重慶新一代天氣雷達被壓制性干擾實例分析

劉昉+侯亮+李學華+丁明星+張俊

摘 要： 基于壓制式干擾模型，描述了重慶陳家坪新一代多普勒天氣雷達（Z9230）在2012年4月27日上午11時30分左右受到外界強射頻雜波干擾現(xiàn)象：氣象目標回波信號被完全淹沒，速度信息被壓制。主要對雷達受到干擾后引起的相關參數(shù)的變化進行分析，并且對新一代天氣雷達（SA）接收機保護器的維護技術進行了探討。

關鍵詞： 新一代多普勒天氣雷達； 壓制式干擾； 接收機保護器； 無源限幅器

中圖分類號： TN95?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）17?0007?04

Instance analysis of Chongqing CINRAD/SA suffering from barrage jamming

LIU Fang1， HOU Liang2， LI Xuehua3， DING Mingxing1， ZHANG Jun1

（1. Chongqing Meteorological Information and Technology Support Center， Chongqing 401147， China；

2. Beijing Metstar Radar Co.， Ltd.， Beijing 100094， China； 3. Chengdu University of Information and Technology， Chengdu 610103， China）

Abstract： On the basis of the barrage jamming model commonly?used in electronic war， the phenomenon of the external powerful RF clutter jamming happened on CINRAD/SA （Z9230） stationed in Chenjiaping， Chongqing at about 11：30 am on April 27th， 2012 is described. The echo signal of a meteorological target was submerged completely， and its speed information was also suppressed. The relevant parameters′ change caused by the disturbed radar is analyzed. The maintenance technology of the receiver protector of CINRAD/SA is discussed.

Keywords： CINRAD/SA； barrage jamming； receiver protector； passive limiter

新一代天氣雷達（CINRAD）是短臨天氣監(jiān)測與預警的主要手段，其產(chǎn)品在下?lián)舯┝?、冷渦、冰雹、大風、暴雨、臺風等方面都有著深入的研究與應用[1?3]，產(chǎn)生了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。提供高質(zhì)量的雷達回波數(shù)據(jù)是雷達保障的最終任務，新一代天氣雷達建站運行以來，影響其回波數(shù)據(jù)質(zhì)量的外界因素主要來自于地物雜波以及偶爾的電信微波信號等。這些干擾在雷達圖上的表現(xiàn)形式都有一定的規(guī)律，預報員在分析使用回波圖時亦會用一定的先驗知識加以排除；當氣象雷達在體掃過程中遇到大功率的噪聲壓制干擾時，回波質(zhì)量就完全被污染，從雷達圖上幾乎找不到任何有用的信息，等同于雷達失效，這將會給短時臨近預報、災害預警等帶來嚴重后果。本文首先介紹了幾種常見的干擾模型，著重對壓制式干擾進行了分析，最后針對重慶新一代天氣雷達受到的干擾情況進行了研究分析。

1 雷達干擾基礎

根據(jù)干擾對雷達的作用方式可以分為壓制式干擾、欺騙式干擾和彈射式干擾三類[4]。

壓制式干擾是指用大功率的干擾信號壓制雷達的目標信號，影響雷達正常接收和顯示，從而大大降低雷達回波信號的信噪比。噪聲干擾是壓制式干擾最常采用的模式，它能將雷達目標信號淹沒在干擾信號之中，使終端識別系統(tǒng)難以從干擾背影中檢測到真實目標[4?5]。

欺騙式干擾利用干擾機發(fā)射模擬與目標回波信號相似或相同的干擾信號，使雷達接收端分不清真假目標[6]。

彈射式干擾是指干擾機截獲雷達發(fā)射信號，經(jīng)過例如時延和適當?shù)南辔徽{(diào)制等信號處理，放大轉(zhuǎn)發(fā)至雷達探測的目標范圍，經(jīng)目標反射后被接收機接收。這是一種對無法獲知接收機準備位置時的有效干擾手段[7]。

