸如選擇抑制電磁干擾的電路，實施正確的接地、屏蔽、濾波、布線，以及采用合適的工作狀態(tài)等。

2 風廓線雷達目前已經(jīng)采取的電磁兼容措施

以TWP3型風廓線雷達為例，在系統(tǒng)設計時已經(jīng)考慮了電磁兼容的需要，采取了很多措施。

1）雷達室外部分，包含天線、功分器以及饋電網(wǎng)絡。通過在天線周圍采用金屬電磁屏蔽網(wǎng)，有效降低了地物雜波等對設備的影響。通過采用低駐波系數(shù)的功分器和射頻電纜，實現(xiàn)了較好的射頻匹配，降低了信號的反射功率，降低了信號在傳輸中的損耗。

2）雷達室內(nèi)部分，包含發(fā)射機、接收機、綜合電源和控制系統(tǒng)等。根據(jù)功能分類，把各個功能單元分別集成在各自的金屬箱體中，相當于將各個功能單元進行電磁屏蔽，降低雷達自身電磁干擾。另外，對于比較敏感的頻率源和接收通道，都單獨設計了結(jié)構復雜的盒體進行屏蔽。機柜內(nèi)部射頻信號均采用高屏蔽性能的半鋼電纜進行傳輸，其他電源和控制信號也大量采用雙絞線等屏蔽電纜進行連接。

可以說，在風廓線雷達設計之初，就考慮了電磁兼容的需要，采取了很多措施來控制干擾和噪聲，也取得了很好的效果。但是，電磁兼容技術的應用并不是一蹴而就就萬事大吉的。隨著對電磁兼容技術認識的深入，以及對如何提高現(xiàn)有風廓線雷達的探測能力這一問題的思考，電磁兼容技術在雷達系統(tǒng)改造中還大有可為。

3 利用電磁兼容技術深入改造風廓線雷達系統(tǒng)

電磁兼容技術涉及風廓線雷達的方方面面，大到系統(tǒng)的配置，小到電路板元件的布局。本文僅針對降低風廓線雷達系統(tǒng)干擾和噪聲，提高設備的探測能力，分享幾點經(jīng)驗。下文依舊以TWP3型風廓線雷達為例進行說明。

3.1 利用接地技術深入改造風廓線雷達系統(tǒng)

接地是雷達系統(tǒng)安全防護、穩(wěn)定工作、電磁兼容的基礎。接地是非常有效的抑制干擾、降低噪聲的方法，可以解決大部分的電磁兼容問題[4]。

目前TWP3型風廓線雷達系統(tǒng)室內(nèi)部分的接地，是以綜合機柜為主體和大地相連，每個功能單元以其屏蔽殼體為地，就近和機柜殼體相連，不區(qū)分安全地、數(shù)字地和模擬地。這樣處理的好處是容易實現(xiàn)一個共同的地電平參考點，結(jié)構簡單，實現(xiàn)起來比較容易。但這種方案也存在缺點，就是機柜殼體容易受到各種電磁干擾，各種地信號又在機柜殼體相互耦合，機柜地并不干凈，這種地會對敏感的接收機造成較大影響。另外，由于數(shù)字信號一般為矩形波，帶有大量的諧波。如果雷達系統(tǒng)中的數(shù)字地與模擬地大面積直接相連，數(shù)字信號中的諧波很容易干擾模擬信號的波形，使模擬電路的小信號指標變差?？朔@種干擾的辦法就是分開模擬地和數(shù)字地。但是如果徹底分開這兩種地，不連在一起，又會造成“浮地”，使數(shù)字地與模擬地之間產(chǎn)生電壓差，地電平參考標準不一致，不利于系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。在這些情況下，機柜地、模擬地、數(shù)字地各自合并同類項，最后在一點接地，是抑制地線干擾的最佳選擇。

