一種利用電磁兼容技術(shù)提高風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)能力的方法

吳維 段士軍 王亞?wèn)|

（北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司，北京 100094）

0 引言

風(fēng)廓線雷達(dá)是利用大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)等物理量進(jìn)行探測(cè)的遙感設(shè)備。風(fēng)廓線雷達(dá)的回波信號(hào)具有微弱、有明顯起伏漲落和伴有雜波等特點(diǎn)[1]。實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)廓線雷達(dá)經(jīng)常會(huì)遇到干擾信號(hào)，較強(qiáng)的干擾信號(hào)會(huì)“遮蓋”目標(biāo)信號(hào)，令接收機(jī)飽和從而無(wú)法獲取目標(biāo)信息或者令設(shè)備難以得到準(zhǔn)確、穩(wěn)定的真實(shí)信號(hào)。此外，風(fēng)廓線雷達(dá)回波信號(hào)在系統(tǒng)內(nèi)部傳輸也會(huì)受到噪聲的污染。如何能抑制干擾，降低噪聲，是風(fēng)廓線雷達(dá)生產(chǎn)研發(fā)工作中，極其重要的工作。

基于現(xiàn)有風(fēng)廓線雷達(dá)設(shè)備及技術(shù)儲(chǔ)備，利用電磁兼容技術(shù)來(lái)改造風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)，是抑制干擾、降低噪聲的一個(gè)途徑，也是提高風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)能力的一種成本低、見(jiàn)效快的方案。

1 電磁兼容技術(shù)簡(jiǎn)介

所謂“電磁兼容”（EMC），是指電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)不會(huì)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(guò)去的抗干擾概念提高了一步，它不僅要求通信或電子設(shè)備（系統(tǒng)）能抵御外來(lái)干擾，還要求它自身不產(chǎn)生超過(guò)允許值的干擾。電磁兼容技術(shù)就是為實(shí)現(xiàn)電磁兼容而采用的技術(shù)和方案。

和電磁兼容相關(guān)聯(lián)的另一個(gè)概念是電磁干擾（EMI），它指的是可能對(duì)有用信號(hào)造成損害的無(wú)用信號(hào)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(dòng)和隨機(jī)的，也可以是周期的[3]。一般來(lái)說(shuō)，電磁噪聲是難以消除的，只有設(shè)法降低噪聲強(qiáng)度，使其達(dá)不到干擾的程度。

所有電磁兼容技術(shù)都具有下列特點(diǎn)：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(shí)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(fēng)廓線雷達(dá)目前已經(jīng)采取的電磁兼容措施

以TWP3型風(fēng)廓線雷達(dá)為例，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了電磁兼容的需要，采取了很多措施。

1）雷達(dá)室外部分，包含天線、功分器以及饋電網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)在天線周?chē)捎媒饘匐姶牌帘尉W(wǎng)，有效降低了地物雜波等對(duì)設(shè)備的影響。通過(guò)采用低駐波系數(shù)的功分器和射頻電纜，實(shí)現(xiàn)了較好的射頻匹配，降低了信號(hào)的反射功率，降低了信號(hào)在傳輸中的損耗。

2）雷達(dá)室內(nèi)部分，包含發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、綜合電源和控制系統(tǒng)等。根據(jù)功能分類，把各個(gè)功能單元分別集成在各自的金屬箱體中，相當(dāng)于將各個(gè)功能單元進(jìn)行電磁屏蔽，降低雷達(dá)自身電磁干擾。另外，對(duì)于比較敏感的頻率源和接收通道，都單獨(dú)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的盒體進(jìn)行屏蔽。機(jī)柜內(nèi)部射頻信號(hào)均采用高屏蔽性能的半鋼電纜進(jìn)行傳輸，其他電源和控制信號(hào)也大量采用雙絞線等屏蔽電纜進(jìn)行連接。

可以說(shuō)，在風(fēng)廓線雷達(dá)設(shè)計(jì)之初，就考慮了電磁兼容的需要，采取了很多措施來(lái)控制干擾和噪聲，也取得了很好的效果。但是，電磁兼容技術(shù)的應(yīng)用并不是一蹴而就就萬(wàn)事大吉的。隨著對(duì)電磁兼容技術(shù)認(rèn)識(shí)的深入，以及對(duì)如何提高現(xiàn)有風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)能力這一問(wèn)題的思考，電磁兼容技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)改造中還大有可為。

3 利用電磁兼容技術(shù)深入改造風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)

