傅龍臻,齊 濤

(1.成都遠(yuǎn)望探測技術(shù)有限公司,成都 618000;2.中國氣象局氣象探測中心,北京 100081)

0 引言

隨著氣象預(yù)報業(yè)務(wù)精細(xì)化進程的推進,氣象預(yù)報預(yù)警的時效和空間精細(xì)化程度的要求較以往有了進一步提高。目前,中國天氣雷達(dá)探測布網(wǎng)主要依賴于真空管體制的S波段、C波段新一代天氣雷達(dá),這種體制的天氣雷達(dá)發(fā)射機由于采用大功率射頻放大管,通?？梢缘玫綌?shù)百千瓦級峰值功率且相對穩(wěn)定的電磁波,但同時因其工作電壓高使得這種體制的發(fā)射機不易維護[1-3]。通常情況下兩部相鄰的大功率真空管體制雷達(dá)相距較遠(yuǎn),在非平原地區(qū)容易產(chǎn)生探測盲區(qū),造成預(yù)報預(yù)警的精細(xì)化程度不高和時間效率不足[4-6]。因此,為解決現(xiàn)有新一代天氣雷達(dá)組網(wǎng)的空間和時間問題,提升氣象雷達(dá)在精細(xì)化預(yù)報預(yù)警中的作用和價值,全固態(tài)發(fā)射機體制的氣象雷達(dá)開始逐漸被氣象觀測系統(tǒng)采用[7-8]。

新一代多普勒天氣雷達(dá)標(biāo)定技術(shù)中引入了syscal的概念。周紅根等[9]從技術(shù)體制上詳細(xì)介紹了這種標(biāo)定技術(shù);秦建峰等[10]詳細(xì)描述了這種技術(shù)的原理、實現(xiàn)方法和應(yīng)用實例;柴秀梅等[11]詳細(xì)介紹了新一代天氣雷達(dá)中針對發(fā)射功率變化進行的反射率因子強度修正;程寶山等[12-13]在研究中都作了改善發(fā)射機頻譜特性的分析。全固態(tài)發(fā)射機系統(tǒng)內(nèi)部通過調(diào)整脈沖信號調(diào)制時序和增加窄帶濾波器的方式,增加其余頻譜分量的抑制度。

文章將從雷達(dá)發(fā)射機峰值功率、雷達(dá)發(fā)射信號頻譜特性及極限改善因子3個方面對氣象雷達(dá)探測效果的影響進行探究。

1 發(fā)射機性能指標(biāo)對雷達(dá)探測性能的影響

1.1 峰值功率對雷達(dá)探測性能的影響

氣象雷達(dá)探測性能主要體現(xiàn)在探測距離和探測目標(biāo)的反射率因子上,雷達(dá)方程如式(1)所示:

(1)

式中,Rmax為最大探測距離;Pt為發(fā)射峰值功率;λ為雷達(dá)工作波長;G為天線增益;θ為水平波束寬度;σ為目標(biāo)后向散射截面積;Pmin為雷達(dá)最小可探測功率。由此可知,氣象雷達(dá)探測性能針對雷達(dá)本身而言,發(fā)射峰值功率Pt與Rmax成正比關(guān)系,在其余雷達(dá)參數(shù)不變的前提下,雷達(dá)的發(fā)射功率越強,對相同目標(biāo)的有效探測距離越遠(yuǎn)。

氣象雷達(dá)反射率因子計算公式如式(2):

(2)

式中,φ為垂直波束寬度;τ為發(fā)射信號脈寬;Pr為發(fā)射峰值功率;Lat為大氣衰減率。

由式(2)可知,發(fā)射峰值功率也是計算雷達(dá)回波反射率因子的重要參數(shù)。因此,發(fā)射峰值功率將決定雷達(dá)的實際探測性能。

式(2)可引入C值,即雷達(dá)常數(shù),則有式(3):

(3)

由式(3)可知,雷達(dá)常數(shù)不僅與雷達(dá)發(fā)射峰值功率Pt有關(guān),還與雷達(dá)工作波長、發(fā)射信號脈寬、水平波束寬度、垂直波束寬度和天線增益密切相關(guān)。

將式(3)代入式(2),得到式(4):

10lgZ=C+Pr+20lgR+R·Lat

(4)

由式(3)可知,當(dāng)其他參數(shù)不變,Pt降低到原來的50%,則雷達(dá)常數(shù)C為:

