頻分多波束技術(shù)在相控陣天氣雷達(dá)中的應(yīng)用

王剛，魏艷強(qiáng)，王志銳，賈曉星

（北京無(wú)線電測(cè)量研究所，北京 100854）

隨著相控陣技術(shù)的不斷發(fā)展[1-3]，二十世紀(jì)六十年代，美國(guó)開始利用相控陣技術(shù)進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤飛機(jī)。到了七十年代，相控陣技術(shù)得到了迅速發(fā)展。到了八十年代，相控陣技術(shù)開始用于氣象目標(biāo)的探測(cè)，并取得了很好的觀測(cè)效果。

相控陣技術(shù)能夠進(jìn)行波束的電子掃描，其多波束觀測(cè)技術(shù)能夠提高波束掃描效率，但是帶來(lái)了天線方向圖的不穩(wěn)定性，需要進(jìn)行優(yōu)化處理。針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)體制的天線方向圖研究，Tai通過(guò)研究均勻照射陣列的增益，提出線性陣列增益優(yōu)化[4]。Uzkov同樣采用均勻陣列進(jìn)行研究，提出了正規(guī)方法進(jìn)行陣列優(yōu)化[5]。Cheng和Tseng采用Hermitian二次式方法，得到陣列的方向圖、增益、效率的優(yōu)化結(jié)果[6]。自適應(yīng)陣列理論目前已經(jīng)有了很大的發(fā)展，基于方向圖優(yōu)化的數(shù)學(xué)理論建立在矩陣?yán)碚撚绕涫嵌问絻?yōu)化的基礎(chǔ)之上[7-8]。Howells和Applebaum提出受由陣列加權(quán)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的特定靜態(tài)陣列方向圖限制的信噪比優(yōu)化方法，該優(yōu)化是基于無(wú)干擾情況下進(jìn)行的[9]。Widrow利用搜索陣列輸出信號(hào)與某些已知參考信號(hào)間的最小均方誤差進(jìn)行陣列優(yōu)化[10]。

這些優(yōu)化算法僅根據(jù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的處理來(lái)優(yōu)化回波，當(dāng)相控陣天氣雷達(dá)采用多波束觀測(cè)大范圍天氣現(xiàn)象時(shí)，多波束接收會(huì)存在相鄰波束副瓣進(jìn)入到主瓣的情形。此時(shí)接收回波已經(jīng)混疊在一起，如果副瓣電平較高，很難通過(guò)優(yōu)化算法來(lái)抑制干擾。該文在X波段一維相控陣天氣雷達(dá)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用頻分多波束技術(shù)進(jìn)行多頻段波束形成優(yōu)化處理，來(lái)實(shí)現(xiàn)多波束接收時(shí)去除旁瓣、干擾等影響[11]。

1 脈沖時(shí)序的脈沖簇設(shè)計(jì)

相控陣天氣雷達(dá)能夠輸出多個(gè)波束，每個(gè)輸出波束的方向圖峰值位于空間不同的角度上，即多波束系統(tǒng)。在天氣雷達(dá)設(shè)計(jì)中，要求天線具備高增益和低副瓣要求[12]，還要求系統(tǒng)的兩個(gè)相鄰波束在其相交點(diǎn)處的相對(duì)增益較高。

相控陣天氣雷達(dá)主要的掃描方式有多種[13-15]，如單波束窄發(fā)窄收，寬波束發(fā)射、多波束接收，多波束發(fā)射、多波束接收等模式。在相控陣天氣雷達(dá)中，單波束窄發(fā)窄收掃描方式與傳統(tǒng)體制的天氣雷達(dá)類似，發(fā)射和接收都是窄波束。只要發(fā)射和接收波束指向不發(fā)生大幅度移動(dòng)，通常副瓣的影響可以忽略，因此不會(huì)存在旁瓣的污染問(wèn)題。但是對(duì)于相控陣體制天氣雷達(dá)，寬波束發(fā)射、多波束接收，能夠采用多個(gè)波束同時(shí)觀測(cè)覆蓋范圍內(nèi)的目標(biāo)。這種情況下，會(huì)產(chǎn)生不同收發(fā)波束間的旁瓣干擾情況。

一種情形是照射的目標(biāo)后向散射系數(shù)基本一致，如圖1所示，發(fā)射寬波束照射一定范圍的目標(biāo)，對(duì)接收波束1和接收波束2而言，照射的氣象目標(biāo)的后向散射系數(shù)基本一致，因此，在接收波束2的位置上存在著接收波束1的旁瓣。相控陣天氣雷達(dá)天線方向圖的主副瓣都會(huì)設(shè)計(jì)得比較高，方位面波束副瓣≤-29 dB，俯仰面波束副瓣接收最大副瓣電平≤-40 dB。因此，這種情形下，波束污染現(xiàn)象可以忽略。

另外一種情形是回波強(qiáng)度存在較大的差異，接收波束3的旁瓣方向上接收到了接收波束2方向上的回波，由于這兩個(gè)方向的目標(biāo)后向散射系數(shù)差異較大，通常認(rèn)為接收波束3方向上的后向散射系數(shù)較比接收波束2方向上的要低很多。波束接收時(shí)，并不區(qū)分是從主瓣還是從旁瓣接收到的，只要接收功率達(dá)到一定的值，則認(rèn)為波束指向方向有目標(biāo)存在，形成波束污染。

