全固態(tài)發(fā)射機(jī)性能指標(biāo)對(duì)氣象雷達(dá)探測性能影響的探究

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(bào)業(yè)務(wù)精細(xì)化進(jìn)程的推進(jìn),氣象預(yù)報(bào)預(yù)警的時(shí)效和空間精細(xì)化程度的要求較以往有了進(jìn)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(jī)由于采用大功率射頻放大管,通常可以得到數(shù)百千瓦級(jí)峰值功率且相對(duì)穩(wěn)定的電磁波,但同時(shí)因其工作電壓高使得這種體制的發(fā)射機(jī)不易維護(hù)[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(bào)預(yù)警的精細(xì)化程度不高和時(shí)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(shí)間問題,提升氣象雷達(dá)在精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警中的作用和價(jià)值,全固態(tài)發(fā)射機(jī)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(shí)現(xiàn)方法和應(yīng)用實(shí)例;柴秀梅等[11]詳細(xì)介紹了新一代天氣雷達(dá)中針對(duì)發(fā)射功率變化進(jìn)行的反射率因子強(qiáng)度修正;程寶山等[12-13]在研究中都作了改善發(fā)射機(jī)頻譜特性的分析。全固態(tài)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部通過調(diào)整脈沖信號(hào)調(diào)制時(shí)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(jī)峰值功率、雷達(dá)發(fā)射信號(hào)頻譜特性及極限改善因子3個(gè)方面對(duì)氣象雷達(dá)探測效果的影響進(jìn)行探究。

1 發(fā)射機(jī)性能指標(biāo)對(duì)雷達(dá)探測性能的影響

1.1 峰值功率對(duì)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(duì)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(qiáng),對(duì)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(jì)算公式如式(2):

(2)

式中,φ為垂直波束寬度;τ為發(fā)射信號(hào)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(jì)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(shí)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(hào)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(shí),接收機(jī)接收到對(duì)應(yīng)距離相等功率的回波信號(hào)強(qiáng)度時(shí),將會(huì)因雷達(dá)常數(shù)C比正確值偏大造成計(jì)算出來的回波強(qiáng)度偏強(qiáng)3 dB,造成雷達(dá)反射率因子強(qiáng)度偏差,雷達(dá)針對(duì)弱回波的探測能力也會(huì)因反射率偏強(qiáng)而變?nèi)?能夠探測到的天氣過程邊緣弱回波將會(huì)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(duì)雷達(dá)探測性能的影響

不同頻譜分量的信號(hào)功率會(huì)影響輻射信號(hào)的能量分散度。時(shí)域信號(hào)的功率為頻域上不同頻率分量上信號(hào)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(qiáng),中心頻率輻射能量也越大,帶內(nèi)有效信號(hào)信噪比越強(qiáng)。同時(shí),雷達(dá)發(fā)射信號(hào)占用帶寬越窄,對(duì)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(hào)帶寬內(nèi)回波信號(hào)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(shí)域信號(hào)上為脈沖信號(hào)上、下邊沿處載波信號(hào)頻率與脈沖中間部分載波信號(hào)頻率不同,脈沖邊沿的載波信號(hào)譜線分布在中心頻率兩側(cè)邊帶,這部分脈沖邊沿信號(hào)在實(shí)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(shí),這部分信號(hào)頻譜分散,相位噪聲性能較差,地物雜波抑制效果也相對(duì)較差,容易在回波邊沿出現(xiàn)雜點(diǎn)。

1.3 極限改善因子對(duì)雷達(dá)探測性能的影響

雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)極限改善因子分為2種測試方法。2種方法的不同點(diǎn)在于,頻譜儀測試的是發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào),通過設(shè)置合適的分析帶寬和顯示帶寬,掃描得出信號(hào)的信噪比;而系統(tǒng)信號(hào)單庫進(jìn)行FFT估算得到的系統(tǒng)極限改善因子是通過雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)得到多個(gè)連續(xù)PRT固定位置的信號(hào),對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行FFT處理得出信號(hào)的信噪比。兩種測試方法都是通過得到頻域信噪比進(jìn)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(hào)流程原理可知,發(fā)射機(jī)射頻信號(hào)是由信號(hào)處理器產(chǎn)生的中頻激勵(lì)信號(hào)與頻率源輸出的本振信號(hào)上變頻輸出的,輸入信號(hào)處理器的中頻信號(hào)則是由射頻信號(hào)與同一個(gè)本振信號(hào)下變頻輸出的。因此,若頻率源輸出的本振信號(hào)頻率出現(xiàn)抖動(dòng)或出現(xiàn)較大幅度的雜散信號(hào),則發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)也會(huì)隨之抖動(dòng)和產(chǎn)生雜散。同樣,本振信號(hào)的抖動(dòng)和雜散也會(huì)造成中頻信號(hào)的抖動(dòng)和雜散,進(jìn)而影響信號(hào)的相位噪聲和地物雜波抑制能力。發(fā)射信號(hào)上變頻流程示意如圖1所示。

圖1 發(fā)射信號(hào)上變頻流程示意圖

信號(hào)處理器針對(duì)發(fā)射機(jī)輸出耦合信號(hào)的采樣經(jīng)過FFT計(jì)算后,系統(tǒng)極限改善因子考慮了全信號(hào)流程,不僅包含雷達(dá)發(fā)射機(jī)上變頻信號(hào)特征,同時(shí)包含了雷達(dá)接收機(jī)下變頻流程帶來的信號(hào)特征變化,接收信號(hào)下變頻流程示意如圖2所示。發(fā)射機(jī)輸出耦合信號(hào)經(jīng)過延時(shí)線進(jìn)行延時(shí)后輸入接收機(jī),可以近似模擬雷達(dá)回波信號(hào),接收機(jī)將信號(hào)進(jìn)行下變頻后,輸入信號(hào)處理器進(jìn)行A/D采樣和FFT計(jì)算,得到信號(hào)對(duì)應(yīng)單庫的頻域信噪比,再估算極限改善因子。此時(shí),頻率源本振信號(hào)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(hào)下變頻流程示意圖