(5)

將式(5)代入式(4)可知,當(dāng)發(fā)射功率降低至原來的50%時,接收機接收到對應(yīng)距離相等功率的回波信號強度時,將會因雷達(dá)常數(shù)C比正確值偏大造成計算出來的回波強度偏強3 dB,造成雷達(dá)反射率因子強度偏差,雷達(dá)針對弱回波的探測能力也會因反射率偏強而變?nèi)?能夠探測到的天氣過程邊緣弱回波將會變少,造成無法準(zhǔn)確測量天氣過程邊緣弱回波區(qū)。

1.2 頻譜特性對雷達(dá)探測性能的影響

不同頻譜分量的信號功率會影響輻射信號的能量分散度。時域信號的功率為頻域上不同頻率分量上信號的功率積分,即載波中心頻率以外的頻率分量功率抑制度越高,中心頻率功率越強,中心頻率輻射能量也越大,帶內(nèi)有效信號信噪比越強。同時,雷達(dá)發(fā)射信號占用帶寬越窄,對周邊其他電子設(shè)備的干擾也越小。

雷達(dá)接收到回波頻譜寬度與發(fā)射頻譜寬度相關(guān),發(fā)射頻譜寬度越窄,中心頻率以外的譜能量抑制度越高,接收信號帶寬內(nèi)回波信號信噪比也就越高。

由于頻譜展寬是由脈沖調(diào)制引起的,具體到時域信號上為脈沖信號上、下邊沿處載波信號頻率與脈沖中間部分載波信號頻率不同,脈沖邊沿的載波信號譜線分布在中心頻率兩側(cè)邊帶,這部分脈沖邊沿信號在實際探測到的回波中處于邊沿,當(dāng)探測天氣系統(tǒng)邊沿弱回波時,這部分信號頻譜分散,相位噪聲性能較差,地物雜波抑制效果也相對較差,容易在回波邊沿出現(xiàn)雜點。

1.3 極限改善因子對雷達(dá)探測性能的影響

雷達(dá)系統(tǒng)信號極限改善因子分為2種測試方法。2種方法的不同點在于,頻譜儀測試的是發(fā)射機發(fā)射信號,通過設(shè)置合適的分析帶寬和顯示帶寬,掃描得出信號的信噪比;而系統(tǒng)信號單庫進行FFT估算得到的系統(tǒng)極限改善因子是通過雷達(dá)信號處理系統(tǒng)得到多個連續(xù)PRT固定位置的信號,對這些信號進行FFT處理得出信號的信噪比。兩種測試方法都是通過得到頻域信噪比進行反演,但得到的結(jié)果是不同的。結(jié)合全固態(tài)雷達(dá)信號流程原理可知,發(fā)射機射頻信號是由信號處理器產(chǎn)生的中頻激勵信號與頻率源輸出的本振信號上變頻輸出的,輸入信號處理器的中頻信號則是由射頻信號與同一個本振信號下變頻輸出的。因此,若頻率源輸出的本振信號頻率出現(xiàn)抖動或出現(xiàn)較大幅度的雜散信號,則發(fā)射機輸出的射頻信號也會隨之抖動和產(chǎn)生雜散。同樣,本振信號的抖動和雜散也會造成中頻信號的抖動和雜散,進而影響信號的相位噪聲和地物雜波抑制能力。發(fā)射信號上變頻流程示意如圖1所示。

圖1 發(fā)射信號上變頻流程示意圖

信號處理器針對發(fā)射機輸出耦合信號的采樣經(jīng)過FFT計算后,系統(tǒng)極限改善因子考慮了全信號流程,不僅包含雷達(dá)發(fā)射機上變頻信號特征,同時包含了雷達(dá)接收機下變頻流程帶來的信號特征變化,接收信號下變頻流程示意如圖2所示。發(fā)射機輸出耦合信號經(jīng)過延時線進行延時后輸入接收機,可以近似模擬雷達(dá)回波信號,接收機將信號進行下變頻后,輸入信號處理器進行A/D采樣和FFT計算,得到信號對應(yīng)單庫的頻域信噪比,再估算極限改善因子。此時,頻率源本振信號質(zhì)量變差或通道內(nèi)器件性能變差都可能造成估算出的系統(tǒng)極限改善因子惡化。