改進方案是在雷達的地線設計中，采用安全地、模擬地、數(shù)字地3套系統(tǒng)。機柜內(nèi)設立3種接地柱，分別用作安全地、模擬地和數(shù)字地。3種接地柱在機柜內(nèi)部嚴格區(qū)分并絕緣，在機柜殼體外一點，3種接地柱于一點接入大地。3套地系統(tǒng)的使用上：安全地用于連接設備機殼、機架、機箱等金屬構件，也可以作為交流電源次級線圈參考點以及繼電器、軸流風機、波束開關及其他噪聲源的地線；模擬地可作為模擬電路的接地和模擬電路電源的接地，接收機等敏感部件的屏蔽外殼也可以與模擬地相連；數(shù)字地用于數(shù)字電路和數(shù)字電路電源的接地。對于用數(shù)字電路控制模擬電路的情況，應將數(shù)字控制信號的地與接口電路的地直接相連，接口電路的電源應采用數(shù)字電源。

接地改進前后，用示波器測量接收機地電平，得到對比圖（圖1），圖中上面的曲線W1是改進前的地電平，下面的曲線W2是經(jīng)過改進后的地電平。小方格縱向一格代表10 mV，橫向一格代表100 ns?？梢钥闯?，不論是噪底的幅值還是雜波的幅值，接地改進后都要小一些。

圖1 改善接地前后接收機地電平Fig. 1 The ground level receiver before and after improving the ground

3.2 利用電磁屏蔽技術深入改造風廓線雷達系統(tǒng)

電磁屏蔽技術主要用來抑制無關信號[5]，比如各種移動基站、輸電網(wǎng)絡等外部電氣設備以及雷達自身的電磁輻射。風廓線雷達系統(tǒng)的室外部分和室內(nèi)部分都可以采取一定的電磁屏蔽方案。

為抵御外部空間的干擾和噪聲以及降低雷達波副瓣帶來的影響，可以在天線周圍采用金屬網(wǎng)來進行電磁屏蔽。目前TWP3型風廓線雷達采用的是孔徑2 cm的鍍鋅鐵絲網(wǎng)板，在1290 MHz頻率下，這種屏蔽網(wǎng)雙向隔離度能達到40 dB。根據(jù)電磁屏蔽的原理，縮小網(wǎng)孔尺寸、增加網(wǎng)孔深度以及使用導電或?qū)Т判阅芨玫牟馁|(zhì)，均可以改善電磁屏蔽效果。國外某型號風廓線雷達采用鉆孔金屬板做電磁屏蔽網(wǎng)，如圖2所示，這種鉆孔金屬板的雙向隔離度可以達到60 dB以上，無孔金屬板的雙向隔離度能達到100 dB以上[6]。綜合考慮風廓線雷達所在位置的電磁環(huán)境以及防風受力等要求，某些情況下，TWP3型風廓線雷達也可以采用鉆孔或無孔金屬板或孔徑更小的金屬絲網(wǎng)做電磁屏蔽網(wǎng)。

圖2 國外某型號風廓線雷達采用鉆孔金屬板做電磁屏蔽網(wǎng)Fig. 2 A certain type of wind profiler radar is made by drilling a metal plate for electromagnetic shielding

風廓線雷達系統(tǒng)內(nèi)部也需要屏蔽。TWP3型風廓線雷達機柜內(nèi)部各功能單元間防電磁干擾的手段之一就是做金屬屏蔽盒。實際使用中，開孔、縫隙等都會影響盒體的屏蔽效果。設風廓線工作波長為λ，當縫隙最大尺寸大于λ/4時，幾乎沒有屏蔽效果；小于λ/20時有基本的屏蔽效果，小于λ/100時有理想的屏蔽效果[7]，因此各種金屬屏蔽盒體的開孔和縫隙都要盡量小。萬不得已開孔尺寸較大時，可以在開孔附近區(qū)域加裝屏蔽材料或者增加開孔的深度。當開孔的深度較大時，由于多次反射的累積效果，可以大大提高開孔的屏蔽效果，這也是波導通風板的原理[8]。

3.3 利用濾波技術深入改進風廓線雷達系統(tǒng)