2 壓制式干擾模型

壓制式干擾是最常見的一種干擾模式，其主要優(yōu)點是干擾機不需要獲取太精確的雷達信號特征和處理信號，只需要知曉雷達大概的工作頻點，干擾設備比較簡單。干擾機向空間某方位發(fā)射具有一定帶寬的大功率噪聲信號，輻射形成壓制干擾環(huán)境，人為的把噪聲送入雷達接收機。氣象雷達在體掃過程中接收氣象回波信號的同時，干擾噪聲與氣象回波信號一同進入接收機通道，導致信噪比下降，那么，在終端顯示上看到的只有大強度噪聲信號，氣象回波信號被淹沒于此信號中，速度圖完全模糊。在接收系統(tǒng)指標中，噪聲溫度相對于其他正常工作時會發(fā)生很明顯的沖高現(xiàn)象。

如圖1所示為常見的壓制式干擾模型，其中，與分別表示氣象雷達到氣象目標的距離，氣象雷達與干擾機之間的距離。設雷達電磁波角頻率為發(fā)射信號可寫成：

（1）

式中為發(fā)射信號的振幅。 遇到氣象目標反射后，接收電磁波信號的表達式為：

（2）

式中：為回波信號強度；為相位延遲。

設干擾信號為各種噪聲調(diào)制干擾，干擾信號可以表示為調(diào)制噪聲部分與載頻信號的乘積：endprint

（3）

式中：是調(diào)制的干擾信號；是干擾信號載頻。

那么雷達天線接收到的帶有干擾信號的回波信號可以表示為：

（4）

式中：表示接收到干擾信號的強度；表示干擾信號到雷達接收天線的時延。

要實現(xiàn)有效干擾，必須滿足干擾信號頻率范圍覆蓋回波信號的頻點，即，那么雷達接收機在接收氣象目標回波時干擾信號就能有效進入接收通道。在下變頻為基帶信號后，干擾項變?yōu)椋?/p>

（5）

由式（5）可知，干擾項中加入了一個多普勒調(diào)制。

圖2描述了氣象目標回波信號與干擾信號一同進入雷達接收機的信號處理流程。當干擾噪聲與真實氣象回波一同進入接收通道時，輸入端噪聲水平提高，信號處理后信噪比大大降低，從而干擾天氣雷達正常探測工作。干擾噪聲越強，影響越明顯。

3 重慶雷達站被干擾情況

2012年4月27日上午11時30分左右，重慶陳家坪新一代天氣多普勒雷達在正常體掃下，回波圖突然出現(xiàn)滿屏的射線狀，0.5°仰角徑向達到顯示最大徑向值，并且360°方位出現(xiàn)。隨著仰角的抬升，半徑逐漸減小，出現(xiàn)方位數(shù)也遞減。

圖3，圖4分別為體掃過程中的反射率（回波強度）和速度圖。

從圖3可以看出，在雷達原點西偏北10°～30°之間噪聲功率強度最大，可以大致推斷干擾機位于此方位，并且出現(xiàn)這樣一個特點：隨著雷達仰角的增大，噪聲信號的半徑不斷減小，這與干擾源到雷達接收天線的對應位置和天氣雷達的天線方向圖有關。在低仰角時，干擾信號大多數(shù)進入雷達主瓣，能量在主瓣聚集，干擾范圍廣、強度大；在高仰角時，干擾信號可能大多數(shù)從雷達天線旁瓣或尾瓣進入接收通道，并且在某些方位上沒有信號進入天線，那么干擾信號強度減弱并且只出現(xiàn)在某個方位。