圖2 接收信號下變頻流程示意圖

在2種極限改善因子計算方法中,通過發(fā)射機輸出耦合信號進行單庫FFT估算的系統(tǒng)極限改善因子更接近雷達(dá)真實工作狀態(tài)。這項指標(biāo)將直接反映對應(yīng)測試?yán)走_(dá)信號的相位噪聲,從而影響雷達(dá)系統(tǒng)的地物雜波抑制能力。相位噪聲越小,地物雜波抑制能力越強。

2 發(fā)射機性能指標(biāo)標(biāo)定測試與反饋

2.1 發(fā)射機峰值功率標(biāo)定與反饋

目前,針對發(fā)射機峰值功率的標(biāo)定方法主要有機外峰值功率計測試和機內(nèi)發(fā)射耦合信號檢波2種。

機外峰值功率計測試較為準(zhǔn)確,但依賴于測試儀表。由于收發(fā)箱上掛至伺服轉(zhuǎn)臺,實際探測工作中,發(fā)射機跟隨伺服轉(zhuǎn)臺一起轉(zhuǎn)動,無法完成測試。因此這種方式不適用于雷達(dá)探測過程中的實時標(biāo)定和動態(tài)修正。

為解決此問題,氣象雷達(dá)在收發(fā)系統(tǒng)中集成了峰值功率檢波的功能。發(fā)射機峰值功率標(biāo)定測試流程如圖3所示。

圖3 發(fā)射機峰值功率標(biāo)定測試

由發(fā)射機末級輸出端發(fā)射耦合信號,輸入機內(nèi)功率監(jiān)視模塊,將采樣出來的數(shù)字信號上報至信號處理器,由信號處理器轉(zhuǎn)發(fā)至雷達(dá)控制終端進行監(jiān)控顯示。采樣原理如圖4所示。

圖4 采樣原理示意圖

射頻脈沖信號檢波基本原理如圖5所示,通過選取合適的電阻和電容,在射頻信號正半周期內(nèi)二極管導(dǎo)通電路正常輸出電壓并為電容充電,負(fù)半周期內(nèi)二極管截止,電容放電,維持檢波電壓輸出,每個脈沖周期重復(fù)此過程,即可完成射頻信號脈沖包絡(luò)檢波。

圖5 射頻脈沖信號檢波基本原理圖

實際工程中,往往視實際情況增加一些外圍電路來改善充放電時間、輸出電壓紋波、阻抗匹配等。

由于發(fā)射功率的變化會對雷達(dá)反射率因子的計算產(chǎn)生直接影響,進而影響雷達(dá)探測效果,因此穩(wěn)定地標(biāo)定和動態(tài)修正發(fā)射機峰值功率將有效提升雷達(dá)探測數(shù)據(jù)可用性。通過對發(fā)射機峰值功率進行標(biāo)定,雷達(dá)終端可實時得到發(fā)射機的實際發(fā)射峰值功率,將此實時發(fā)射峰值功率帶入氣象雷達(dá)方程,即可得到相對準(zhǔn)確的實時雷達(dá)回波強度。

除此之外,參考新一代多普勒天氣雷達(dá)的自動標(biāo)定技術(shù),全固態(tài)雷達(dá)引入這種標(biāo)定技術(shù)可以改善發(fā)射功率檢波不穩(wěn)定帶來的標(biāo)定補償誤差。由式(4)和式(5)可知,發(fā)射功率的波動將主要影響C值的波動,因此動態(tài)修正C值將能夠達(dá)到修正雷達(dá)回波強度的目的。

基于新一代多普勒天氣雷達(dá)標(biāo)定技術(shù),全固態(tài)氣象雷達(dá)也引入了syscal修正值的概念。通過將發(fā)射機末級輸出的耦合信號輸入接收機,完成強度定標(biāo)測試,得到syscal修正值。

由于全固態(tài)氣象雷達(dá)可采用3種及以上脈沖組合發(fā)射,回波處理時多種脈沖也將分別進行數(shù)字信號處理,從式(3)可知,脈寬τ也會影響C值。因此,將對3種脈沖分別進行標(biāo)定,不同信號脈沖得到不同的syscal修正值,對應(yīng)修正不同的脈沖探測結(jié)果。

在接收機增益不變的情況下,syscal修正值的變化理論上只受發(fā)射機峰值功率的變化影響,因此這種標(biāo)定方法可以對發(fā)射功率變化引起的回波強度變化進行有效的補償。當(dāng)發(fā)射功率下降時,信號處理器接收到的信號強度將變?nèi)?為保證回波強度一致,系統(tǒng)將標(biāo)定syscal修正值升高。

