承德CINRAD(CB)天氣雷達兩次外界信號干擾處置過程分析

金龍 王碩飛 楊雷斌 孫波波 幺倫韜*

1.河北省氣象技術裝備中心 河北石家莊 050000； 2.承德市氣象局 河北承德 067000；3.南京恩瑞特實業(yè)有限公司 江蘇南京 211100

新一代天氣雷達通過電磁波對云雨等目標物的探測，已在臺風、暴雨和強對流等災害性天氣的監(jiān)測、預警、預報和氣象災害防御過程中發(fā)揮了不可替代的作用[1-3]，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，電子設備工作領域和工作方式的增多，使得無線射頻信號在近十年內對氣象雷達的影響越發(fā)嚴重，已引起氣象學界的特別關注。雷永恒等針對湖南邵陽天氣雷達同頻電磁干擾進行了分析判斷[4]，黃宣鈞等對廣西機場C波段天氣雷達外界同頻干擾和虛假回波干擾進行了處置分析[5]，陳忠勇等根據(jù)湖北省內天氣雷達遭受到的高頻數(shù)傳機、微波引力站、軍用雷達同頻干擾和臨近氣象雷達相互干擾進行了分類討論并給出了解決建議[6]，在信號處理方面也有同行專家做了大量研究工作[7-9]，均取得了積極成果。本文結合承德天氣雷達出現(xiàn)的干擾情況，根據(jù)雷達原理和信號傳輸流程，利用臺站現(xiàn)有方式對干擾源進行初步判斷，明確了處置方式并給出了C波段天氣雷達潛在干擾源類型。

1 資料和方法

1.1 資料來源

本文根據(jù)承德CB型天氣雷達2019年至2021年間出現(xiàn)過的異?；夭ɑ鶖?shù)據(jù)，經(jīng)過比對篩選后根據(jù)產品數(shù)據(jù)特征分為兩類，選取其中晴空背景下兩次處置過程作為本文案例進行探討。外圍電磁環(huán)境頻譜數(shù)據(jù)信息來自測試現(xiàn)場使用的安捷倫E4445A型頻譜儀，均在儀表檢定有效期內。測試過程中用到的雷達控制軟件為雷達系統(tǒng)配套的RDASC軟件。

1.2 雷達工作原理簡介

天氣雷達發(fā)射脈沖形式的電磁波到空中，當電磁波在傳播過程中遇到目標物后，其后向散射的能量被雷達系統(tǒng)接收并進行分析處理進而得到氣象信息[10-11]?？捎煤喕Ｐ捅硎鋈缦?。

Yi(t)=∑VAiexp[2πjf0t]·exp[-2πj(f0+fd)ti]

式中，Ai為第i個粒子回波的幅度，f0為發(fā)射信號載頻，fd為第i個粒子的多普勒頻率，ti為第i個粒子回波信號相對于發(fā)射信號的延遲時間，V為云雨目標物的體積。

發(fā)射—接收—信號處理是雷達系統(tǒng)中關鍵環(huán)節(jié)，哪一部分出現(xiàn)故障均會導致雷達系統(tǒng)異?；虺霈F(xiàn)壞圖。其信號流程示意見圖1。

圖1 雷達信號流程示意圖

1.3 排查方法

(1)排查雷達自身運行情況。當出現(xiàn)回波異常情況時，我們應首先確認是雷達自身故障導致還是由外界異常信號導致。結合雷達工作原理和信號流程可確定快速排查流程如下：①雷達系統(tǒng)開關機或運行過程中是否存在故障告警，若存在告警信息，則可由其具體內容初步判斷為相應鏈路上設備器件性能下降或故障。②通過將發(fā)射機整流組件調零使其不給充電變壓器賦能，即發(fā)射功率調零(圖1，b處)，接收系統(tǒng)和信號處理部分保持不變，若異?；夭▓D形未發(fā)生變化，則可初步判斷與發(fā)射系統(tǒng)無關。③將接收支路單向耦合器處信號斷開(預選濾波器輸入端，圖1，c處)，此處信號流為頻率源輸出—四位開關—數(shù)控衰減器—單向耦合器，若顯示器異?；夭ㄏ覠o任何回波信號，則能夠初步判斷接收支路和信號處理部分正常且異常信號來自外界；若顯示器異?；夭ㄒ琅f存在(或變化為其他異常形狀)則需繼續(xù)判斷。④將接收機主通道匹配濾波器輸出端的中頻信號斷開(圖1，d處)，此處信號流為天線接收的射頻信號—低噪聲放大器放大—經(jīng)混頻之后變?yōu)橹蓄l信號，此時無信號輸入信號處理部分，若依舊存在異?；夭▓D像，則可確認信號處理部分故障。⑤利用RDASC軟件中RCW模塊，控制雷達天線轉動并抬高仰角，若噪聲電平隨天線轉動變化且隨仰角抬高而減小，則可初步判斷異常信號來自外界。