從圖4中可以看出，干擾信號在速度圖上表現(xiàn)為大量的射線狀，真實目標速度信息被掩蓋。由于多普勒天氣雷達都是由固定PRF（脈沖重復頻率）發(fā)射電磁波，根據(jù)抽樣定理，檢測速度都會有一個上限值當實際速度超過這個上限值時就會出現(xiàn)速度模糊。重慶雷達遇到強電磁波干擾，干擾信號與回波信號相干性低且強度大，當其與回波信號一同進入接收機通道，經(jīng)信號處理不能有效的檢測和濾波，在PUP上出現(xiàn)大范圍的射線狀雜波，其值多為射頻RF值，將真實速度信息淹沒。這也進一步體現(xiàn)了壓制式干擾的干擾特性。

圖5描述了重慶陳家坪雷達在被干擾時刻系統(tǒng)噪聲溫度（System Noise Temp）的變化情況。由圖上數(shù)據(jù)顯示，在干擾期間，系統(tǒng)噪聲溫度從比較平穩(wěn)的173左右陡然上升到360附近，干擾消失后，數(shù)值又逐漸恢復到干擾之前比較平穩(wěn)的水平。

雷達接收機系統(tǒng)噪聲溫度由內(nèi)部與外部兩部分噪聲溫度組成，即：

（6）

式中：為外部噪聲，是由雷達天線進入接收機的各種人為干擾、天電干擾、宇宙干擾和天線熱噪聲等產(chǎn)生，其值取決于接收機天線方向圖中各輻射源的噪聲溫度情況，與雷達天線方位仰角及工作頻率有關；內(nèi)部噪聲則主要由接收機中的饋線、放大器或混頻器等產(chǎn)生[8]。

對于噪聲源、噪聲功率與噪聲溫度之間存在如下關系：

（7）

式中：為波爾茲曼常數(shù)；為接收系統(tǒng)通帶；和分別表征系統(tǒng)噪聲溫度和噪聲功率?？梢娫肼暪β逝c噪聲溫度之間是一種線性關系，噪聲功率越大，噪聲溫度也就越高。

當雷達受到外界干擾時，雷達認定外界干擾為噪聲，外界噪聲功率與內(nèi)部噪聲功率疊加后進入接收系統(tǒng)，那么此時噪聲功率便會增強，由式（7）可知對應時刻系統(tǒng)的噪聲溫度升高。

根據(jù)天氣雷達方程，新一代天氣多普勒雷達對于回波強度測量關鍵在于確定回波接收功率和發(fā)射功率的在線測量校正，后端信號處理系統(tǒng)會根據(jù)接收回波功率進行實時回波強度測量值在線修正[9]。當干擾信號與真實氣象目標回波信號一同進入接收機通道后，系統(tǒng)定標時檢測到的實測值遠遠大于期望值，在線修正為保證回波強度正常，便會降低實測值強度；同時大功率干擾的進入導致接收通道的靈敏度驟降，達到一定強度時，便檢測不到真實目標信號。這也體現(xiàn)了壓制式干擾用干擾信號淹沒真實目標回波信號的特性。

4 接收機保護模塊維護維修流程

重慶陳家坪SA雷達在2012年4月就因大功率信號進入天線形成了壓制式干擾模式，雷達出現(xiàn)線性通道噪聲電平變壞、線性通道增益標定檢查變壞等故障報警，最終使接收機保護器被燒。維護保障人員需要對接收機保護器模塊有清晰的認識，才能排除故障解決問題。