在2種極限改善因子計(jì)算方法中,通過發(fā)射機(jī)輸出耦合信號(hào)進(jìn)行單庫FFT估算的系統(tǒng)極限改善因子更接近雷達(dá)真實(shí)工作狀態(tài)。這項(xiàng)指標(biāo)將直接反映對(duì)應(yīng)測試?yán)走_(dá)信號(hào)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(qiáng)。

2 發(fā)射機(jī)性能指標(biāo)標(biāo)定測試與反饋

2.1 發(fā)射機(jī)峰值功率標(biāo)定與反饋

目前,針對(duì)發(fā)射機(jī)峰值功率的標(biāo)定方法主要有機(jī)外峰值功率計(jì)測試和機(jī)內(nèi)發(fā)射耦合信號(hào)檢波2種。

機(jī)外峰值功率計(jì)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(tái),實(shí)際探測工作中,發(fā)射機(jī)跟隨伺服轉(zhuǎn)臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng),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(shí)時(shí)標(biāo)定和動(dòng)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(jī)峰值功率標(biāo)定測試流程如圖3所示。

圖3 發(fā)射機(jī)峰值功率標(biāo)定測試

由發(fā)射機(jī)末級(jí)輸出端發(fā)射耦合信號(hào),輸入機(jī)內(nèi)功率監(jiān)視模塊,將采樣出來的數(shù)字信號(hào)上報(bào)至信號(hào)處理器,由信號(hào)處理器轉(zhuǎn)發(fā)至雷達(dá)控制終端進(jìn)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(hào)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(hào)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(gè)脈沖周期重復(fù)此過程,即可完成射頻信號(hào)脈沖包絡(luò)檢波。

圖5 射頻脈沖信號(hào)檢波基本原理圖

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

由于發(fā)射功率的變化會(huì)對(duì)雷達(dá)反射率因子的計(jì)算產(chǎn)生直接影響,進(jìn)而影響雷達(dá)探測效果,因此穩(wěn)定地標(biāo)定和動(dòng)態(tài)修正發(fā)射機(jī)峰值功率將有效提升雷達(dá)探測數(shù)據(jù)可用性。通過對(duì)發(fā)射機(jī)峰值功率進(jìn)行標(biāo)定,雷達(dá)終端可實(shí)時(shí)得到發(fā)射機(jī)的實(shí)際發(fā)射峰值功率,將此實(shí)時(shí)發(fā)射峰值功率帶入氣象雷達(dá)方程,即可得到相對(duì)準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)雷達(dá)回波強(qiáng)度。

除此之外,參考新一代多普勒天氣雷達(dá)的自動(dòng)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(bǔ)償誤差。由式(4)和式(5)可知,發(fā)射功率的波動(dòng)將主要影響C值的波動(dòng),因此動(dòng)態(tài)修正C值將能夠達(dá)到修正雷達(dá)回波強(qiáng)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(jī)末級(jí)輸出的耦合信號(hào)輸入接收機(jī),完成強(qiáng)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(shí)多種脈沖也將分別進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理,從式(3)可知,脈寬τ也會(huì)影響C值。因此,將對(duì)3種脈沖分別進(jìn)行標(biāo)定,不同信號(hào)脈沖得到不同的syscal修正值,對(duì)應(yīng)修正不同的脈沖探測結(jié)果。

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

2.2 發(fā)射信號(hào)頻譜寬度測試與改善

脈沖激勵(lì)信號(hào)中心頻率譜線功率已經(jīng)使發(fā)射機(jī)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(jī)放大后,會(huì)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(jī)輸出信號(hào)的頻譜展寬惡化?；谶@一特性,發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)的頻譜展寬將會(huì)寬于脈沖激勵(lì)信號(hào)的頻譜展寬。

雷達(dá)發(fā)射鏈路通常選擇在中頻激勵(lì)信號(hào)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(hào)極限改善因子測試與改善

首先求得發(fā)射機(jī)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(jī)信號(hào)信噪比,再由該信號(hào)信噪比和脈沖重復(fù)頻率、信號(hào)測試分析帶寬計(jì)算得到發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)極限改善因子。

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

在雷達(dá)系統(tǒng)中,針對(duì)單庫信號(hào)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(shí)際工作的檢驗(yàn)方法。該方法不僅有表征全鏈路射頻型號(hào)特性的信號(hào)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(duì)回波信號(hào)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(hào)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(hào)相位噪聲指標(biāo)和頻率穩(wěn)定度越好,雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)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(jī)指標(biāo)。其中頻譜寬度和極限改善因子是信號(hào)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(shí)還不能通過機(jī)內(nèi)標(biāo)定進(jìn)行修正反饋。目前,發(fā)射機(jī)的發(fā)射峰值功率是對(duì)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(dòng)標(biāo)定修正,但2種修正方式都有各自的缺點(diǎn)。峰值功率檢波的修正方式對(duì)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(duì)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(jī)輸出耦合信號(hào)標(biāo)定syscal修正值的方式存在不能實(shí)時(shí)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(jìn)行標(biāo)定測試,因此只能在探測周期間隙進(jìn)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(qiáng)度計(jì)算。

要解決發(fā)射功率變化帶來的雷達(dá)回波強(qiáng)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(jī)輸出耦合信號(hào)標(biāo)定再以C為基礎(chǔ),標(biāo)定syscal修正值,進(jìn)行回波強(qiáng)度補(bǔ)償。