(2)初步判斷干擾源方位。在判斷雷達系統(tǒng)工作正常且異常信號來自外部干擾源后，可利用現(xiàn)有設備進行干擾源方位的初步判斷。①根據(jù)顯示器回波圖特征初步分析，在顯示器上同心圓狀回波或螺旋狀回波為同頻同步或同頻異步干擾，張文祥等人均進行過詳細分析[12]。而在顯示器上沿徑向呈現(xiàn)輻射狀回波，可根據(jù)其信號強度初步判斷干擾源方位。②利用RDASC軟件中RDASOT模塊，控制雷達天線轉動，根據(jù)其噪聲強度初步判斷干擾源方位。③將低噪聲放大器輸出端接入頻譜儀，控制雷達天線轉動，根據(jù)頻譜儀顯示器上信號變化情況結合天線方位可初步判斷干擾源方位。

(3)申報無線電管理部門協(xié)查。在確認雷達系統(tǒng)工作正常且對外部干擾源有初步認知后，需向當?shù)責o線電管理部門申報并配合協(xié)查。測試查找多以固定點位測試和路測相結合的方式，首先選取雷達站塔樓平臺和另一處高點進行360°全向測試，將測試點和信號最強點在地圖上連線，兩條相交直線確定一個可疑點，再使用信號監(jiān)測車在可疑點附近進行路測排查走訪。

2 干擾實例處置過程分析

2.1 實例一

實例描述：北京時2019年7月19日20時00分，承德雷達首次在西南方向接收到大面積異?；夭?圖2)，覆蓋約45°范圍，反射率最強值出現(xiàn)在245°方向，東南方向異?；夭ǜ采w約15°范圍，西北方向異?；夭s2°范圍。相似特征回波截至2019年9月斷續(xù)出現(xiàn)超過4次，每次持續(xù)時長均未超過48小時，2019年10月至2020年4月期間承德雷達大修升級改造，改造末期雷達聯(lián)調期間再次出現(xiàn)，2020年4月10日干擾源被查明后此問題得到徹底解決。

圖2 實例一回波強度圖(1.54°仰角)

判斷過程：首先通過控制天線方位、斷開低噪聲放大器輸出和信號處理輸入等簡單操作，可確認此干擾不是雷達系統(tǒng)自身故障，懷疑該異常信號由外部干擾源導致。將雷達發(fā)射功率調零后(或關閉雷達發(fā)射機)，控制天線轉置方位0°俯仰0.5°和方位245°俯仰0.5°，動態(tài)范圍測試接收系統(tǒng)底噪由-60.06dB抬升至-13.26dB。將頻譜儀接入接收系統(tǒng)低噪聲放大器輸出端，利用頻譜儀在雷達頻點5620MHz中心頻率附近查找，發(fā)現(xiàn)干擾源頻譜分布在5615～5630MHz(圖3)，隨著雷達天線仰角的抬高信號逐漸減弱消失。

圖3 實例一外接頻譜儀測試圖

處理方式：由于此時正值河北省主汛期期間雷達不允許停機，且第一次發(fā)生干擾事件處置經(jīng)驗欠缺，在確認雷達系統(tǒng)不存在故障后立即向當?shù)責o線電管理部門申報請求協(xié)查，自異?；夭ǔ霈F(xiàn)至消失僅斷續(xù)出現(xiàn)了不到48小時，因持續(xù)時間較短未能找到干擾源，將范圍初步鎖定在雷達站245°方向直線距離約3km的工地，直至2020年4月10日干擾源被查明，為工地塔吊不定期私自使用的無線視頻收發(fā)器，無線電管理部門現(xiàn)場收繳了該設備后此現(xiàn)象再未出現(xiàn)。

經(jīng)驗總結：由于干擾信號強度較大，判斷為近場干擾；根據(jù)C波段雷達頻點縮小電子設備范圍；結合城市環(huán)境和地形，需重點排查工地、通信塔等場所；由于雷達系統(tǒng)靈敏度較高，在考慮同頻干擾的同時，干擾源的N次諧波也應在考慮范圍內。

2.2 實例二

實例描述：北京時2020年11月15日20時00分開始，承德雷在東南方向接收徑向異?；夭?，長度貫穿整個顯示器(圖4)，反射率值相對較低，隨著天線仰角的抬高此異常回波逐漸減弱至消失。相似特征回波出現(xiàn)頻率較高，持續(xù)時間較長。

圖4 實例二回波圖(左為回波強度，右為速度)