電磁兼容技術(shù)涉及風(fēng)廓線雷達(dá)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(duì)降低風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)干擾和噪聲，提高設(shè)備的探測(cè)能力，分享幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。下文依舊以TWP3型風(fēng)廓線雷達(dá)為例進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 利用接地技術(shù)深入改造風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)

接地是雷達(dá)系統(tǒng)安全防護(hù)、穩(wěn)定工作、電磁兼容的基礎(chǔ)。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(wèn)題[4]。

目前TWP3型風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)室內(nèi)部分的接地，是以綜合機(jī)柜為主體和大地相連，每個(gè)功能單元以其屏蔽殼體為地，就近和機(jī)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(shí)現(xiàn)一個(gè)共同的地電平參考點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易。但這種方案也存在缺點(diǎn)，就是機(jī)柜殼體容易受到各種電磁干擾，各種地信號(hào)又在機(jī)柜殼體相互耦合，機(jī)柜地并不干凈，這種地會(huì)對(duì)敏感的接收機(jī)造成較大影響。另外，由于數(shù)字信號(hào)一般為矩形波，帶有大量的諧波。如果雷達(dá)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(hào)中的諧波很容易干擾模擬信號(hào)的波形，使模擬電路的小信號(hào)指標(biāo)變差?？朔@種干擾的辦法就是分開(kāi)模擬地和數(shù)字地。但是如果徹底分開(kāi)這兩種地，不連在一起，又會(huì)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(biāo)準(zhǔn)不一致，不利于系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。在這些情況下，機(jī)柜地、模擬地、數(shù)字地各自合并同類項(xiàng)，最后在一點(diǎn)接地，是抑制地線干擾的最佳選擇。

改進(jìn)方案是在雷達(dá)的地線設(shè)計(jì)中，采用安全地、模擬地、數(shù)字地3套系統(tǒng)。機(jī)柜內(nèi)設(shè)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(jī)柜內(nèi)部嚴(yán)格區(qū)分并絕緣，在機(jī)柜殼體外一點(diǎn)，3種接地柱于一點(diǎn)接入大地。3套地系統(tǒng)的使用上：安全地用于連接設(shè)備機(jī)殼、機(jī)架、機(jī)箱等金屬構(gòu)件，也可以作為交流電源次級(jí)線圈參考點(diǎn)以及繼電器、軸流風(fēng)機(jī)、波束開(kāi)關(guān)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(jī)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(duì)于用數(shù)字電路控制模擬電路的情況，應(yīng)將數(shù)字控制信號(hào)的地與接口電路的地直接相連，接口電路的電源應(yīng)采用數(shù)字電源。

接地改進(jìn)前后，用示波器測(cè)量接收機(jī)地電平，得到對(duì)比圖（圖1），圖中上面的曲線W1是改進(jìn)前的地電平，下面的曲線W2是經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的地電平。小方格縱向一格代表10 mV，橫向一格代表100 ns。可以看出，不論是噪底的幅值還是雜波的幅值，接地改進(jìn)后都要小一些。

圖1 改善接地前后接收機(jī)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(shù)深入改造風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)

電磁屏蔽技術(shù)主要用來(lái)抑制無(wú)關(guān)信號(hào)[5]，比如各種移動(dòng)基站、輸電網(wǎng)絡(luò)等外部電氣設(shè)備以及雷達(dá)自身的電磁輻射。風(fēng)廓線雷達(dá)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(dá)波副瓣帶來(lái)的影響，可以在天線周?chē)捎媒饘倬W(wǎng)來(lái)進(jìn)行電磁屏蔽。目前TWP3型風(fēng)廓線雷達(dá)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(dá)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(dǎo)電或?qū)Т判阅芨玫牟馁|(zhì)，均可以改善電磁屏蔽效果。國(guó)外某型號(hào)風(fēng)廓線雷達(dá)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(dá)到60 dB以上，無(wú)孔金屬板的雙向隔離度能達(dá)到100 dB以上[6]。綜合考慮風(fēng)廓線雷達(dá)所在位置的電磁環(huán)境以及防風(fēng)受力等要求，某些情況下，TWP3型風(fēng)廓線雷達(dá)也可以采用鉆孔或無(wú)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(guó)外某型號(hào)風(fēng)廓線雷達(dá)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(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部也需要屏蔽。TWP3型風(fēng)廓線雷達(dá)機(jī)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(shí)際使用中，開(kāi)孔、縫隙等都會(huì)影響盒體的屏蔽效果。設(shè)風(fēng)廓線工作波長(zhǎng)為λ，當(dāng)縫隙最大尺寸大于λ/4時(shí)，幾乎沒(méi)有屏蔽效果；小于λ/20時(shí)有基本的屏蔽效果，小于λ/100時(shí)有理想的屏蔽效果[7]，因此各種金屬屏蔽盒體的開(kāi)孔和縫隙都要盡量小。萬(wàn)不得已開(kāi)孔尺寸較大時(shí)，可以在開(kāi)孔附近區(qū)域加裝屏蔽材料或者增加開(kāi)孔的深度。當(dāng)開(kāi)孔的深度較大時(shí)，由于多次反射的累積效果，可以大大提高開(kāi)孔的屏蔽效果，這也是波導(dǎo)通風(fēng)板的原理[8]。