圖1 寬發(fā)窄收旁瓣污染

2 系統(tǒng)介紹

2.1 性能及工作參數(shù)

X波段相控陣天氣雷達(dá)的體制為一維數(shù)字有源相控陣、全固態(tài)、全相參、脈沖多普勒等。裂縫天線陣面由64個(gè)通道組成，每個(gè)通道采用20 W發(fā)射功率，總發(fā)射功率為1.2 kW。采用全數(shù)字T/R組件、數(shù)字波束形成、數(shù)字脈沖壓縮等先進(jìn)技術(shù)，能夠獲取比常規(guī)多普勒天氣雷達(dá)更快、更靈活的觀測(cè)信息，基本參數(shù)如表1所示。

表1 寬發(fā)窄收時(shí)頻分多波束特性參數(shù)

2.2 波形設(shè)計(jì)

波形時(shí)序的選擇是相控陣天氣雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵。波形時(shí)序的選擇決定了脈沖占空比和平均發(fā)射功率，進(jìn)而決定了雷達(dá)威力。傳統(tǒng)天氣雷達(dá)波形一般采用單發(fā)單收或者雙發(fā)雙收（時(shí)頻補(bǔ)盲脈沖等）。由于相控陣體制具備多種波束體制，如寬發(fā)窄收等，為了有效抑制相控陣體制天氣雷達(dá)中多波束間的旁瓣干擾，文中采用“分時(shí)+頻分多波束”設(shè)計(jì)，采用對(duì)應(yīng)中心點(diǎn)頻的全去斜算法處理，能夠有效區(qū)分脈沖串回波，同時(shí)能夠通過(guò)不同頻率抑制多波束系統(tǒng)內(nèi)的旁瓣干擾。

雙線極化分別發(fā)射的脈沖時(shí)序中兩個(gè)極化脈沖時(shí)序一致，并且重復(fù)出現(xiàn)，如圖2所示，因此只需要分析單極化脈沖體制。首先雷達(dá)發(fā)射脈沖波形，然后通過(guò)雷達(dá)接收機(jī)進(jìn)行回波信號(hào)的采樣，發(fā)射和接收交替進(jìn)行。當(dāng)采用相控陣多波束技術(shù)時(shí)，由于發(fā)射的脈沖串簇內(nèi)PRF較高，回波信號(hào)在時(shí)域上會(huì)產(chǎn)生混疊，因此，采用傳統(tǒng)發(fā)射和接收交替體制的脈沖設(shè)計(jì)，不能滿足應(yīng)用要求。

圖2 雙線極化分別發(fā)射的脈沖時(shí)序圖

“分時(shí)+頻分多波束”脈沖體制[16-18]設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)射脈沖串的簇內(nèi)脈沖重復(fù)頻率可以較高，如圖3所示，接收脈沖之間存在時(shí)域混疊的情況，但是接收脈沖的中心頻率相差幾兆赫茲，它們?cè)陬l域上可以通過(guò)濾波進(jìn)行處理，如圖4所示。

圖3 脈沖簇時(shí)序模型

圖4 濾波處理原理圖

3 仿真分析

仿真設(shè)計(jì)帶寬為 3 MHz，脈沖寬度為 30 μs，脈沖重復(fù)周期為1 kHz。相鄰脈沖中心頻率相差2.5倍的帶寬，即7.5 MHz的差頻，能夠保證數(shù)字濾波有效壓低相鄰脈沖的副瓣。

通過(guò)仿真分析，頻分多波束脈沖簇回波信號(hào)在時(shí)域上存在混疊，但在頻域上并不存在混疊，如圖5所示。接收回波進(jìn)行對(duì)應(yīng)中心頻率的濾波處理后，可以將不同脈沖進(jìn)行分離，從而能夠有效抑制相控陣多波束的旁瓣抑制。如圖6所示，進(jìn)行數(shù)字濾波之后，能夠?qū)崿F(xiàn)20 dB以上的旁瓣抑制。

圖5 頻分多波束脈沖簇接收窗內(nèi)脈沖頻譜分布

圖6 接收濾波后的脈沖頻譜分布

4 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了頻分多波束技術(shù)在相控陣天氣雷達(dá)中的應(yīng)用，主要結(jié)論如下：

1）相控陣天氣雷達(dá)采用“寬發(fā)窄收”波形體制時(shí)，可以采用不同頻率中心的脈沖波形，能夠進(jìn)行波束間隔離、旁瓣抑制等作用。

2）當(dāng)采用對(duì)應(yīng)中心頻率進(jìn)行數(shù)字濾波時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)大于20 dB的旁瓣抑制，有效提高氣象目標(biāo)的觀測(cè)準(zhǔn)確度。

3）采用的“寬發(fā)窄收”和頻分多波束技術(shù)，能夠快速獲取觀測(cè)區(qū)域的氣象目標(biāo)，針對(duì)某一區(qū)域的氣象目標(biāo)觀測(cè)，能夠縮減觀測(cè)時(shí)間，提高觀測(cè)效率。