濾波也是電磁兼容技術的一項主要措施。即使對一個經(jīng)過很好設計并且具有正確的屏蔽、接地措施的產(chǎn)品，仍然會有傳導干擾發(fā)射或者傳導干擾進入產(chǎn)品，此時使用濾波器是一種好辦法[9]。濾波器的作用是僅允許工作所需的信號頻率通過，而其它不必要的信號頻率則進行衰減，這樣就可以大大降低無用信號產(chǎn)生干擾或者噪聲的機會。無論是抑制干擾源、消除耦合或提高接收電路的抗干擾能力，都可以采用濾波技術。

對電源做濾波處理是防止干擾的一項重要措施。交流電源濾波器對50 Hz的電源功率衰減很小，但會極大地衰減經(jīng)交流電源線傳入的其他干擾信號，同時，它還能抑制設備自身產(chǎn)生的干擾信號，防止其進入并污染電網(wǎng)。直流電源濾波是各個直流電路模塊在電源輸入端必做的措施，可以降低各種干擾與耦合。對于要求較高的模擬電源，TWP3型風廓線雷達還可以采用有源濾波的方式來濾波，這種方案相比LC濾波或者RC濾波，對電源的噪聲抑制能力更強。

對發(fā)射機做濾波處理也是非常有意義的。TWP3型風廓線雷達的發(fā)射機輸入射頻激勵信號功率為13 dBm，輸出射頻信號功率為63 dBm，發(fā)射機增益50 dB，相當于一個放大倍數(shù)為10萬倍的放大器，它對特定頻段內(nèi)的所有輸入信號都具有放大作用。通過在發(fā)射機射頻輸入端增加帶通濾波器，可以實現(xiàn)選頻功能，減少不必要信號的放大，提升發(fā)射機的功率效率；而在發(fā)射機射頻輸出端增加腔體濾波器，可以改善發(fā)射機的輸出頻譜，降低發(fā)射機對其他功能單元的影響。

接收機相關信號做濾波也是不可或缺的。射頻回波信號經(jīng)過濾波，可以過濾無用信號，提高信噪比；混頻后送入中頻放大器的信號，也要利用帶通濾波來降低混頻的影響，提高信噪比。

3.4 利用布線技術深入改進風廓線雷達系統(tǒng)

目前很多電子設備中的布線，如圖3所示。

圖3 某系統(tǒng)機柜布線Fig. 3 Wiring of one system cabinet

這種布線的特點，是將各種線纜，就近結(jié)合，緊密捆綁在一起，然后長距離走線。這種布線的優(yōu)點是整齊漂亮，便于查找和發(fā)現(xiàn)問題。缺點就是線與線之間長距離平行傳輸信號，容易造成信號與信號之間的耦合。

風廓線雷達機柜內(nèi)的走線可以分類處理，交流電源線、直流電源線、信號線要進行分離走線，在空間上盡量分開走線。不能分開的就采用垂直交叉，盡量避免平行走線，不能避免時，盡量縮短平行走線的長度[10]。信號線采用雙絞線，大電流線纜采用較大截面積的導線或中等截面積的導線多根并聯(lián)。各種電源與信號線，最好采用帶屏蔽網(wǎng)的線纜，電纜兩頭要做接地處理。射頻信號的傳輸，最好采取屏蔽效果好的半鋼電纜，走線應避免迂回曲折，另外在布線時，要避開電磁輻射比較大的區(qū)域。

3.5 合理控制發(fā)射機與接收機的工作時序

TWP3型風廓線雷達的接收機靈敏度較高，能達到-110 dBm，經(jīng)過算法處理后的系統(tǒng)靈敏度，能達到-150 dBm，而發(fā)射機輸出信號的峰值功率為63 dBm。TWP3型風廓線雷達發(fā)射機與接收機共處同一個機柜，從電磁環(huán)境污染的角度來看，大功率的發(fā)射機對高靈敏度的接收機就是一個災難。