判斷過程：在確定雷達系統(tǒng)自身工作正常后，判斷該異?；夭▉碜酝饨绺蓴_，由于其在顯示器上面積不大強度不高，存在位置和強度穩(wěn)定不變，懷疑為遠場干擾。為了進一步了解干擾源的方位和強度等基本信息，使用RDASOT模塊，控制天線轉動觀察軟件示波器中噪聲采樣值的變化。(1)手動控制天線保持0.5°仰角以20°步長水平轉動360°讀取噪聲采樣值。(2)控制天線保持1.5°仰角，其他不變在轉動一周，讀取噪聲采樣值，結果見(圖5左圖)?？梢钥闯龈蓴_信號最強值出現(xiàn)在天線仰角0.5°方位155～165°之間，隨著仰角由0.5到抬升至1.5°干擾信號減弱。(3)手動控制天線方位以1°步長在155～165°之間轉動，仰角從0.5°抬至2.5°，讀取噪聲采樣值。結果見(圖5右圖)。可以看出干擾信號最強值出現(xiàn)在天線仰角0.5°方位161°處，隨著仰角由0.5到抬升至1.5°干擾信號減弱，抬升至2.5°干擾信號消失?？沙醪脚袛喔蓴_信號出現(xiàn)在雷達站方位161°處。(4)將頻譜儀接入接收系統(tǒng)低噪聲放大器輸出端，低噪聲放大器自身帶寬為5400～5800MHz，在低噪聲放大器輸出端測試時可測出400MHz帶寬的干擾信號。干擾信號最大功率-66.73dBm，此時頻點為5625.33MHz(圖6左圖)?？梢钥闯鲈摳蓴_源頻譜分布較廣，信號功率相對較低。(5)將頻譜儀接入匹配濾波器的輸出端即AD前(圖1，d處)，此時為接收主通道射頻信號5620MHz經(jīng)過混頻之后的中頻信號33.6MHz，中頻帶寬為1MHz，接在此處精準且直接反映了信號處理收到了外部干擾信號(圖6右圖)。

圖5 控制天線轉動進行噪聲采樣(左為20°步長轉360°，右為1°步長轉12°)

圖6 左圖為實例二外接頻譜儀低噪聲放大器輸出端;右圖為實例二外接頻譜儀測試中頻信號

處理方式：在確認雷達系統(tǒng)正常并初步了解干擾信號基本特征后，隨即向當?shù)責o線電管理部門申報請求協(xié)查。無線電管理部門在雷達站塔樓平臺并未監(jiān)測到該信號，經(jīng)現(xiàn)場分析可能有兩點原因，一是承德雷達站所處地區(qū)周邊多山，低仰角遮擋嚴重，監(jiān)測點可能不夠高。二是干擾信號強度較弱，加之測試設備靈敏度不夠高，影響了測試效果。經(jīng)協(xié)調第二次測試時攜帶了C波段有源低噪聲放大器，在雷達平臺和另外一個山頭通過兩條相交直線確定一個可疑點的方法最終在一處工地找到了該干擾源。

經(jīng)驗總結：由于信號強度和面積均較小，判斷為遠場干擾，在測試查找過程中，對測試設備靈敏度有較高要求，測試查找過程可借鑒陳忠勇等人微波站干擾處置方法不再贅述。在有了上次異?；夭ǜ蓴_處置經(jīng)驗后，結合本次處置過程逐漸將類似情況流程化：(1)確認雷達系統(tǒng)自身無故障。(2)利用現(xiàn)有條件初步了解干擾信號特征。(3)向上級氣象主管部門報告異常干擾情況并做好記錄。(4)向無線電管理部門申報請求協(xié)查并做好配合工作。(5)將最終查處情況向上級氣象主管部門匯報。

3 干擾設備介紹

通過無線電管理部門兩次查處，干擾源均鎖定在工地塔吊上的無線網(wǎng)橋。無線網(wǎng)橋一般應用在監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸、室外遠距離無線橋接等場景，通常由兩個或兩個以上的無線設備組成，數(shù)據(jù)信號雙向傳輸，每臺設備均具備無線信號的收發(fā)能力。一端網(wǎng)橋把網(wǎng)線中的信號轉化為無線電磁波信號并定向發(fā)射到空氣中。另外一端的網(wǎng)橋接收空氣中的無線電磁波信號并轉化為有線信號，通信距離可達50千米。無線網(wǎng)橋一般可分為2.4G和5.8G這兩種，2.4G頻段的網(wǎng)橋發(fā)射的電磁波信號容易受其他設備發(fā)射的信號干擾，造成傳輸質量下降?，F(xiàn)多使用5.8G頻段的網(wǎng)橋，其優(yōu)點是頻率高信道純凈傳輸帶寬大。由于該設備隨著使用時間的增長，部分設備器件性能變化，可導致頻點發(fā)生漂移等，均會影響我方C波段雷達正常工作。

結語

天氣雷達異?；夭ǜ蓴_工作的排查是一項細致復雜的工作，同時還涉及與外單位的相關協(xié)調工作，建立一套行之有效的處置流程，可以快速準確地查找到干擾源，在出現(xiàn)異?；夭ê笪覀儜⒆阌诶走_原理，由設備內部到外界環(huán)境逐一排查，同各相關業(yè)務單位保持互通建立良好的合作關系，在嚴格遵守電磁頻率使用規(guī)范的同時還應在氣象雷達信號編碼、質控算法優(yōu)化等方面繼續(xù)探索研究。