3.3 利用濾波技術(shù)深入改進(jìn)風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)

濾波也是電磁兼容技術(shù)的一項(xiàng)主要措施。即使對(duì)一個(gè)經(jīng)過(guò)很好設(shè)計(jì)并且具有正確的屏蔽、接地措施的產(chǎn)品，仍然會(huì)有傳導(dǎo)干擾發(fā)射或者傳導(dǎo)干擾進(jìn)入產(chǎn)品，此時(shí)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(hào)頻率通過(guò)，而其它不必要的信號(hào)頻率則進(jìn)行衰減，這樣就可以大大降低無(wú)用信號(hào)產(chǎn)生干擾或者噪聲的機(jī)會(huì)。無(wú)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(shù)。

對(duì)電源做濾波處理是防止干擾的一項(xiàng)重要措施。交流電源濾波器對(duì)50 Hz的電源功率衰減很小，但會(huì)極大地衰減經(jīng)交流電源線傳入的其他干擾信號(hào)，同時(shí)，它還能抑制設(shè)備自身產(chǎn)生的干擾信號(hào)，防止其進(jìn)入并污染電網(wǎng)。直流電源濾波是各個(gè)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(duì)于要求較高的模擬電源，TWP3型風(fēng)廓線雷達(dá)還可以采用有源濾波的方式來(lái)濾波，這種方案相比LC濾波或者RC濾波，對(duì)電源的噪聲抑制能力更強(qiáng)。

對(duì)發(fā)射機(jī)做濾波處理也是非常有意義的。TWP3型風(fēng)廓線雷達(dá)的發(fā)射機(jī)輸入射頻激勵(lì)信號(hào)功率為13 dBm，輸出射頻信號(hào)功率為63 dBm，發(fā)射機(jī)增益50 dB，相當(dāng)于一個(gè)放大倍數(shù)為10萬(wàn)倍的放大器，它對(duì)特定頻段內(nèi)的所有輸入信號(hào)都具有放大作用。通過(guò)在發(fā)射機(jī)射頻輸入端增加帶通濾波器，可以實(shí)現(xiàn)選頻功能，減少不必要信號(hào)的放大，提升發(fā)射機(jī)的功率效率；而在發(fā)射機(jī)射頻輸出端增加腔體濾波器，可以改善發(fā)射機(jī)的輸出頻譜，降低發(fā)射機(jī)對(duì)其他功能單元的影響。

接收機(jī)相關(guān)信號(hào)做濾波也是不可或缺的。射頻回波信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波，可以過(guò)濾無(wú)用信號(hào)，提高信噪比；混頻后送入中頻放大器的信號(hào)，也要利用帶通濾波來(lái)降低混頻的影響，提高信噪比。

3.4 利用布線技術(shù)深入改進(jìn)風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)

目前很多電子設(shè)備中的布線，如圖3所示。

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

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

風(fēng)廓線雷達(dá)機(jī)柜內(nèi)的走線可以分類處理，交流電源線、直流電源線、信號(hào)線要進(jìn)行分離走線，在空間上盡量分開(kāi)走線。不能分開(kāi)的就采用垂直交叉，盡量避免平行走線，不能避免時(shí)，盡量縮短平行走線的長(zhǎng)度[10]。信號(hào)線采用雙絞線，大電流線纜采用較大截面積的導(dǎo)線或中等截面積的導(dǎo)線多根并聯(lián)。各種電源與信號(hào)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(hào)的傳輸，最好采取屏蔽效果好的半鋼電纜，走線應(yīng)避免迂回曲折，另外在布線時(shí)，要避開(kāi)電磁輻射比較大的區(qū)域。

3.5 合理控制發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的工作時(shí)序

TWP3型風(fēng)廓線雷達(dá)的接收機(jī)靈敏度較高，能達(dá)到-110 dBm，經(jīng)過(guò)算法處理后的系統(tǒng)靈敏度，能達(dá)到-150 dBm，而發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)的峰值功率為63 dBm。TWP3型風(fēng)廓線雷達(dá)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)共處同一個(gè)機(jī)柜，從電磁環(huán)境污染的角度來(lái)看，大功率的發(fā)射機(jī)對(duì)高靈敏度的接收機(jī)就是一個(gè)災(zāi)難。