如何降低發(fā)射機對接收機的影響，是一個必須重視的問題。除了采取屏蔽、濾波等措施外，合理控制發(fā)射機與接收機的工作時序也是一個選項。

目前TWP3型風廓線雷達在接收機中增加了一路射頻開關。在發(fā)射機發(fā)射信號期間，這個射頻開關將進入接收機內(nèi)部的射頻信號切斷，避免了接收機內(nèi)部放大電路的深度飽和。此外，在發(fā)射機內(nèi)部增加一路控制信號也值得考慮。當發(fā)射機發(fā)射信號完畢后，立即將發(fā)射機內(nèi)部各個放大模塊的直流偏壓去掉，此時的發(fā)射機就失去了對信號的放大功能。相對于接收機來說，發(fā)射機的這種狀態(tài)就像無線電靜默一樣。在這種改造后，接收機工作時的電磁環(huán)境，得到了極大的改善。

4 電磁兼容技術對風廓線性能提高的驗證

以上就是在提高風廓線探測能力時，通過電磁兼容技術做的一些改進，所有這些工作都是為了抑制干擾、降低噪聲。實際上，這些改進會在接收機的靈敏度這一指標體現(xiàn)出來。風廓線雷達接收機靈敏度計算公式為

式中，S為接收機靈敏度（單位：dBm）；K為波爾茲曼常數(shù)（單位：J/K）；T為絕對溫度（單位：K）；KT就是在當前溫度下每赫茲的熱噪聲功率；B為信號帶寬（單位：Hz）；KTB為帶寬范圍內(nèi)的熱噪聲功率；NF為接收機的噪聲系數(shù)（單位：dB）；SNR為解調(diào)所需信噪比（單位：dB）[11]。

經(jīng)過電磁兼容技術改進后的風廓線雷達系統(tǒng)，改善了接收機的信號帶寬和噪聲系數(shù)，從上面的公式可以看到，接收機的靈敏度會得到改善，風廓線雷達的探測能力也會得到改善。

實際上，利用電磁兼容技術改進風廓線雷達的效果可以通過雷達系統(tǒng)的靈敏度測試得以驗證。測試方案如圖4所示。

圖4 接收機靈敏度測試示意圖Fig. 4 Schematic diagram of receiver sensitivity test

測試方法：將信號源接在接收機前端的低噪聲放大器入口處，接收機的模擬中頻輸出端接頻譜分析儀。頻譜分析儀設置合適的中心頻率、掃頻范圍、分辨帶寬和視頻帶寬。測試時，首先關閉信號源，在頻譜分析儀上測得噪聲電平P1（dBm），再打開信號源，調(diào)整信號源的輸出功率，使頻譜分析儀的讀數(shù)為（P1＋3）dBm，此時信號源的輸出功率值即為接收機的靈敏度[12]。

按上面方法測試，在風廓線雷達系統(tǒng)改造前，接收機靈敏度為-110 dBm。經(jīng)過電磁兼容改造后，接收機靈敏度為-112 dBm。由此可見，接收機靈敏度確實獲得了提高，這意味著風廓線雷達對小信號的探測能力也獲得了提高。

通過電磁兼容技術改造以及其他方面改進提高后的TWP3型風廓線雷達，其探測能力完全滿足中國氣象局相關要求。

5 結(jié)語

基于現(xiàn)有風廓線雷達設備及技術儲備，利用電磁兼容技術來適當改進風廓線雷達系統(tǒng)，是提高雷達探測能力的一種成本低、見效快的方案。風廓線雷達在設計之初已經(jīng)考慮了電磁兼容的需要并采取了一定措施，但是隨著認識的深入，電磁兼容技術在風廓線雷達系統(tǒng)中還大有可為。結(jié)合研發(fā)調(diào)試中的各種經(jīng)驗教訓，通過改善接地、屏蔽、濾波、布線等方案，以及合理控制接收機與發(fā)射機分時工作，抑制了干擾，降低了噪聲，改善了接收機的靈敏度，從而提高了風廓線雷達的觀測能力。