2.2 發(fā)射信號頻譜寬度測試與改善

脈沖激勵信號中心頻率譜線功率已經(jīng)使發(fā)射機達(dá)到飽和,而中心頻率譜線兩邊的頻譜分量功率仍有部分處于未飽和段,中心頻率譜線功率放大增益往往低于兩邊譜線的放大增益,經(jīng)發(fā)射機放大后,會帶來中心頻率兩邊其他頻譜分量抑制度的下降,并最終表現(xiàn)為發(fā)射機輸出信號的頻譜展寬惡化?；谶@一特性,發(fā)射機輸出信號的頻譜展寬將會寬于脈沖激勵信號的頻譜展寬。

雷達(dá)發(fā)射鏈路通常選擇在中頻激勵信號輸出處增加頻率選擇裝置來使發(fā)射輸出頻譜寬度得到大幅改善。

2.3 發(fā)射信號極限改善因子測試與改善

首先求得發(fā)射機中心頻率功率和1/2重復(fù)頻率處功率的差值,即發(fā)射機信號信噪比,再由該信號信噪比和脈沖重復(fù)頻率、信號測試分析帶寬計算得到發(fā)射機輸出信號極限改善因子。

由測試原理可知,發(fā)射機輸出信號極限改善因子的影響變量主要是信號的信噪比,因此提升信噪比是改善發(fā)射機輸出信號極限改善因子的有效途徑。如果信號頻率不穩(wěn)定,經(jīng)過一段時間的平均或者累積后,信號功率譜功率將會降低,造成信噪比偏低[14-15]。

在雷達(dá)系統(tǒng)中,針對單庫信號的FFT頻域轉(zhuǎn)換估算信噪比和極限改善因子是更接近雷達(dá)實際工作的檢驗方法。該方法不僅有表征全鏈路射頻型號特性的信號樣本,而且處理方式相比頻譜儀還更加接近雷達(dá)探測工作中對回波信號的處理方式。圖6給出了氣象雷達(dá)系統(tǒng)單庫FFT估算極限改善因子測試結(jié)果樣例。

圖6 單庫FFT測試結(jié)果

經(jīng)章節(jié)1.3分析可知,頻率源輸出本振信號質(zhì)量將是影響系統(tǒng)極限改善因子的核心因素,頻率源本振信號相位噪聲指標(biāo)和頻率穩(wěn)定度越好,雷達(dá)系統(tǒng)信號相干性也越好。

3 結(jié)束語

文章討論了影響雷達(dá)探測性能的發(fā)射機指標(biāo)。其中頻譜寬度和極限改善因子是信號頻譜分量和頻率穩(wěn)定度的主要表達(dá)方式,影響雷達(dá)電磁輻射帶寬、測速和地物雜波抑制等能力,暫時還不能通過機內(nèi)標(biāo)定進行修正反饋。目前,發(fā)射機的發(fā)射峰值功率是對氣象探測性能影響最大的指標(biāo)。

文章介紹的2種發(fā)射功率標(biāo)定方法都能夠完成自動標(biāo)定修正,但2種修正方式都有各自的缺點。峰值功率檢波的修正方式對功率檢波的穩(wěn)定性和可靠性有較高要求,檢波器和放大器都對溫度的變化較為敏感,容易造成功率檢波的不準(zhǔn)確,因此這種修正方法存在較大的局限性和不可控性。而發(fā)射機輸出耦合信號標(biāo)定syscal修正值的方式存在不能實時取樣標(biāo)定的局限性,這種方法存在一定的標(biāo)定周期。在雷達(dá)正常探測期間無法切換到標(biāo)定單元進行標(biāo)定測試,因此只能在探測周期間隙進行syscal標(biāo)定測試,每次標(biāo)定結(jié)束后得到的syscal修正值將代入下一次回波強度計算。

要解決發(fā)射功率變化帶來的雷達(dá)回波強度誤差,需結(jié)合2種標(biāo)定方式。將發(fā)射功率檢波得到的峰值功率代入式(3),得出雷達(dá)常數(shù)C,雷達(dá)發(fā)射機輸出耦合信號標(biāo)定再以C為基礎(chǔ),標(biāo)定syscal修正值,進行回波強度補償。