如何降低發(fā)射機(jī)對(duì)接收機(jī)的影響，是一個(gè)必須重視的問(wèn)題。除了采取屏蔽、濾波等措施外，合理控制發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的工作時(shí)序也是一個(gè)選項(xiàng)。

目前TWP3型風(fēng)廓線雷達(dá)在接收機(jī)中增加了一路射頻開(kāi)關(guān)。在發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)期間，這個(gè)射頻開(kāi)關(guān)將進(jìn)入接收機(jī)內(nèi)部的射頻信號(hào)切斷，避免了接收機(jī)內(nèi)部放大電路的深度飽和。此外，在發(fā)射機(jī)內(nèi)部增加一路控制信號(hào)也值得考慮。當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)完畢后，立即將發(fā)射機(jī)內(nèi)部各個(gè)放大模塊的直流偏壓去掉，此時(shí)的發(fā)射機(jī)就失去了對(duì)信號(hào)的放大功能。相對(duì)于接收機(jī)來(lái)說(shuō)，發(fā)射機(jī)的這種狀態(tài)就像無(wú)線電靜默一樣。在這種改造后，接收機(jī)工作時(shí)的電磁環(huán)境，得到了極大的改善。

4 電磁兼容技術(shù)對(duì)風(fēng)廓線性能提高的驗(yàn)證

以上就是在提高風(fēng)廓線探測(cè)能力時(shí)，通過(guò)電磁兼容技術(shù)做的一些改進(jìn)，所有這些工作都是為了抑制干擾、降低噪聲。實(shí)際上，這些改進(jìn)會(huì)在接收機(jī)的靈敏度這一指標(biāo)體現(xiàn)出來(lái)。風(fēng)廓線雷達(dá)接收機(jī)靈敏度計(jì)算公式為

式中，S為接收機(jī)靈敏度（單位：dBm）；K為波爾茲曼常數(shù)（單位：J/K）；T為絕對(duì)溫度（單位：K）；KT就是在當(dāng)前溫度下每赫茲的熱噪聲功率；B為信號(hào)帶寬（單位：Hz）；KTB為帶寬范圍內(nèi)的熱噪聲功率；NF為接收機(jī)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(guò)電磁兼容技術(shù)改進(jìn)后的風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)，改善了接收機(jī)的信號(hào)帶寬和噪聲系數(shù)，從上面的公式可以看到，接收機(jī)的靈敏度會(huì)得到改善，風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)能力也會(huì)得到改善。

實(shí)際上，利用電磁兼容技術(shù)改進(jìn)風(fēng)廓線雷達(dá)的效果可以通過(guò)雷達(dá)系統(tǒng)的靈敏度測(cè)試得以驗(yàn)證。測(cè)試方案如圖4所示。

圖4 接收機(jī)靈敏度測(cè)試示意圖Fig. 4 Schematic diagram of receiver sensitivity test

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

按上面方法測(cè)試，在風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)改造前，接收機(jī)靈敏度為-110 dBm。經(jīng)過(guò)電磁兼容改造后，接收機(jī)靈敏度為-112 dBm。由此可見(jiàn)，接收機(jī)靈敏度確實(shí)獲得了提高，這意味著風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)小信號(hào)的探測(cè)能力也獲得了提高。

通過(guò)電磁兼容技術(shù)改造以及其他方面改進(jìn)提高后的TWP3型風(fēng)廓線雷達(dá)，其探測(cè)能力完全滿足中國(guó)氣象局相關(guān)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

基于現(xiàn)有風(fēng)廓線雷達(dá)設(shè)備及技術(shù)儲(chǔ)備，利用電磁兼容技術(shù)來(lái)適當(dāng)改進(jìn)風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)，是提高雷達(dá)探測(cè)能力的一種成本低、見(jiàn)效快的方案。風(fēng)廓線雷達(dá)在設(shè)計(jì)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(rèn)識(shí)的深入，電磁兼容技術(shù)在風(fēng)廓線雷達(dá)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(yàn)教訓(xùn)，通過(guò)改善接地、屏蔽、濾波、布線等方案，以及合理控制接收機(jī)與發(fā)射機(jī)分時(shí)工作，抑制了干擾，降低了噪聲，改善了接收機(jī)的靈敏度，從而提高了風(fēng)廓線雷達(dá)的觀測(cè)能力。