4.1 接收機保護器驅(qū)動信號

接收機保護器（2A3）位于天饋和低噪聲放大器（2A4）之間，它是保護雷達在發(fā)射脈沖信號期間隔離大功率微波信號進入接收機的微波器件，是由射頻高功率二極管和無源二極管限幅器組成。當RDA計算機發(fā)出一個保護器命令，經(jīng)過如圖6所示的流程到達保護器驅(qū)動模塊，經(jīng)過模塊處理后發(fā)出接收機保護命令（即驅(qū)動信號），通過兩根BNC線進入接收機保護器，其中高功率二極管開關立即響應此驅(qū)動信號，使高功率二極管處于高隔離狀態(tài)，類似于斷路狀態(tài)，它每個周期的斷開時間大概是16.8 μs，而發(fā)射機發(fā)射脈沖信號寬度是1.56 μs/4.50 μs，包含在16.8 μs內(nèi)，從而保證了發(fā)射機在發(fā)射脈沖期間不會有射頻能量進入低噪聲放大器。同時，二極管開關還要將其高隔離狀態(tài)反饋給二極管狀態(tài)監(jiān)視器，此監(jiān)視器把接收機的保護響應返送給RDA計算機，該響應告知接收機已經(jīng)處于保護狀態(tài)，允許發(fā)射機向天線發(fā)射高功率射頻脈沖。

接收機保護器命令和響應是保證發(fā)射機充放電時序正常的必須條件，當RDA計算機接收到保護器響應后才會發(fā)出發(fā)射機各組件工作的命令。檢查保護器命令和響應通常是在5A16上的測量點處測量信號波形。正常情況下兩者都應是一個標準的方波。

從圖6可以看出，保護器驅(qū)動模塊的輸出直接進入接收機保護器，控制高功率開關二極管隔離狀態(tài)，也就是說接收機保護器的正常工作是受驅(qū)動信號控制。一般檢測時直接用示波器接入驅(qū)動模塊的輸出，觀察示波器的波形和幅度。正常時也是一個標準方波信號，如圖7所示。endprint

若驅(qū)動信號正常，那么就需要檢測接收機保護器本身是否有損壞。SA雷達接收機保護器的好壞通常是用萬用表去測量BNC線電壓，若正常，則電壓值在一個標準范圍內(nèi)，如圖8所示。

4.2 無源限幅器

除開關二極管外，限幅器也是保護接收機保護器的另一個重要組成部分。當RDA計算機撤銷接收機保護命令后，二極管開關便處于低損耗狀態(tài)，無源限幅器就會限制接收到的回波或者測試信號進入低噪聲放大器的最高射頻能量。它是由一對二極管組成，用萬用表測量時兩端的芯相互導通，兩端的殼相互導通；其芯和殼之間是二極管屬性，殼對芯不導通。

限幅器對輸入信號特性表現(xiàn)為：當進入的信號小于7 dBm時，輸出信號是線性的，衰減小于1 dB；若進入的信號大于7 dBm時，輸出信號始終是7 dBm；倘若進入的信號超過15 dBm時，則容易燒毀限幅器。重慶SA雷達在2012年4月正是由于大功率電磁信號的進入燒毀了限幅器，雷達停止工作。

5 結(jié) 論

從雷達圖和相關參數(shù)情況可以得出，重慶新一代天氣雷達在2012年4月27日11時30分左右工作時受到了來自西北方的大功率電磁波干擾。此電磁波應該是由干擾機產(chǎn)生，發(fā)射的是一種大功率的連續(xù)波信號，屬于寬帶干擾。此噪聲是屬于射頻噪聲或者是噪聲調(diào)制信號則無法從圖像上判斷，需要對基數(shù)據(jù)做深一步信號提取與識別才能得出結(jié)論。此干擾信號在脈沖多普勒天氣雷達接收脈沖到來時，與氣象回波信號一同進入接收機通道，正是由于這種時域的連續(xù)性，導致氣象脈沖雷達在整個體掃過程中強度與速度信息都受到干擾，這種干擾模式簡單易行，在電子戰(zhàn)中應用十分廣泛。由于干擾信號功率強度達到一定值，損壞了重慶陳家坪SA雷達接收機保護器，雷達故障停機，避免了對接收通道的毀壞，可見接收機保護器對整個接收系統(tǒng)的重要性。本文最后對接收機保護器部分的日常維護維修技術進行了梳理總結(jié)，旨在與廣大氣象雷達機務保障者交流探討。

參考文獻

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